Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Lys (fysik): Hvad er det og hvordan fungerer det?

At forstå partikelbølgedualiteten af elektromagnetisk stråling (lys) er grundlæggende for forståelsen af kvanteteori og andre fænomener samt lysets natur. En af de største videnskabelige udviklinger i det forrige århundrede var opdagelsen af, at meget små genstande ikke overholdt de samme regler som hverdagens genstande.
Hvad er elektromagnetiske bølger?

Elektromagnetiske bølger er almindeligt kendt som lys, selvom udtrykket lys undertiden bruges til at specificere synligt lys (det, der kan detekteres af øjet), og andre tidspunkter bruges mere generelt til at henvise til alle former for elektromagnetisk stråling.

For fuldt ud at forstå elektromagnetiske bølger, er det vigtigt at forstå forestillingen om et felt og forholdet mellem elektricitet og magnetisme. Dette vil blive forklaret mere detaljeret i det næste afsnit, men i det væsentlige består elektromagnetiske bølger (lysbølger) af en elektrisk feltbølge, der svinger i et plan vinkelret (i rette vinkler) til en magnetfeltbølge.

Hvis elektromagnetisk stråling fungerer som en bølge, vil enhver særlig elektromagnetisk bølge have en frekvens og bølgelængde forbundet med den. Frekvensen er antallet af svingninger pr. Sekund, målt i hertz (Hz), hvor 1 Hz \u003d 1 /s. Bølgelængden er afstanden mellem bølgekam. Produktet med frekvens og bølgelængde giver bølgehastigheden, som for lys i et vakuum er cirka 3 × 10 8 m /s.

I modsætning til de fleste bølger (som f.eks. Lydbølger), elektromagnetiske bølger kræver ikke et medium, som de kan sprede sig igennem, og dermed kan krydse det tomme rums vakuum, som de gør ved lysets hastighed - universets hurtigste hastighed!
Felter og elektromagnetisme

Et felt kan betragtes som en usynlig matrix af vektorer, et på hvert punkt i rummet, der indikerer den relative størrelse og retning af en kraft, som et objekt ville føle, hvis det placeres på det punkt. For eksempel vil et tyngdefelt nær jordoverfladen bestå af en vektor på hvert punkt i rummet, der peger direkte mod jordens centrum. I samme højde ville alle disse vektorer have samme størrelse.

Hvis en masse skulle placeres på et givet punkt, ville den tyngdekraft, den føler, afhænge af dens masse og værdien af marken der. Elektriske felter og magnetiske felter fungerer på samme måde, bortset fra at de anvender kræfter, der afhænger af henholdsvis et objekts ladning og magnetisk moment i stedet for dens masse.

Det elektriske felt er direkte resultatet af ladninger, ligesom tyngdefeltet "results directly from mass.", 3, [[Kilden til magnetisme er dog fra bevægelig ladning (eller ækvivalent med at skifte elektriske felter).

I 1860'erne udviklede fysiker James Clerk Maxwell et sæt af fire ligninger, der fuldstændigt beskrev forholdet mellem elektricitet og magnetisme. Disse ligninger viste dybest set, hvordan elektriske felter genereres af ladninger, hvordan der ikke findes nogen grundlæggende magnetiske monopoler, hvordan skiftende magnetfelter kan generere et elektrisk felt, og hvordan strøm eller skiftende elektriske felter kan generere magnetiske felter.

Kort efter afledning af disse ligninger, blev der fundet en løsning, der beskrev en selvudbredende elektromagnetisk bølge. Denne bølge blev forudsagt at bevæge sig med lysets hastighed og viste sig faktisk at være lys!
Det elektromagnetiske spektrum

Elektromagnetiske bølger kan komme i mange forskellige bølgelængder og frekvenser, så længe produktet af bølgelængden og frekvensen af en given bølge er lig med c
, lysets hastighed. Formerne af elektromagnetisk stråling inkluderer (fra længere bølgelængder /lav energi til kortere bølgelængder /høj energi):

  • Radiobølger (0,177 m - 600 m)
  • Mikrobølger (1 mm - 187 mm)
  • Infrarøde bølger (750 nm - 1 mm)
  • Synligt lys (400 nm - 750 nm; disse bølgelængder kan detekteres af det menneskelige øje og opdeles ofte i et synligt spektrum)
  • Ultraviolet lys (10 nm - 400 nm)
  • Røntgenstråler (10 -12 m - 10 nm)
  • Gamma stråler (<10 - 12 m)

    Hvad er fotoner?

    Fotoner er navnet på kvantiserede lyspartikler eller elektromagnetisk stråling. Albert Einstein introducerede forestillingen om lyskvanta (fotoner) i et tidligt papir fra det 20. århundrede.

    Fotoner er masseløse, og de overholder ikke antal bevaringslove (hvilket betyder, at de kan oprettes og ødelægges). De adlyder imidlertid energibesparelse.

    Faktisk betragtes fotoner som i en klasse af partikler, der er kraftbærere. Fotonen er formidleren af den elektromagnetiske kraft og fungerer som en pakke med energi, der kan overføres fra et sted til et andet.

    Du tænker sandsynligvis, at det er temmelig mærkeligt at pludselig tale om elektromagnetiske bølger som partikler, da bølger og partikler ser ud som to grundlæggende forskellige konstruktioner. Faktisk er det netop denne slags ting, der gør fysikken i de meget små så mærkelig. I de næste par sektioner diskuteres begreberne kvantisering og partikelbølgedualitet mere detaljeret. Hvordan produceres elektromagnetiske bølger eller fotoner?

    Elektromagnetiske bølger er resultatet af svingninger i elektriske og magnetiske felter. Hvis en ladning bevæger sig frem og tilbage langs en ledning, skaber den et skiftende elektrisk felt, som igen skaber et skiftende magnetfelt, som derefter forplantes selv.

    Atomer og molekyler, som indeholder bevægelig ladning i formen af elektronskyer, er i stand til at interagere med elektromagnetisk stråling på interessante måder. I et atom må elektronerne kun eksistere i meget specifikke kvantiserede energitilstande.

    Hvis en elektron ønsker at være i en lavere energitilstand, kan den gøre det ved at udsende en diskret pakke med elektromagnetisk stråling til at bære slukke for energien. Omvendt, for at hoppe i en anden energitilstand, skal den samme elektron også absorbere en meget specifik diskret energipakke.

    Energien, der er forbundet med en elektromagnetisk bølge, afhænger af bølgens frekvens. Som sådan kan atomer kun absorbere og udsende meget specifikke frekvenser af elektromagnetisk stråling i overensstemmelse med deres tilhørende kvantiserede energiniveau. Disse energipakker kaldes fotoner
    .
    Hvad er kvantisering?

    Kvantisering
    henviser til noget, der er begrænset til diskrete værdier verser et kontinuerligt spektrum. Når atomer absorberer eller udsender en enkelt foton, gør de det ved kun meget specifikke kvantiserede energiverdier beskrevet af kvantemekanikken. Denne "enkelt foton" kan virkelig tænkes som en diskret bølge "pakke."

    En mængde energi kan kun udsendes i multipler af en elementær enhed (Plancks konstante h
    ). Ligningen, der relaterer en fotons energi E
    til dens frekvens, er:
    E \u003d h \\ nu

    Hvor ν
    (det græske bogstav nu) er fotonens frekvens og Plancks konstante h
    \u003d 6.62607015 × 10 -34 Js.
    Wave-Particle Duality

    Du vil høre folk bruge ordene photon
    og < em> elektromagnetisk stråling - udskifteligt, selvom det ser ud til at de er forskellige ting. Når man taler om fotoner, taler folk typisk om partikelegenskaberne ved dette fænomen, mens de når de taler om elektromagnetiske bølger eller stråling, taler de til de bølgelignende egenskaber.

    Fotoner eller elektromagnetisk stråling udviser det, der kaldes partikelbølgedualitet. I visse situationer og i visse eksperimenter udviser fotoner partikellignende opførsel. Et eksempel på dette er den fotoelektriske virkning, hvor en lysstråle, der rammer en overflade, forårsager frigørelse af elektroner. Specifikationerne ved denne effekt kan kun forstås, hvis lys behandles som adskilte pakker, som elektronerne skal absorbere for at blive udsendt.

    I andre situationer og eksperimenter fungerer de mere som bølger. Et godt eksempel på dette er interferensmønstre observeret i enkelt- eller multiple-spalteeksperimenter. I disse eksperimenter bevæger lys sig gennem smalle, tæt adskilte spalter, der fungerer som flere i-fase lyskilder, og som et resultat producerer det et interferensmønster, der stemmer overens med det, du ville se i en bølge.

    fremmed, fotoner er ikke det eneste, der udviser denne dualitet. Faktisk synes alle grundlæggende partikler, ja, elektroner og protoner, at opføre sig på denne måde. Jo større partiklen er, jo kortere er dens bølgelængde, og desto mindre vises denne dualitet. Dette er grunden til, at du ikke bemærker noget lignende i hverdagen.