stel je een schacht voor van geel zonlicht dat door een venster straalt. Volgens de kwantumfysica bestaat die straal uit zillioenen kleine lichtpakketten, fotonen genaamd, die door de lucht stromen. Maar wat is een foton precies?
definitie
een foton is de kleinste afzonderlijke hoeveelheid of kwantum van elektromagnetische straling., Het is de basiseenheid van alle licht.
fotonen zijn altijd in beweging en reizen in een vacuüm met een constante snelheid naar alle waarnemers van 2.998 x 108 m / s. Dit wordt gewoonlijk aangeduid als de lichtsnelheid, aangeduid met de letter c.
volgens Einsteins lichtkwantumtheorie hebben fotonen een energie die gelijk is aan hun oscillatiefrequentie maal de constante van Planck. Einstein bewees dat licht een stroom fotonen is, de energie van deze fotonen is de hoogte van hun trillingsfrequentie, en de intensiteit van het licht komt overeen met het aantal fotonen., In wezen legde hij uit hoe een stroom fotonen zowel als een golf als deeltje kan werken.
Fotoneigenschappen
de basiseigenschappen van fotonen zijn:
- ze hebben een massa-en rustenergie van nul. Ze bestaan alleen als bewegende deeltjes.
- het zijn elementaire deeltjes ondanks het ontbreken van rustmassa.
- ze hebben geen elektrische lading.
- ze zijn stabiel.
- het zijn spin-1-deeltjes waardoor ze bosonen worden.
- zij dragen energie en momentum die afhankelijk zijn van de frequentie.,
- zij kunnen interacties hebben met andere deeltjes zoals elektronen, zoals het Compton-effect.
- ze kunnen worden vernietigd of gecreëerd door vele natuurlijke processen, bijvoorbeeld wanneer straling wordt geabsorbeerd of uitgezonden.
- in lege ruimte reizen ze met de snelheid van het licht.
geschiedenis
de aard van licht — of je het nu als een deeltje of een golf beschouwt — was een van de grootste wetenschappelijke debatten. Eeuwenlang ruziën filosofen en wetenschappers over de kwestie die nauwelijks een eeuw geleden werd opgelost.,de discipelen van een tak uit de zesde eeuw v. Chr. van de hindoeïstische filosofie genaamd Vaisheshika hadden een verrassende fysieke intuïtie over licht. Net als de oude Grieken geloofden zij dat de wereld gebaseerd was op ‘atomen’ van aarde, lucht, vuur en water. Licht zelf werd gedacht te zijn gemaakt van zulke zeer snel bewegende atomen genaamd tejas. Dat is opmerkelijk vergelijkbaar met onze moderne theorie van licht en de samenstellende fotonen, een term die duizenden jaren later in 1926 werd bedacht door een chemicus genaamd Gilbert Lewis en een optische fysicus genaamd Frithiof Wolfers.,later, rond 300 v. Chr., maakte de oude Griekse natuurkundige Euclides een enorme doorbraak toen hij stelde dat licht in rechte lijnen reisde. Euclides beschreef ook de wetten van reflectie en, een eeuw later, Ptolemaeus aangevuld met geschriften over breking. Het was echter pas in 1021 dat de wetten van breking formeel werden vastgesteld in het baanbrekende werk Kitab al-Manazir, of boek van de optica, door Ibn al-Haytham.de Renaissance zou een nieuw tijdperk inluiden van wetenschappelijk onderzoek naar de aard van licht., Van belang zijn de invallen van René Descartes in een essay uit 1637 genaamd La dioptrique, waarin hij betoogde dat licht gemaakt is van pulsen die zich onmiddellijk verspreiden wanneer ze in contact komen met ‘ballen’ in een medium. Christiaan Huygens behandelde licht als samendrukbare golven in een elastisch medium, net als geluidsdrukgolven. Huygens toonde hoe gereflecteerde, gebroken en afgeschermde lichtgolven te maken en verklaarde ook dubbele breking.
tegen die tijd waren wetenschappers opgesplitst in twee verschanste kampen., De ene kant geloofde dat licht een golf was, terwijl de andere kant van licht was als deeltjes of bloedlichaampjes. De grote voorvechter van de zogenaamde ‘corpuscularisten’ was niemand minder dan Isaac Newton, algemeen beschouwd als de grootste wetenschapper ooit. Newton was helemaal niet dol op de golftheorie omdat dat zou betekenen dat licht te ver in de schaduw zou kunnen afdwalen.gedurende een groot deel van de 18e eeuw domineerde de corpusculaire theorie het debat over de aard van het licht., Maar toen, in mei 1801, Thomas Young introduceerde de wereld aan zijn nu beroemde twee-spleet experiment, waar hij de interferentie van lichtgolven demonstreerde.
in de eerste versie van het experiment gebruikte Young eigenlijk geen twee spleten, maar eerder een enkele dunne kaart., De natuurkundige bedekte gewoon een raam met een stuk papier met een klein gaatje erin dat diende om een dunne lichtstraal te trekken. Met de kaart in zijn hand zag Young hoe de balk in tweeën splitste. Licht dat aan de ene kant van de kaart passeert, verstoorde het licht aan de andere kant van de kaart om franjes te creëren, die op de tegenoverliggende muur konden worden waargenomen. Later gebruikte Young deze gegevens om de golflengten van verschillende kleuren licht te berekenen en kwam opmerkelijk dicht bij moderne waarden. De demonstratie zou solide bewijs leveren dat licht een golf was, geen deeltje.,ondertussen, deze keer in Frankrijk, kreeg de corpuscularistische beweging stoom na recente ontwikkelingen toegeschreven de polarisatie van licht aan een soort van asymmetrie tussen de lichtlichamen. Ze leden een grote nederlaag door Augustin Fresnel die in 1821 aantoonde dat polarisatie verklaard kon worden als licht een dwarsgolf was zonder longitudinale trilling. Eerder kwam Fresnel ook met een precieze golftheorie van diffractie.
Op dit punt was er weinig stabiele grond voor Newton ‘ s volgelingen om het debat voort te zetten., Het leek erop dat licht een golf is en dat is dat. Het probleem was dat de legendarische aether — het mysterieuze medium dat nodig is om elektromagnetische velden te ondersteunen en Fresnel ‘ s wetten van voortplanting te geven-ontbrak ondanks ieders inspanningen om het te vinden. Niemand heeft dat ooit gedaan.een enorme doorbraak kwam in 1861 toen James Clerk Maxwell experimentele en theoretische kennis over elektriciteit en magnetisme in 20 vergelijkingen samenvoegde. Maxwell voorspelde een ‘elektromagnetische golf’, die zichzelf in stand kan houden, zelfs in een vacuüm, bij afwezigheid van conventionele stromen., Dit betekent dat er geen uitspansel nodig is voor licht om zich voort te planten! Bovendien voorspelde hij de snelheid van deze golf op 310.740.000 m s−1 — dat is slechts een paar procent van de exacte waarde van de snelheid van het licht.
“The agreement of the results seems to show that light and magnetism are affections of the same substance, and light is an electromagnetic Disorder propagated through the field according to electromagnetic laws”, schreef Maxwell in 1865.,
vanaf die dag werd het concept van licht voor het eerst verenigd met dat van elektriciteit en magnetisme.op 14 December 1900 toonde Max Planck aan dat warmtestraling werd uitgezonden en geabsorbeerd in afzonderlijke pakketten energiequanta. Later toonde Albert Einstein in 1905 aan dat dit ook van toepassing was op licht. Einstein gebruikte de term Lichtquant, of kwantum van licht. Nu, aan het begin van de 20e eeuw, zou een nieuwe revolutie in de fysica weer afhangen van de aard van licht. Deze keer gaat het er niet om of licht een crepuscule of een golf is., Het is of het allebei is of niet.
moderne theorie van licht en fotonen
Einstein geloofde dat licht een deeltje (foton) is en dat de stroom van fotonen een golf is. De Duitse natuurkundige was ervan overtuigd dat licht een deeltjesnatuur had na zijn ontdekking van het foto-elektrisch effect, waarbij elektronen uit een metaaloppervlak vliegen dat aan licht wordt blootgesteld. Als licht een golf was, kon dat niet gebeurd zijn. Een andere raadselachtige kwestie is hoe foto-elektronen vermenigvuldigen wanneer sterk licht wordt toegepast., Einstein verklaarde het foto-elektrisch effect door te zeggen dat “licht zelf een deeltje is”, waarvoor hij later de Nobelprijs voor de natuurkunde zou ontvangen.het belangrijkste punt van Einsteins lichtkwantumtheorie is dat de energie van het licht gerelateerd is aan zijn oscillatiefrequentie. Hij stelde dat fotonen energie hebben die gelijk is aan” Planck ’s constant times oscillation frequency”, en deze fotonenergie is de hoogte van de oscillatie frequentie terwijl de intensiteit van het licht overeenkomt met het aantal fotonen., De verschillende eigenschappen van licht, een soort elektromagnetische golf, zijn te wijten aan het gedrag van extreem kleine deeltjes genaamd fotonen die onzichtbaar zijn voor het blote oog.Einstein speculeerde dat wanneer elektronen in materie botsen met fotonen, de eerste de energie van de laatste neemt en naar buiten vliegt en dat hoe hoger de oscillatiefrequentie van de fotonen die toeslaan, hoe groter de elektronenenergie die naar buiten vliegt. Sommigen van jullie hebben een werkend bewijs van dit idee in je eigen huis-het zijn de zonnepanelen!, Kortom, hij zei dat licht een stroom van fotonen is, de energie van deze fotonen is de hoogte van hun trillingsfrequentie, en de intensiteit van het licht is gerelateerd aan het aantal fotonen.Einstein kon zijn theorie bewijzen door Planck ‘ s constante te ontlenen aan zijn experimenten op het foto-elektrische effect. Zijn berekeningen leverden de constante waarde van een Planck op van 6.6260755 x 10-34, wat precies is wat Max Planck in 1900 kreeg door zijn onderzoek naar elektromagnetische golven., Dit wees ondubbelzinnig op een intieme relatie tussen de eigenschappen en de trillingsfrequentie van licht als golf en de eigenschappen en het momentum van licht als deeltje. Later, in de jaren 1920, werkte De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger deze ideeën uit met zijn vergelijking voor de kwantumgolffunctie om te beschrijven hoe een golf eruit ziet.meer dan honderd jaar sinds Einstein de dubbele aard van licht toonde, hebben Zwitserse natuurkundigen aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne de allereerste momentopname van dit duale gedrag vastgelegd., Het team onder leiding van Fabrizio Carbone voerde in 2015 een slim experiment uit waarbij een laser werd gebruikt om op een nanodraad te vuren, waardoor elektronen trillen. Licht reist langs dit kleine draadje in twee mogelijke richtingen, als auto ‘ s op een snelweg. Wanneer golven die in tegengestelde richtingen reizen elkaar ontmoeten vormen ze een nieuwe golf die eruit ziet alsof hij op zijn plaats staat. Hier wordt deze staande golf de lichtbron voor het experiment, die rond de nanodraad uitstraalt. Ze vuurden een nieuwe bundel elektronen af om de staande golf van licht in beeld te brengen, die fungeert als een vingerafdruk van de Golf-aard van licht., Het resultaat is hieronder te zien.
Hoe ziet een foton eruit
heeft u zich ooit afgevraagd welke vorm een foton heeft? Wetenschappers denken hier al tientallen jaren over na en in 2016 creëerden Poolse natuurkundigen het allereerste hologram van een enkel lichtdeeltje. Het team van de Universiteit van Warschau maakte het hologram door tegelijkertijd twee lichtbundels af te vuren op een beamsplitter, gemaakt van calciet kristal., De beamsplitter is verwant aan een verkeerslicht kruising, zodat elk foton kan ofwel rechtdoor of een bocht te maken. Als een foton op zichzelf staat, is elk pad even waarschijnlijk, maar als er meer fotonen bij betrokken zijn, interageren ze en veranderen de kansen. Als je de golffunctie van een van de fotonen kent, is het mogelijk om de vorm van de tweede te achterhalen vanuit de posities van flitsen die op een detector verschijnen. Het resulterende beeld lijkt een beetje op een Maltees kruis, net als de golffunctie voorspeld uit Schrödingers vergelijking.,
feiten over fotonen
- niet alleen bestaat licht uit fotonen, maar alle elektromagnetische energie (bv. microgolven, radiogolven, röntgenstralen) bestaat uit fotonen.het oorspronkelijke concept van het foton werd ontwikkeld door Albert Einstein. Het was echter wetenschapper Gilbert N. Lewis die voor het eerst het woord “foton” gebruikte om het te beschrijven.,
- de theorie dat licht zich gedraagt als een golf en een deeltje wordt de Golf-deeltje dualiteit theorie genoemd.
- fotonen zijn altijd elektrisch neutraal. Ze hebben geen elektrische lading.
- fotonen verdwijnen niet vanzelf.
Geef een reactie