wyobraź sobie wał żółtego światła słonecznego promieniującego przez okno. Zgodnie z fizyką kwantową wiązka ta składa się z milionów małych pakietów światła, zwanych fotonami, przepływających przez powietrze. Ale czym dokładnie jest Foton?

fotony to materiał, z którego wykonane jest światło. Autor: JFC.

definicja

foton jest najmniejszą dyskretną ilością lub kwantem promieniowania elektromagnetycznego., Jest to podstawowa jednostka światła.

fotony są zawsze w ruchu i w próżni poruszają się ze stałą prędkością dla wszystkich obserwatorów 2,998 x 108 m / s. jest to powszechnie określane jako prędkość światła, oznaczana literą c.

zgodnie z teorią kwantową światła Einsteina, fotony mają energię równą częstotliwości oscylacji razy stałej Plancka. Einstein udowodnił, że światło jest przepływem fotonów, energia tych fotonów jest wysokością ich częstotliwości oscylacji, a natężenie światła odpowiada liczbie fotonów., Zasadniczo wyjaśnił, jak strumień fotonów może działać zarówno jako fala, jak i cząstka.

właściwości fotonów

podstawowe właściwości fotonów to:

  • mają masę zerową i energię spoczynkową. Istnieją tylko jako poruszające się cząstki.
  • są cząstkami elementarnymi pomimo braku masy spoczynkowej.
  • nie mają ładunku elektrycznego.
  • są stabilne.
  • są to cząstki spin-1, co czyni je bozonami.
  • przenoszą energię i pęd, które są zależne od częstotliwości.,
  • mogą mieć interakcje z innymi cząstkami, takimi jak elektrony, takie jak efekt Comptona.
  • mogą być niszczone lub tworzone przez wiele naturalnych procesów, na przykład gdy promieniowanie jest pochłaniane lub emitowane.
  • gdy znajdują się w pustej przestrzeni, poruszają się z prędkością światła.

Historia

natura światła — niezależnie od tego, czy postrzega się je jako cząstkę, czy falę — była jedną z największych dyskusji naukowych. Przez wieki filozofowie i naukowcy spierali się o sprawę, która dopiero sto lat temu została rozwiązana.,

uczniowie z VI wieku p. n. e.gałęzi filozofii hinduskiej zwanej Vaisheshika mieli zaskakującą intuicję fizyczną na temat światła. Podobnie jak starożytni Grecy wierzyli, że świat opiera się na „atomach” ziemi, powietrza, ognia i wody. Uważano, że samo światło składa się z bardzo szybko poruszających się atomów zwanych tejas. Jest to niezwykle podobne do naszej współczesnej teorii światła i fotonów składających się na światło, terminu ukutego tysiące lat później w 1926 roku przez chemika Gilberta Lewisa i fizyka optycznego frithiofa Wolfersa.,

później, około 300 R.p. n. e., starożytny grecki fizyk Euklid dokonał wielkiego przełomu, gdy postawił światło podróżujące w liniach prostych. Euklid opisał również prawa refleksji, a sto lat później Ptolemeusz uzupełnił je pismami o refrakcji. Jednak dopiero w 1021 roku prawa refrakcji zostały formalnie ustanowione w przełomowym dziele Kitab al-Manazir, czyli Księdze optyki, autorstwa Ibn Al-Haythama.

Renesans zapoczątkowałby nową erę badań naukowych nad naturą światła., Na uwagę zasługują insurekcje René Descartesa w eseju La dioptrique z 1637 roku, w którym twierdził, że światło składa się z impulsów, które propagują się natychmiast podczas kontaktu z „kulkami” w medium. Później, w Traité de la lumière opublikowanym w 1690 roku, Christiaan Huygens traktował światło jako fale ściśliwe w sprężystym medium, podobnie jak fale ciśnienia akustycznego. Huygens pokazał, jak tworzyć odbite, załamane i ekranowane fale światła, a także wyjaśnił podwójne załamanie.

w tym czasie naukowcy podzielili się na dwa zakorzenione obozy., Jedna strona uważała, że światło jest falą, podczas gdy druga jest światłem jako cząstki lub ciałka. Wielkim mistrzem tak zwanych „korpuskularystów” był nikt inny jak Isaac Newton, powszechnie uważany za największego naukowca w historii. Newton w ogóle nie lubił teorii fal, ponieważ oznaczałoby to, że światło byłoby w stanie przesunąć się zbyt daleko w cień.

przez większą część XVIII wieku teoria korpuskularna zdominowała debatę wokół natury światła., Ale potem, w maju 1801 roku, Thomas Young wprowadził świat do swojego słynnego eksperymentu dwucięgnowego, w którym zademonstrował interferencję fal świetlnych.

eksperyment szczeliny Younga pokazuje, jak każda szczelina działa jako źródło fal sferycznych, które „zakłócają”, gdy poruszają się od lewej do prawej, jak pokazano powyżej. Kredyt: University of Louisville Department of Physics.

w pierwszej wersji eksperymentu Young nie używał dwóch szczelin, a raczej jednej cienkiej karty., Fizyk po prostu przykrył okno kartką papieru z maleńką dziurką, która służyła do lejenia cienkiej wiązki światła. Z kartą w ręku Young był świadkiem, jak belka rozpadła się na dwie części. Światło przechodzące z jednej strony karty zakłócało światło z drugiej strony karty, tworząc frędzle, które można było zaobserwować na przeciwległej ścianie. Później Young wykorzystał te dane do obliczenia długości fal różnych kolorów światła i zbliżył się do współczesnych wartości. Demonstracja dostarczy solidnych dowodów na to, że światło jest falą, a nie cząstką.,

tymczasem, tym razem we Francji, ruch korpuskularny zyskiwał na sile po ostatnich wydarzeniach przypisując polaryzację światła pewnej asymetrii wśród korpuskularnych ciał. Ponieśli wielką klęskę z ręki Augustina Fresnela, który w 1821 roku wykazał, że polaryzację można wyjaśnić, gdyby światło było falą poprzeczną bez drgań wzdłużnych. Wcześniej Fresnel opracował również precyzyjną falową teorię dyfrakcji.

w tym momencie nie było stabilnych podstaw dla zwolenników Newtona, aby kontynuować debatę., Wydawało się, że światło to fala i tyle. Problem polegał na tym, że legendarny eter — tajemnicze medium wymagane do wspierania pól elektromagnetycznych i do uzyskania praw propagacji Fresnela — zaginął, mimo że wszyscy starali się go znaleźć. Nikt tego nie zrobił.

ogromny przełom nastąpił w 1861 roku, kiedy James Clerk Maxwell skondensował eksperymentalną i teoretyczną wiedzę o elektryczności i magnetyzmie w 20 równaniach. Maxwell przewidział „falę elektromagnetyczną”, która może się sam utrzymać, nawet w próżni, przy braku konwencjonalnych prądów., Oznacza to, że eter nie jest wymagany do propagacji światła! Co więcej, przewidział prędkość tej fali na 310 740 000 m s-1 — to tylko kilka procent dokładnej wartości prędkości światła.

„porozumienie wyników wydaje się wykazywać, że światło i magnetyzm są uczuciami tej samej substancji, a światło jest zaburzeniem elektromagnetycznym propagowanym przez pole zgodnie z prawami elektromagnetycznymi”, napisał Maxwell w 1865 roku.,

od tego dnia koncepcja światła po raz pierwszy połączyła się z elektrycznością i magnetyzmem.

14 grudnia 1900 roku Max Planck wykazał, że promieniowanie cieplne jest emitowane i absorbowane w dyskretnych pakietach kwantów energii. Później Albert Einstein pokazał w 1905 roku, że dotyczy to również światła. Einstein użył terminu Lichtquant, czyli kwant światła. Teraz, u zarania XX wieku, nowa rewolucja w fizyce po raz kolejny będzie zależeć od Natury światła. Tym razem nie chodzi o to, czy światło jest krepuskułą, czy falą., Czy to jedno i drugie, czy nie.

współczesna teoria światła i fotonów

Einstein uważał, że światło jest cząstką (fotonem), a przepływ fotonów jest falą. Niemiecki fizyk był przekonany, że światło ma charakter cząstek po odkryciu efektu fotoelektrycznego, w którym elektrony wylatują z metalowej powierzchni wystawionej na działanie światła. Gdyby światło było falą, to by się nie stało. Inną zagadkową sprawą jest to, jak fotoelektrony mnożą się, gdy przyłożone jest silne światło., Einstein wyjaśnił efekt fotoelektryczny, mówiąc, że „samo światło jest cząstką”, za co później otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

głównym punktem kwantowej teorii światła Einsteina jest to, że energia światła jest związana z jego częstotliwością oscylacji. Utrzymywał, że energia fotonów jest równa „stałej częstotliwości oscylacji czasu Plancka”, a energia fotonów jest wysokością częstotliwości oscylacji, podczas gdy natężenie światła odpowiada liczbie fotonów., Różne właściwości światła, które jest rodzajem fali elektromagnetycznej, wynikają z zachowania bardzo małych cząstek zwanych fotonami, które są niewidoczne gołym okiem.

Einstein spekulował, że gdy elektrony w materii zderzają się z fotonami, te pierwsze pobierają energię tego drugiego i odlatują, a im wyższa częstotliwość drgań fotonów, które uderzają, tym większa energia elektronów, która wyleci. Niektórzy z was mają roboczy dowód tego pomysłu we własnym domu — to panele słoneczne!, Krótko mówiąc, mówił, że światło jest przepływem fotonów, energia tych fotonów jest wysokością ich częstotliwości oscylacji, a natężenie światła jest związane z liczbą fotonów.

Einstein był w stanie udowodnić swoją teorię, wyprowadzając stałą Plancka z jego eksperymentów na efekt fotoelektryczny. Jego obliczenia dały stałą Plancka o wartości 6,6260755 x 10-34, co było dokładnie tym, co Max Planck uzyskał w 1900 roku dzięki badaniom nad falami elektromagnetycznymi., Jednoznacznie wskazywało to na intymny związek między właściwościami i częstotliwością oscylacji światła jako fali a właściwościami i pędem światła jako cząstki. Później, w latach dwudziestych, austriacki fizyk Erwin Schrödinger rozwinął te idee za pomocą swojego równania dla kwantowej funkcji falowej, aby opisać, jak wygląda fala.

ponad sto lat temu Einstein pokazał podwójną naturę światła, szwajcarscy fizycy z École Polytechnique Fédérale de Lausanne uchwycili pierwszy w historii obraz tego podwójnego zachowania., Zespół kierowany przez Fabrizio Carbone przeprowadził sprytny eksperyment w 2015 roku, w którym laser został użyty do wystrzelenia nanowiru, powodując wibracje elektronów. Światło przemieszcza się wzdłuż tego maleńkiego drutu w dwóch możliwych kierunkach, jak samochody na autostradzie. Kiedy fale poruszające się w przeciwnych kierunkach spotykają się ze sobą, tworzą nową falę, która wygląda, jakby stała na miejscu. Tutaj ta fala stojąca staje się źródłem światła do eksperymentu, promieniując wokół nanowire. Wystrzelił nową wiązkę elektronów, aby obrazować stojącą falę światła, która działa jako odcisk palca falowej natury światła., Wynik można zobaczyć poniżej.

pierwsze w historii zdjęcie światła zarówno jako cząstki, jak i fali. Autor: EPFL.

Jak wygląda Foton

Czy zastanawialiście się kiedyś, jaki kształt ma Foton? Naukowcy zastanawiają się nad tym zagadnieniem od dziesięcioleci i wreszcie w 2016 roku polscy fizycy stworzyli pierwszy w historii hologram pojedynczej cząstki światła. Zespół Uniwersytetu Warszawskiego wykonał hologram, wystrzeliwując jednocześnie dwie wiązki światła w beamsplitter, wykonany z kryształu kalcytu., Beamsplitter jest podobny do skrzyżowania świateł drogowych, więc każdy Foton może przejść prosto lub skręcić. Gdy foton jest sam, każda ścieżka jest równie prawdopodobna, ale gdy więcej fotonów wchodzi w interakcję, a szanse się zmieniają. Jeśli znasz funkcję falową jednego z fotonów, możliwe jest obliczenie kształtu drugiego z pozycji błysków pojawiających się na detektorze. Otrzymany obraz wygląda trochę jak krzyż maltański, podobnie jak funkcja falowa przewidziana z równania Schrödingera.,

Hologram pojedynczego fotonu zrekonstruowany na podstawie surowych pomiarów widocznych po lewej stronie w porównaniu z teoretycznie przewidywanym kształtem fotonu po prawej stronie. Kredyt: FUW

fakty o fotonach

  • nie tylko światło składa się z fotonów, ale cała energia elektromagnetyczna (tj. mikrofale, fale radiowe, promienie rentgenowskie) składa się z fotonów.
  • pierwotna koncepcja fotonu została opracowana przez Alberta Einsteina. Jednak to naukowiec Gilbert N. Lewis po raz pierwszy użył słowa „photon”, aby go opisać.,
  • teoria mówiąca, że światło zachowuje się zarówno jak fala, jak i cząstka, nazywana jest teorią dualności falowo-cząsteczkowej.
  • fotony są zawsze neutralne elektrycznie. Nie mają ładunku elektrycznego.
  • fotony nie rozpadają się same.