Σωματιδιακή φύση του φωτός

Σύμφωνα με τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια περιέχεται σε κβάντα ή πακέτα, που συχνά αναφέρονται ως φωτόνια.

Σύμφωνα με τις προηγούμενες παρατηρήσεις, το μήκος κύματος του φωτός είχε τεράστιο αντίκτυπο στα ηλεκτρόνια που εκτοξεύτηκαν. Επιπλέον, η ένταση του φωτός επηρεάζει άμεσα τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται. Αυτό είναι ένα σημάδι της φύσης του που μοιάζει με σωματίδια που προηγουμένως θεωρούνταν κύμα.

Ποια είναι ακριβώς η σωματιδιακή φύση του φωτός;

Πριν από το 1900, οι φυσικοί πίστευαν ότι το φως ταξιδεύει μέσα από τα κύματα. Ωστόσο, το πείραμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έδειξε ότι το φως περιέχει ενεργειακά πακέτα. Επιπλέον, άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας περιλαμβάνουν τα ενεργειακά κβάντα.

Τα «φωτόνια» όπως τα ξέρουμε τώρα δεν είναι τίποτα άλλο από πακέτα ενέργειας. Τα φωτόνια είναι πακέτα πλούσια σε ενέργεια.

Παραδείγματα φωτονίων

• Ο ήλιος μετατρέπει τα σωματίδια σε φως και η θερμότητα παίρνει τη μορφή φωτονίων.
• Ένας ηλεκτρομαγνητικός φορέας

Αυτό, με τη σειρά του, βοηθά στον προσδιορισμό του τρόπου συμπεριφοράς των σωματιδίων φωτός.

Επιπλέον, 

• Οι πηγές φωτός που έχουν μεγαλύτερα μήκη κύματος έχουν χαμηλότερη ενέργεια. Αυτό συμβαίνει κυρίως με τα μήκη κύματος του πορτοκαλί και του κόκκινου.

• Σε αντίθεση με ό,τι νομίζετε, τα μικρότερα μήκη κύματος είναι γεμάτα με περισσότερα φωτόνια ή πακέτα ενέργειας.

• Έτσι, τα μήκη κύματος με περισσότερο ενεργειακό περιεχόμενο έχουν εκτοπίσει τα πιο ελεύθερα ηλεκτρόνια από τη μεταλλική επιφάνεια.

Αυτή η συγκεκριμένη παρατήρηση βοήθησε τον Planck να ανακαλύψει ότι η ένταση μιας πηγής φωτισμού σχετίζεται άμεσα με την ακτινοβολία αυτών των ηλεκτρονίων.

Τι είναι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου;

Το φως αποτελείται από φωτόνια ή κβάντο ενέργειας που του δίνει μια σωματιδιακή φύση. Ωστόσο, μπορεί να βρεθεί και με τη μορφή κυμάτων.

Πείραμα διπλής σχισμής του Young

Στο πείραμα διπλής σχισμής του Young, τα ηλεκτρόνια ωθήθηκαν μέσα από τη διπλή σχισμή. Αυτό οδήγησε σε οριστικά στοιχεία για την κυματική φύση του φωτός.

Στο τέλος, το πείραμα διπλής σχισμής του Young απέδειξε την έννοια της «διπλής φύσης του φωτός».

Έτσι, είναι δυνατόν να θυμηθούμε τη γνωστή φράση «το φως δεν είναι απλώς μια ταλάντωση αλλά και σωματίδια». Αυτή είναι μια αναφορά στη δυαδικότητα των κυμάτων και των σωματιδίων όπως αναφέρεται σήμερα. Επομένως, ένα φωτόνιο έχει τις ιδιότητες τόσο των σωματιδίων όσο και των κυμάτων.

Τα κύματα είναι εμφανή όταν τα δούμε στο πλαίσιο της διάδοσης του φωτός. Επιπλέον, τα φωτόνια παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην ηλεκτρομαγνητική μετάδοση της ενέργειας.

Άρα, το φως είναι δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου.

Η διπλή φύση του φωτός του de-Broglie

Στη διπλή φύση της θεωρίας φωτός του de Broglie, εμφανίζει κυματικές ιδιότητες όπως διασπορά και παρεμβολή όταν βρίσκεται σε κίνηση. Ταυτόχρονα, όταν είναι ακίνητο, εμφανίζει ιδιότητες ελαφρών σωματιδίων. Το μήκος κύματος του De Broglie επιβεβαίωσε ότι η ύλη έχει διπλή φύση.

Η σχέση μεταξύ των ιδιοτήτων του σωματιδίου και του κύματος περιγράφεται επίσης στη σχέση του de Broglie.»

Με βάση την εξίσωση του de Broglie, το φως εμφανίζει ιδιότητες "όπως κυματοειδή" και "σωματίδια".

E=hv ,

p=hc/λ

εδώ, c =ταχύτητα φωτός

v =συχνότητα

h =Σταθερά Planck =6,627× 10-34 Js

E =ενέργεια 

λ =de-Broglie μήκος κύματος φωτός

Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των φωτονίων;

Οι πιο γνωστές ιδιότητες των φωτονίων είναι οι ακόλουθες:

• Θεωρητικά, τα φωτόνια είναι η μικρότερη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ή ενέργειας. Έτσι, αποτελούν το κύριο συστατικό του φωτός.
•   Το "c" το δηλώνει με μαθηματικούς όρους. Επιπλέον, έχει επιτάχυνση 2,99 x 108 ms-¹. Επιπλέον, δεν είναι ενεργό, πράγμα που σημαίνει ότι κινείται συνεχώς. Ωστόσο, τα φωτόνια μπορούν να ταξιδέψουν στο διάστημα μόνο με αυτή την ταχύτητα.
• Η ενέργεια ενός φωτονίου είναι παρόμοια με αυτή της συχνότητας ταλάντωσης στην πηγή του φωτός και της σταθεράς του Planck. Άρα, E =hv όπου το "v" αναφέρεται στη συχνότητα. Η λέξη «h» σε αυτήν την εξίσωση είναι η σταθερά του Planck, η οποία είναι 6,62607004 x 10-34 Js. Είναι επίσης δυνατό να το εκφράσουμε με όρους E =hv =hc/λ, όπου το λ αντιπροσωπεύει =μήκος κύματος.
• Ο τύπος για την ορμή ενός φωτονίου θα είναι p=hc/λ.
• Είναι σταθερό και δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο.
• Εάν ένα φωτόνιο συγκρούεται με άλλα υποατομικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, το φαινόμενο που προκύπτει είναι γνωστό με το "φαινόμενο Compton". Επιπλέον, οι συγκρούσεις είναι σε θέση να εξοικονομούν ενέργεια καθώς και ορμή. Έτσι, θα μπορούσατε να το περιγράψετε ως μια ελαστική σύγκρουση, η οποία διατηρεί την ενέργεια και την ορμή.
• Είναι επίσης θεωρητικά μη μαζική. Ωστόσο, αυτά τα κβαντικά σωματίδια μεταδίδουν ενέργεια μόνο σε συγκρούσεις μεταξύ άλλων σωματιδίων.
• Ελλείψει χώρου, τα φωτόνια μπορούν να ταξιδεύουν στο διάστημα με το ρυθμό του φωτός.

Φωτοηλεκτρικό εφέ

Σε αυτή την περίπτωση, όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (όπως το φως) προσπίπτει σε μια επιφάνεια (όπως το μέταλλο), εμφανίζεται η εκπομπή ηλεκτρονίων.

Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όταν δεν είναι αρκετά υψηλό, δεν παρατηρούνται ηλεκτρόνια να ελευθερώνονται. Ωστόσο, εάν η συχνότητα είναι αρκετά υψηλή, είναι δυνατό να φανούν ορισμένα ηλεκτρόνια.

Αυτές οι παρατηρήσεις το επιβεβαιώνουν.

• Το φως αποτελείται από σωματίδια.
• Η ένταση του σωματιδίου αυξάνεται ανάλογα με τη συχνότητα.
• Κάθε σωματίδιο παρέχει ενέργεια μόνο σε ένα ηλεκτρόνιο.

Συμπέρασμα

Παράλληλα με τη φύση του φωτός ως κύματος, το πείραμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου οδήγησε σε ένα διαφορετικό φαινόμενο. Προτάθηκε ότι το φως, όταν έρχεται σε επαφή με την ύλη, συμπεριφέρεται με τρόπο φτιαγμένο από ενεργειακά πακέτα ή κβάντα. Τα κβάντα, ή ενεργειακά πακέτα, αναφέρονται ως φωτόνια στο παρόν. Αυτό το συγκεκριμένο πείραμα οδήγησε σε μια νέα θεωρία, γνωστή ως «The Particle Nature of Light».

• Το φως είναι ένα σωματίδιο. Η ένταση και το μήκος κύματος του φωτός ασκούν κάποια επίδραση στα ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται.
• Παράλληλα με τη φύση του φωτός ως κύματος, το πείραμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου οδήγησε σε ένα δεύτερο παράξενο φαινόμενο.
• Τα φωτόνια, που αναφέρονται επίσης ως ενεργειακά πακέτα ή κβαντικά φωτός, μπορούν να περιγραφούν ως στοιχειώδη σωματίδια.
• Με την απλούστερη έννοια, ο ορισμός του φωτονίου είναι ότι είναι ένα σωματίδιο που βασίζεται στο φως.
• Τα φωτόνια είναι το θεμελιώδες συστατικό του φωτός, που θεωρείται ως η μικρότερη κβαντική ακτινοβολία.