Fotoner (kvantisering): Definition, egenskaber & bølge-partikeldualitet

Lysets hastighed, ~ 300.000.000 m /s, er den hurtigste, hvad som helst kan rejse. Derfor kaldes det også universets hastighedsgrænse.

På denne måde er forståelseslys afgørende for at forstå de grundlæggende grænser for selve universet, fra dets aller største til sin meget mindste.

Selvom lys altid bevæger sig med den samme hastighed
i et givet medium, som en form for elektromagnetisk stråling, kan det have forskellige frekvenser
eller < em> bølgelængder
. Frekvenser og bølgelængder af lys som elektromagnetiske bølger ændrer sig omvendt med hinanden langs et spektrum.

Ved den længste bølgelængde og den laveste frekvens ende er radiobølger, hvorefter mikroovn, infrarødt, synligt lys, ultraviolet, X- stråle og højenergi-gammastråler, hver med gradvist kortere bølgelængder og højere frekvenser.
Elementære partikler og standardmodellen for partikelfysik

Fysikere i 1930'erne begyndte at lære, at alt det stof i universet er sammensat af nogle få grundlæggende partikler, kendt som elementære partikler, som alle styres af det samme sæt grundlæggende kræfter. Standardmodellen for partikelfysik er et sæt ligninger, der forsøger at kortfattet beskrive, hvordan alle disse elementære partikler og de grundlæggende kræfter hænger sammen. Lys er et kritisk stykke af denne universelle beskrivelse.

Under udvikling siden 1970'erne har standardmodellen hidtil korrekt forudsagt resultaterne af mange, men ikke alle, kvantefysikeksperimenter. Et blændende problem, der endnu ikke er løst i modellen, er, hvordan tyngdekraften indarbejdes i sæt ligningerne. Derudover undlader det ikke at give svar om nogle store kosmologiske spørgsmål, herunder at finde ud af, hvad mørk stof er, eller hvor forsvandt alt antimateriet, der blev skabt i Big Bang. Stadig er det bredt accepteret og betragtet som den bedste teori til at forklare den grundlæggende natur af vores eksistens til dato.

I standardmodellen består al materie af en klasse af elementære partikler kaldet fermioner
. Fermioner findes i to typer: kvarker
eller leptoner og. Hver af disse kategorier er yderligere opdelt i seks partikler, relateret i par kendt som generationer
. Den første generation er den mest stabile med tyngre og mindre stabile partikler, der findes i anden og tredje generation.

De øvrige komponenter i standardmodellen er kræfter og bærerpartikler, kendt som bosoner
. Hver af de fire grundlæggende kræfter - tyngdekraft, elektromagnetisk, stærk og svag - er forbundet med en boson, der formidler kraften i udvekslinger med stofpartikler.

Partikelfysikere, der arbejder ved acceleratorer eller ser efter partikler i høj energi fra partikler rummet har identificeret bosoner for de sidstnævnte tre kræfter. Fotonen er den boson, der bærer den elektromagnetiske kraft i universet, gluon og karies den stærke kraft, og W
og Z
partikler bærer den svage kraft. Men den teoretiske boson for tyngdekraft, graviton
, forbliver undvigende.
Selected Light Phenomena

Blackbody-stråling. Blackbodies er en hypotetisk type objekt (perfekte findes ikke i naturen), der absorberer al den elektromagnetiske stråling, der rammer dem. I det væsentlige tjener enhver elektromagnetisk stråling, der rammer en sort krop, til at varme den op, og den stråling, den afgiver under afkøling, er derfor direkte relateret til dens temperatur. Fysikere kan bruge denne tilnærmelse til at udlede egenskaberne ved næsten perfekte sorte krop i universet, som stjerner og sorte huller. udsender, dets partikelkarakter som en foton hjælper også med at beskrive det matematisk, da de energier, som den sorte krop kan indeholde, er kvantiseret. Max Planck var blandt de første til at undersøge dette fænomen.

Det dobbeltsnitte eksperiment. Dobbelt-spalteeksperimentet er et centralt element i kvantefysikken og viser, hvordan skinnende et lys på en barriere med to smalle åbninger resulterer i et karakteristisk mønster af lyse og mørke skygger kendt som et bølgeforstyrrelsesmønster.

Den underlige del af dette er, at en enkelt foton, der vises gennem åbningen, stadig opfører sig som om den griber ind i andre fotoner, på trods af at den er alene og udelelig. Dette vil sige, at det lysmønster, der er observeret i eksperimentet, ikke kan forklares ved at behandle lys som kun en foton eller en bølge; det skal betragtes som begge dele. Dette eksperiment citeres ofte i at forklare, hvad der menes med ideen om bølgefartikelduality.

Compton-effekten. Compton-effekten er et andet observerbart eksempel på samspillet mellem lysets bølge og partikelnatur. Den beskriver, hvordan både energi og momentum bevares, når en foton kolliderer med et stationært elektron. Ved at kombinere ligningen for mængden af energi af en foton med momentum-bevarelsesligninger vises det, at den resulterende bølgelængde af den udgående foton (det oprindeligt stadig elektron) kan forudsiges af bølgelængden af den indkommende foton, der gav den energi.

spektroskopi. Spektroskopisteknikken gør det muligt for fysikere, kemikere, astronomer og andre forskere at undersøge den materielle sammensætning af et objekt, inklusive fjerne stjerner, blot ved at analysere de mønstre, der er resultatet af opdeling af indgående lys fra dette objekt med et prisme. Fordi forskellige elementer absorberer og udsender fotoner i diskret kvanta, falder de observerede elektromagnetiske bølgelængder i diskrete segmenter afhængigt af hvilke elementer objekterne indeholder.

Massenergiækvivalens. Masser af børn kan recitere Einsteins berømte ligning E \u003d mc ^{2
. Kort og sød, de sande implikationer af denne ligning er dybe: Masse m
og energi E
er ækvivalente og kan konverteres til hinanden ved hjælp af lysets hastighed i et vakuum, c
, firkantet. Dette betyder vigtigt, at et objekt, der ikke bevæger sig, stadig har energi; i dette tilfælde siges dets hvilemasse og svarer til dens hvileenergi
.}

Partikelfysikere bruger masse-energiækvivalens til at bestemme enklere enheder til nogle af deres målinger. For eksempel søger kvantefysikere masserne af fermioner eller bosoner ved at accelerere subatomære partikler som protoner og elektroner til næsten lyshastigheder i gigantiske acceleratorer og slå dem sammen, og derefter analysere virkningerne af "affaldet" i meget følsomme elektriske arrays.

I stedet for at give en masse i kg er den almindelige måde at rapportere partikelmasser imidlertid på i giga-elektron-volt, eller GeV, en enhed af energi. For at returnere denne værdi til en masse i SI-enheden i kilogram kan de bruge dette enkle forhold: 1 GeV / c
^{2 \u003d 1.78266192 × 10 −27 k.}