Imaginați-vă un arbore de lumină solară galbenă care strălucește printr-o fereastră. Conform fizicii cuantice, fasciculul este format din zillioane de pachete minuscule de lumină, numite fotoni, care curg prin aer. Dar ce este exact un foton?

Fotonii sunt lucrurile lumina este făcută. Credit: JFC.

Definitie

Un foton este cea mai mică cantitate distinctă sau cuantic de radiații electromagnetice., Este unitatea de bază a tuturor luminii.

Fotonii sunt mereu în mișcare și, în vid, a călători la o viteză constantă pentru toți observatorii de 2.998 x 108 m/s. Acest lucru este denumit în mod obișnuit ca viteza luminii, notată cu litera c.

conform lui Einstein, lumina teoriei cuantice, fotonii au energie egală cu valoarea frecvenței de oscilație ori constanta lui Planck. Einstein a demonstrat că lumina este un flux de fotoni, energia acestor fotoni este înălțimea frecvenței lor de oscilație, iar intensitatea luminii corespunde numărului de fotoni., În esență, el a explicat cum un flux de fotoni poate acționa atât ca undă, cât și ca particulă.proprietățile de bază ale fotonilor sunt:

  • AU masă zero și energie de odihnă. Ele există doar ca particule în mișcare.
  • ele sunt particule elementare, în ciuda lipsei masei de odihnă.
  • nu au sarcină electrică.
  • ele sunt stabile.
  • ele sunt particule de spin-1 care le face bosoni.
  • ei transporta energie și impuls, care sunt dependente de frecvența.,
  • ele pot avea interacțiuni cu alte particule, cum ar fi electronii, cum ar fi efectul Compton.
  • ele pot fi distruse sau create de multe procese naturale, de exemplu atunci când radiația este absorbită sau emisă.
  • când se află în spațiul gol, ei călătoresc cu viteza luminii.

Istorie

natura luminii — indiferent dacă o considerați o particulă sau o undă — a fost una dintre cele mai mari dezbateri științifice. Timp de secole, filozofii și oamenii de știință au argumentat despre problema care abia a fost rezolvată acum un secol.,discipolii unei ramuri a filozofiei hinduse din secolul al VI-lea î.HR., numită Vaisheshika, au avut o intuiție fizică surprinzătoare despre lumină. La fel ca grecii antici, ei credeau că lumea se bazează pe „atomi” de pământ, aer, foc și apă. Lumina însăși a fost considerată a fi făcută din astfel de atomi foarte rapizi numiți tejas. Că este remarcabil de asemănătoare cu teoria modernă de lumină și compunerea de fotoni, un termen inventat cu mii de ani mai târziu, în 1926, de către un chimist pe nume Gilbert Lewis și o optică fizician numit Frithiof de Lupi.,mai târziu, în jurul anului 300 î. HR., fizicianul grec antic Euclid a făcut o descoperire uriașă atunci când a postat lumina călătorind în linii drepte. Euclid a descris, de asemenea, legile reflecției și, un secol mai târziu, Ptolemeu a completat cu scrieri despre refracție. Nu a fost până în 1021, cu toate acestea, că legile de refracție au fost stabilite în mod oficial în lucrarea seminale Kitab Al-Manazir, sau Cartea de optica, de Ibn al-Haytham.Renașterea va deschide o nouă eră a cercetării științifice asupra naturii luminii., De remarcat sunt incursiunile lui René Descartes într-un eseu din 1637 numit la dioptrique, unde a susținut că lumina este făcută din impulsuri care se propagă instantaneu atunci când contactează „bilele” într-un mediu. Scriind mai târziu în Traité de la lumière publicat în 1690, Christiaan Huygens a tratat lumina ca unde compresibile într-un mediu elastic, la fel ca undele de presiune sonoră. Huygens a arătat cum să facă valuri de lumină reflectate, refractate și ecranate și, de asemenea, a explicat refracția dublă.până în acest moment, oamenii de știință s-au împărțit în două tabere înrădăcinate., O parte credea că lumina era un val, în timp ce cealaltă vedere era de lumină ca particule sau corpusculi. Marele campion al așa-numitei ‘corpuscularists’ a fost nimeni altul decât Isaac Newton, crede ca cel mai mare om de stiinta. Lui Newton nu i-a plăcut deloc teoria undelor, deoarece asta ar însemna că lumina ar putea să se abată prea departe în umbră.

pentru o mare parte din secolul al XVIII-lea, teoria corpusculară a dominat dezbaterea în jurul naturii luminii., Dar apoi, în mai 1801, Thomas Young a introdus lumea în celebrul său experiment cu două fante, unde a demonstrat interferența undelor luminoase.

Tineri s-slit experiment arată cum fiecare fantă acționează ca o sursă a undelor sferice, care „baga” după cum se mișcă de la stânga la dreapta așa cum se arată mai sus. Credit: Universitatea din Louisville Departamentul de fizica.

În prima versiune a experimentului, Tineri de fapt nu am folosit două fante, ci mai degrabă un singur card de subțire., Fizicianul a acoperit pur și simplu o fereastră cu o bucată de hârtie cu o gaură minusculă în ea, care a servit la pâlnia unui fascicul subțire de lumină. Cu cardul în mână, Young a fost martor cum fasciculul s-a împărțit în două. Lumina care trece pe o parte a cardului a interferat cu lumina din cealaltă parte a cardului pentru a crea franjuri, care ar putea fi observate pe peretele opus. Mai târziu, Young a folosit aceste date pentru a calcula lungimile de undă ale diferitelor culori ale luminii și s-a apropiat remarcabil de valorile moderne. Demonstrația ar oferi dovezi solide că lumina a fost o undă, nu o particulă.,între timp, de această dată în Franța, mișcarea corpusculară câștiga abur după ce evoluțiile recente au atribuit polarizarea luminii unui fel de asimetrie între corpusculii luminoși. Ei au suferit o mare înfrângere la mâna lui Augustin Fresnel, care în 1821 a arătat că polarizarea ar putea fi explicată dacă lumina ar fi o undă transversală fără vibrații longitudinale. Anterior, Fresnel a venit și cu o teorie precisă a undelor de difracție.

până în acest moment, nu a existat un teren stabil pentru adepții lui Newton să continue dezbaterea., Părea că lumina este un val și asta este. Problema era că eterul ireal — mediul misterios necesar pentru a susține câmpurile electromagnetice și pentru a da legile de propagare ale lui Fresnel — lipsea în ciuda eforturilor tuturor de a-l găsi. Nimeni nu a făcut-o, de fapt.o descoperire uriașă a venit în 1861, când James Clerk Maxwell a condensat cunoștințele experimentale și teoretice despre electricitate și magnetism în 20 de ecuații. Maxwell a prezis o „undă electromagnetică”, care se poate auto-susține, chiar și în vid, în absența curenților convenționali., Aceasta înseamnă că nu este necesar un eter pentru ca lumina să se propage! Mai mult, el a prezis că viteza acestui val va fi de 310.740.000 m s−1 — Aceasta este doar câteva procente din valoarea exactă a vitezei luminii.

„acordul rezultatelor pare să arate că lumina și magnetismul sunt afecțiuni ale aceleiași substanțe, iar lumina este o perturbație electromagnetică propagată prin câmp conform legilor electromagnetice”, scria Maxwell în 1865.,

Din acea zi înainte, conceptul de lumină a fost unit cu cele ale electricității și magnetismului pentru prima dată.la 14 decembrie 1900, Max Planck a demonstrat că radiația termică a fost emisă și absorbită în pachete discrete de cuante energetice. Mai târziu, Albert Einstein a arătat în 1905 că acest lucru se aplică și luminii. Einstein a folosit termenul Lichtquant, sau cuantum de lumină. Acum, la începutul secolului 20, o nouă revoluție în fizică ar depinde din nou de natura luminii. De data aceasta, nu este vorba dacă lumina este crepusculă sau val., Este fie că este vorba de ambele sau nu.teoria modernă a luminii și fotonilor Einstein credea că lumina este o particulă (foton), iar fluxul de fotoni este un val. Fizicianul German a fost convins că lumina are o natură de particule în urma descoperirii efectului fotoelectric, în care electronii zboară dintr-o suprafață metalică expusă la lumină. Dacă lumina ar fi fost un val, asta nu s-ar fi putut întâmpla. O altă problemă încurcată este modul în care fotoelectronii se înmulțesc atunci când se aplică lumină puternică., Einstein a explicat efectul fotoelectric spunând că „lumina însăși este o particulă”, pentru care va primi ulterior premiul Nobel pentru Fizică.principalul punct al teoriei cuantice a luminii lui Einstein este că energia luminii este legată de frecvența sa de oscilație. El a susținut că fotonii au energie egală cu „frecvența de oscilație a timpurilor constante ale lui Planck”, iar această energie fotonică este înălțimea frecvenței de oscilație, în timp ce intensitatea luminii corespunde numărului de fotoni., Diferitele proprietăți ale luminii, care este un tip de undă electromagnetică, se datorează comportamentului particulelor extrem de mici numite fotoni care sunt invizibile cu ochiul liber.Einstein a speculat că atunci când electronii din materie se ciocnesc cu fotonii, primul ia energia acestuia din urmă și zboară și că cu cât este mai mare frecvența de oscilație a fotonilor care lovesc, cu atât este mai mare energia electronilor care vor ieși. Unii dintre voi au o dovadă de lucru a acestei idei în propria casă-este panourile solare!, Pe scurt, el spunea că lumina este un flux de fotoni, energia acestor fotoni este înălțimea frecvenței lor de oscilație, iar intensitatea luminii este legată de numărul de fotoni.Einstein a reușit să-și dovedească teoria derivând constanta lui Planck din experimentele sale asupra efectului fotoelectric. Calculele sale au făcut o valoare constantă a lui Planck de 6.6260755 x 10-34, ceea ce este exact ceea ce Max Planck a obținut în 1900 prin cercetările sale asupra undelor electromagnetice., În mod neechivoc, acest lucru a indicat o relație intimă între proprietățile și frecvența de oscilație a luminii ca undă și proprietățile și impulsul luminii ca particulă. Mai târziu, în anii 1920, fizicianul austriac Erwin Schrödinger a elaborat aceste idei cu ecuația sa pentru funcția de undă cuantică pentru a descrie cum arată o undă.la mai bine de o sută de ani de când Einstein a arătat natura dublă a luminii, fizicienii Elvețieni de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne au surprins prima imagine a acestui comportament dublu., Echipa condusă de Fabrizio Carbone a efectuat un experiment inteligent în 2015 în care un laser a fost folosit pentru a trage pe un nanofir, determinând vibrarea electronilor. Lumina călătorește de-a lungul acestui fir minuscul în două direcții posibile, cum ar fi mașinile pe o autostradă. Când valurile care călătoresc în direcții opuse se întâlnesc, ele formează un nou val care pare să stea pe loc. Aici, această undă în picioare devine sursa de lumină pentru experiment, radiând în jurul nanofirului. A tras un nou fascicul de electroni pentru a imagina valul permanent de lumină, care acționează ca o amprentă a naturii valului luminii., Rezultatul poate fi văzut mai jos.

prima fotografie a luminii atât ca particulă, cât și ca undă. Credit: EPFL.

cum arată un foton

v-ați întrebat vreodată ce formă are un foton? Oamenii de știință se gândesc la această întrebare de zeci de ani și, în sfârșit, în 2016, fizicienii polonezi au creat prima hologramă a unei singure particule de lumină. Echipa de la Universitatea din Varșovia a realizat holograma prin arderea a două fascicule de lumină la un beamsplitter, din cristal de calcit, în același timp., Beamsplitter-ul este asemănător cu o intersecție a semaforului, astfel încât fiecare foton să poată trece direct sau să facă o întoarcere. Când un foton este pe cont propriu, fiecare cale este la fel de probabilă, dar atunci când sunt implicați mai mulți fotoni interacționează și cotele se schimbă. Dacă cunoașteți funcția de undă a unuia dintre fotoni, este posibil să descoperiți forma celui de-al doilea din pozițiile de flash-uri care apar pe un detector. Imaginea rezultată arată cam ca o cruce malteză, la fel ca funcția de undă prezisă din ecuația lui Schrödinger.,

Holograma de un singur foton reconstruit din prime măsurători văzut în partea stângă față de cea prezisă teoretic foton forma pe partea dreaptă. Credit: FUW

date despre fotoni

  • Nu este doar lumină alcătuită din fotoni, dar toate de energie electromagnetică (de exemplu, cuptoare cu microunde, unde radio, raze X) este alcătuită din fotoni.conceptul original al fotonului a fost dezvoltat de Albert Einstein. Cu toate acestea, omul de știință Gilbert N. Lewis a folosit pentru prima dată cuvântul „foton” pentru ao descrie.,
  • teoria care afirmă că lumina se comportă atât ca o undă, cât și ca o particulă se numește teoria dualității undelor-particulelor.
  • fotonii sunt întotdeauna neutri din punct de vedere electric. Nu au sarcină electrică.
  • fotonii nu se descompun singuri.