Tenk deg en aksel av gult sollys strålte gjennom et vindu. Ifølge kvantefysikken at strålen er laget av utallige små pakker med lys, kalt fotoner, streaming gjennom luften. Men hva er egentlig et foton?

Fotoner er det ting lys er laget av. Kreditt:JFC.

Definisjon

Et foton er den minste diskret beløp eller quantum av elektromagnetisk stråling., Det er den grunnleggende enhet av alle lys.

Fotoner er alltid i bevegelse, og i et vakuum, reise på en konstant hastighet til alle observatører av 2.998 x 108 m/s. Dette er ofte referert til som lysets hastighet, som er merket med bokstaven c.

Som per Einsteins lys kvante-teori, fotoner har energi lik sin svingning frekvens ganger plancks konstant. Einstein viste at lys er en strøm av fotoner, energien til disse fotoner er høyden av sin svingning frekvensen og intensiteten av lyset tilsvarer antall fotoner., I hovedsak, forklarte han hvordan en strøm av fotoner kan fungere både som en bølge og partikkel.

Foton egenskaper

Den grunnleggende egenskaper av fotoner er:

– >

  • De har null masse og resten energi. De eksisterer bare som flytting av partikler.
  • De er elementærpartikler til tross for mangler hvile masse.
  • De har ingen elektrisk ladning.
  • De er stabile.
  • De er spinn-1 partikler som gjør dem bosoner.
  • De bærer energi og momentum som er avhengig av frekvens.,
  • De kan ha interaksjoner med andre partikler som elektroner, slik som Compton-effekten.
  • kan De bli ødelagt eller skapt av mange naturlige prosesser, for eksempel når stråling blir absorbert eller slippes ut.
  • Når du er i tomt rom, de reiser på lysets hastighet.

Historie

arten av lys — om du ser det som en partikkel eller en bølge — var en av de største vitenskapelige debatter. For århundrer, filosofer og forskere har hevdet om saken som var knapt løst for et århundre siden.,

disiplene av en sjette århundre F.KR gren av Hinduistisk filosofi kalt Vaisheshika hadde en overraskende fysiske intuisjon om lys. Som de gamle Grekerne, som de brukte til å tro at verden var basert på «atomer» av jord, luft, ild og vann. Lyset i seg selv var tenkt å være laget av slike svært rask bevegelse atomer kalles tejas. Det er bemerkelsesverdig lik vår moderne teori om lys og sin komponere fotoner, et begrep skapt tusenvis av år senere, i 1926 av en kjemiker som heter Gilbert Lewis og en optisk fysiker kalt Frithiof Wolfers.,

Senere, rundt 300 F.KR., den gamle greske fysiker Euklids gjort et stort gjennombrudd da han startet lys reiste i rette linjer. Euklids også beskrevet i loven om refleksjon, og et århundre senere, Ptolemaios supplert med skriverier om brytning. DET var ikke før i 1021, men at lovene i brytning ble formelt etablert i banebrytende arbeid Kitab al-Manazir, eller Bestill på Optikk, av Ibn al-Haytham.

Renessansen ville innlede en ny alder av vitenskapelige undersøkelser i natur lys., Av notatet er René Descartes’ angrep i en 1637 essay kalt La dioptrique, hvor han argumenterte for at lys er laget av pulser som overføres umiddelbart når du kontakter ‘baller’ i et medium. Senere skriver i Traité de la lumière publisert i 1690, Christiaan Huygens behandlet lys som komprimerbar bølger i et elastisk medium, akkurat som lydtrykk bølger. Huygens viste hvordan å gjøre reflekterte, brytes, og skjermet for bølger av lys og forklarte også dobbel brytning.

på denne tiden, forskere hadde delt seg i to forankret leire., Den ene siden mente at lyset var en bølge mens den andre ble av lys som partikler eller corpuscles. Den store mester av den såkalte «corpuscularists» var ingen andre enn Isaac Newton, antatt som den største vitenskapsmann noensinne. Newton var ikke glad i alt av bølgeteori siden det ville bety at lyset ville være i stand til å fjerne seg for langt inn i skyggen.

For mye av det 18. århundre, corpuscular teori dominert debatten rundt arten av lys., Men så, i Mai 1801, Thomas Unge introduserte verden til sin nå berømte to-spalte eksperimentet der han viste forstyrrelser av lysbølger.

Unge er slit eksperimentet viser hvordan hver slit fungerer som en kilde til sfæriske bølger, som «forstyrrelser» som de beveger seg fra venstre til høyre, som vist ovenfor. Kreditt: University of Louisville Institutt for Fysikk.

I den første versjonen av eksperimentet, Unge faktisk ikke bruke to spalter, men heller en eneste tynn-kortet., Fysikeren bare dekket av et vindu med et stykke papir med et lite hull i det som serveres til å kanalisere en tynn stråle av lys. Med kortet i sin hånd, Unge vært vitne til hvordan strålen delt i to. Lyset passerer på den ene siden av kortet forstyrret med lyset fra den andre siden av kortet for å lage frynser, som kan sees på den motsatte veggen. Senere, Unge brukt disse dataene til å beregne bølgelengder av forskjellige farger av lys og kom bemerkelsesverdig nær moderne verdier. Demonstrasjonen vil gi solide bevis for at lyset var en bølge, ikke en partikkel.,

i Mellomtiden, denne gangen i Frankrike, corpuscularist bevegelse, var å få damp etter siste utviklingen tilskrives den polarisering av lyset til noen form for asymmetri mellom lys corpuscles. De led et stort nederlag ved hånden av Augustin Fresnel som i 1821 viste at polariseringen kunne forklares hvis lyset var en tverrgående bølge med ingen langsgående vibrasjon. Tidligere, Fresnel kom også opp med en presis wave teori for diffraksjon.

Etter dette punktet, var det lite stabil bakken for Newton sine tilhengere til å fortsette debatten., Det virket lys er en bølge, og det er det. Problemet var at den sagnomsuste aether — den mystiske medium som kreves for å støtte elektromagnetiske felt og å gi Fresnel lover av forplantning — manglet tross for alles beste for å finne det. Ingen noensinne gjorde, faktisk.

Et stort gjennombrudd kom i 1861 når James Clerk Maxwell kondensert eksperimentell og teoretisk kunnskap om elektrisitet og magnetisme i 20 ligninger. Maxwell spådd en elektromagnetisk bølge», som kan self-støtte, selv i et vakuum, i fravær av konvensjonelle strømninger., Dette betyr at ingen aether er nødvendig for lys for å spire! Videre, han spådde hastigheten på denne bølgen å være 310,740,000 m s−1 — det er bare noen få prosent av den nøyaktige verdien av lysets hastighet.

«avtalen av resultatene synes å vise at lys og magnetisme er følelser av det samme stoffet, og lys er en elektromagnetisk forstyrrelse forplantet seg gjennom feltet i henhold til elektromagnetiske lover», skrev Maxwell i 1865.,

Fra denne dag fremover, konseptet av lys ble forent med de av elektrisitet og magnetisme for første gang.

På 14 desember 1900, Max Planck viste at varmeavgivelse ble sluppet og absorbert i diskret pakker med energi — quanta. Senere, Albert Einstein viste i 1905 at dette også brukes til å lyse. Einstein brukte betegnelsen Lichtquant, eller quantum of light. Nå, ved begynnelsen av det 20. århundre, en ny revolusjon i fysikk vil igjen vurdere arten av lys. Denne gangen handler det ikke om enten lys er en skumskott eller bølge., Det er uansett om det er begge eller ikke.

Moderne teori om lys og fotoner

Einstein mente lys er partikler (fotoner) og flyten av fotoner er en bølge. Den tyske fysiker var overbevist om lyset hadde en partikkel natur følgende hans oppdagelse av den fotoelektriske effekten, der elektroner fly ut av en overflate av metall utsettes for lys. Hvis lyset var en bølge, som ikke kunne ha skjedd. En annen underlige spørsmål er hvordan photoelectrons multiplisere når sterkt lys er brukt., Einstein forklarte fotoelektrisk effekt ved å si at «lys i seg selv er en partikkel,» for som han senere skulle få nobelprisen i Fysikk.

Det viktigste punktet av Einsteins lys kvante-teori er at lys er energi som er knyttet til dens frekvens svingning. Han hevdet at fotoner har energi lik «Planck’ s konstant ganger svingning frekvens», og dette foton energi er høyden av pendling frekvens mens intensiteten av lys som tilsvarer antall fotoner., De ulike egenskapene av lys, som er en type elektromagnetisk bølge, er på grunn av oppførselen til ekstremt små partikler som kalles fotoner som er usynlig for det blotte øye.

Einstein spekulert i at når elektroner i saken kolliderer med fotoner, den tidligere tar sistnevntes energi og flyr ut og at jo høyere frekvens svingning av fotoner som treffer, jo større elektronet energi som vil komme flygende ut. Noen av dere har en fungerende bevis på denne ideen i ditt eget hjem — det er solcellepaneler!, Kort sagt, han sa at lys er en strøm av fotoner, energien til disse fotoner er høyden av sin svingning frekvensen og intensiteten av lyset er relatert til antall fotoner.

Einstein var i stand til å bevise sin teori ved å derivere plancks konstant fra sine eksperimenter på den fotoelektriske effekt. Hans beregninger gjengitt en plancks konstant verdi av 6.6260755 x 10-34 som er nøyaktig hva Max Planck innhentet i 1900 gjennom sin forskning på elektromagnetiske bølger., Utvetydig, dette viste til en intim sammenheng mellom egenskaper og pendling frekvens av lys som en bølge og egenskaper og fremdriften av lys som en partikkel. Senere, i løpet av 1920-tallet, Østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger utarbeidet på disse ideene med sin ligning for quantum wave-funksjonen for å beskrive hva en bølge ser ut som.

for Mer enn hundre år siden Einstein viste double nature of light, Sveitsiske fysikere ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne tatt den første noensinne øyeblikksbilde av denne doble atferd., Teamet ledet av Fabrizio Carbone utført en smart eksperiment i 2015 som en laser ble brukt til å skyte på en nanowire, forårsaker elektroner til å vibrere. Lys reiser sammen denne lille ledningen i to mulige retninger, som biler på en motorvei. Når bølgene reiser seg i motsatt retning møte hverandre, danner de en ny bølge som ser ut som det står på plass. Her, dette stående bølge blir kilden til lys for eksperimentet, som stråler rundt nanowire. Det avfyrt en ny stråle av elektroner til bilde av stående bølger av lys, som fungerer som et fingeravtrykk av bølge-arten av lys., Resultatet kan sees nedenfor.

Den første fotografi av lys som både partikkel og bølge. Kreditt: EPFL.

Hva et foton ser ut som

Har du noen gang lurt på hvordan formen gjør et foton har? Forskere har grublet på dette spørsmålet i flere tiår, og til slutt i 2016, polsk fysikere skapte den første noensinne hologram av et enkelt lys partikkel. Team ved Universitetet i Warsawa laget hologrammet ved å skyte to lysstråler på en beamsplitter, laget av kalsitt krystall, på samme tid., Den beamsplitter er beslektet med en trafikk lyset krysset slik at hvert foton kan enten passere rett gjennom eller gjøre en sving. Når et foton er på egen hånd, hver bane er like sannsynlige, men når flere fotoner er involvert de samhandler og oddsene endres. Hvis du vet at bølgefunksjonen av en av fotoner, er det mulig å finne ut formen av det andre fra posisjoner av blinker vises på en detektor. Den resulterende bildet ser litt ut som en malteserkors, akkurat som bølgefunksjonen spådd fra Schrödinger ‘ s ligning.,

Hologram av et enkelt foton rekonstruert fra raw-målinger sett i venstre side versus teoretisk spådd foton form på høyre side. Kreditt: FUW

Fakta om fotoner

  • det er Ikke bare lys består av fotoner, men alle elektromagnetisk energi (dvs. mikrobølger, radiobølger, X-stråler) består av fotoner.
  • Den opprinnelige konseptet av fotonet ble utviklet av Albert Einstein. Men det var vitenskapsmann Gilbert N. Lewis som først brukte ordet «foton» for å beskrive det.,
  • teorien som sier at lyset oppfører seg både som en bølge og en partikkel er kalt bølge-partikkel dualiteten teori.
  • Fotoner er alltid elektrisk nøytral. De har ingen elektrisk ladning.
  • Fotoner ikke forfallet på sine egne.