Comprendere la dualità onda-particella della radiazione elettromagnetica (luce) è fondamentale per comprendere la teoria quantistica e altri fenomeni, nonché la natura della luce. Uno dei maggiori sviluppi scientifici nel secolo precedente fu la scoperta che oggetti molto piccoli non obbedivano alle stesse regole degli oggetti di tutti i giorni.
Cosa sono le onde elettromagnetiche?
In parole semplici, le onde elettromagnetiche sono semplicemente conosciute come luce, sebbene il termine luce sia talvolta usato per specificare la luce visibile (ciò che può essere rilevato dall'occhio), e altre volte è usato più in generale per riferirsi a tutte le forme di radiazione elettromagnetica.
Per comprendere appieno onde elettromagnetiche, è importante comprendere la nozione di campo e la relazione tra elettricità e magnetismo. Questo sarà spiegato in maggior dettaglio nella sezione successiva, ma in sostanza, le onde elettromagnetiche (onde luminose) consistono in un'onda di campo elettrico che oscilla in un piano perpendicolare (ad angolo retto) a un'onda di campo magnetico.
Se la radiazione elettromagnetica agisce come un'onda, ogni particolare onda elettromagnetica avrà una frequenza e una lunghezza d'onda associate. La frequenza è il numero di oscillazioni al secondo, misurato in hertz (Hz) dove 1 Hz \u003d 1 /s. La lunghezza d'onda è la distanza tra le creste dell'onda. Il prodotto della frequenza e della lunghezza d'onda fornisce la velocità dell'onda, che per la luce nel vuoto è di circa 3 × 10 8 m /s. A differenza della maggior parte delle onde (come ad esempio le onde sonore), le onde elettromagnetiche non richiedono un mezzo attraverso il quale propagarsi, e quindi possono attraversare il vuoto dello spazio vuoto, cosa che fanno alla velocità della luce - la velocità più veloce nell'universo! Un campo può essere pensato come una matrice invisibile di vettori, uno in ogni punto dello spazio che indica la grandezza relativa e la direzione di una forza che un oggetto avvertirebbe se posizionato in quel punto. Ad esempio, un campo gravitazionale vicino alla superficie della terra consisterebbe in un vettore in ogni punto dello spazio che punta direttamente verso il centro della terra. Alla stessa altitudine, tutti questi vettori avrebbero la stessa magnitudine. Se una massa dovesse essere posizionata in un determinato punto, allora la forza gravitazionale che sente dipenderebbe dalla sua massa e dal valore del campo Là. I campi elettrici e magnetici funzionano allo stesso modo, tranne per il fatto che applicano forze dipendenti rispettivamente dalla carica di un oggetto e dal momento magnetico invece della sua massa. Il campo elettrico deriva direttamente dall'esistenza di cariche, proprio come il campo gravitazionale risulta direttamente dalla massa. La fonte del magnetismo, tuttavia, proviene dalla carica in movimento (o equivalentemente, dal cambiamento dei campi elettrici). Negli anni 1860, il fisico James Clerk Maxwell sviluppò un insieme di quattro equazioni che descrivevano completamente il rapporto tra elettricità e magnetismo. Queste equazioni hanno sostanzialmente mostrato come i campi elettrici siano generati dalle cariche, come non esistano monopoli magnetici fondamentali, come i campi magnetici mutevoli possano generare un campo elettrico e come campi elettrici attuali o mutevoli possano generare campi magnetici. Poco dopo derivazione di queste equazioni, è stata trovata una soluzione che descrive un'onda elettromagnetica auto-propagante. Si prevedeva che questa onda si muovesse alla velocità della luce, e in effetti si è rivelata effettivamente luce! Le onde elettromagnetiche possono venire in diverse lunghezze d'onda e frequenze, purché il prodotto di la lunghezza d'onda e la frequenza di una determinata onda è uguale a c I fotoni sono il nome di particelle di luce quantizzate o radiazione elettromagnetica. Albert Einstein ha introdotto il concetto di quanti di luce (fotoni) in un documento dei primi del 20 ° secolo. I fotoni sono privi di massa e non obbediscono alle leggi sulla conservazione dei numeri (nel senso che possono essere creati e distrutti). Tuttavia, obbediscono al risparmio energetico. In effetti, i fotoni sono considerati in una classe di particelle che sono portatori di forza. Il fotone è il mediatore della forza elettromagnetica e funge da pacchetto di energia che può essere trasferito da un luogo a un altro. Probabilmente stai pensando che sia piuttosto strano parlare improvvisamente di onde elettromagnetiche come particelle, poiché onde e particelle sembrano due costrutti fondamentalmente diversi. In effetti, è proprio questo genere di cose che rende la fisica del piccolissimo così strana. Nelle prossime sezioni verranno discusse le nozioni di quantizzazione e dualità delle onde di particelle in modo più dettagliato. Le onde elettromagnetiche risultano dalle oscillazioni dei campi elettrici e magnetici. Se una carica si muove avanti e indietro lungo un filo, crea un campo elettrico mutevole, che a sua volta crea un campo magnetico mutevole, che poi si auto-propaga. Atomi e molecole, che contengono carica mobile nella forma di nuvole di elettroni, sono in grado di interagire con le radiazioni elettromagnetiche in modi interessanti. In un atomo, gli elettroni possono esistere solo in stati di energia quantizzati molto specifici. Se un elettrone vuole essere in uno stato di energia inferiore, può farlo emettendo un pacchetto discreto di radiazione elettromagnetica da trasportare fuori dall'energia. Al contrario, per saltare in un altro stato energetico, quello stesso elettrone deve assorbire anche un pacchetto di energia discreto molto specifico. L'energia associata a un'onda elettromagnetica dipende dalla frequenza dell'onda. Pertanto, gli atomi possono assorbire ed emettere solo frequenze molto specifiche di radiazione elettromagnetica coerenti con i livelli di energia quantizzata associati. Questi pacchetti di energia sono chiamati fotoni Quantizzazione Una quantità di energia può essere emessa solo in multipli di un'unità elementare (la costante di Planck h Dove ν Sentirai le persone usare le parole fotone I fotoni o le radiazioni elettromagnetiche mostrano ciò che viene chiamato dualità onda-particella. In alcune situazioni e in alcuni esperimenti, i fotoni mostrano un comportamento simile alle particelle. Ne è un esempio l'effetto fotoelettrico, in cui un raggio di luce che colpisce una superficie provoca il rilascio di elettroni. I dettagli di questo effetto possono essere compresi solo se la luce viene trattata come pacchetti discreti che gli elettroni devono assorbire per essere emessi. In altre situazioni ed esperimenti, agiscono più come onde. Un esempio lampante di ciò sono gli schemi di interferenza osservati negli esperimenti a fenditura singola o multipla. In questi esperimenti, la luce viaggia attraverso fessure strette e ravvicinate, che agiscono come fonti di luce multiple in fase e, di conseguenza, produce un modello di interferenza coerente con ciò che vedresti in un'onda. Anche straniero, i fotoni non sono l'unica cosa che mostra questa dualità. In effetti, tutte le particelle fondamentali, anche elettroni e protoni, sembrano comportarsi in questo modo. Più grande è la particella, più corta è la sua lunghezza d'onda e minore sarà questa dualità. Questo è il motivo per cui non noti nulla del genere nella vita di tutti i giorni.
Campi ed elettromagnetismo
Lo spettro elettromagnetico
, la velocità della luce. Le forme di radiazione elettromagnetica comprendono (da lunghezze d'onda più lunghe /bassa energia a lunghezze d'onda più brevi /alta energia):
Cosa sono i fotoni?
Come vengono prodotte le onde o i fotoni elettromagnetici?
.
Cos'è la quantizzazione?
si riferisce a qualcosa che è limitato a valori discreti verso uno spettro continuo. Quando gli atomi assorbono o emettono un singolo fotone, lo fanno solo con valori di energia quantizzati molto specifici descritti dalla meccanica quantistica. Questo "singolo fotone" può davvero essere pensato come un "pacchetto" di onde discrete.
). L'equazione che collega l'energia E
di un fotone alla sua frequenza è:
E \u003d h \\ nu
(la lettera greca nu) è la frequenza del fotone e la costante di Planck h
\u003d 6.62607015 × 10 -34 Js.
Dualità particella d'onda
e < em> radiazioni elettromagnetiche
intercambiabili, anche se sembra che siano cose diverse. Quando parlano di fotoni, le persone in genere parlano delle proprietà delle particelle di questo fenomeno, mentre quando parlano di onde elettromagnetiche o radiazioni, parlano di proprietà simili alle onde.
