Entender o que são os fótons e o que significa quantização é fundamental para entender a natureza da luz, da física quântica e da miríade de fenômenos relacionados.
O que são fótons?
Fótons são o nome formal para partículas de luz. Eles podem ser visíveis aos humanos ou não, pois aqui o termo luz é usado no sentido da física, o que significa que um fóton é uma partícula de radiação eletromagnética em qualquer frequência do espectro, desde ondas de rádio a raios gama .
Fótons são uma partícula quantizada . Isso significa que eles existem apenas em quantidades discretas de energia, em vez de qualquer quantidade de energia intermediária. Ao considerar a descrição mais química da orientação de um fóton como a energia liberada quando um elétron cai para um nível de energia mais baixo no átomo, isso faz sentido: os elétrons só podem estar em orbitais ou níveis de energia específicos. Não há meias etapas. Portanto, se um fóton é o resultado de um "elétron em queda", ele também deve ter apenas quantidades de energia específicas, ou quanta. Albert Einstein introduziu a noção de quanta de luz (fótons) em um artigo de 1905. Um dos quatro artigos que ele publicou naquele ano que revolucionou a ciência, foi essa a idéia que lhe valeu o Prêmio Nobel. Como mencionado anteriormente, a luz se refere a qualquer tipo de radiação eletromagnética, a tipos dos quais se distinguem por suas diferentes frequências (ou comprimentos de onda). Como essas duas medidas são características das ondas, segue-se que a luz deve ser uma onda eletromagnética . Mas espere - na seção anterior do artigo, a luz foi introduzida como uma partícula br>, o fóton, não como uma onda. Isto está certo. A natureza estranha da luz deve existir no que é chamado dualidade onda-partícula: é ao mesmo tempo uma onda e uma partícula. Portanto, "onda eletromagnética" e "fóton" são descritores aceitáveis da luz. Geralmente, a primeira frase é usada para descrever a luz quando está agindo como uma onda e o último termo quando está agindo como uma partícula. Isso se torna importante dependendo dos fenômenos que um físico está examinando. Em certas situações e em certos experimentos, os fótons agem como físicos esperam que as partículas ajam, por exemplo, ao observar o efeito fotoelétrico. Em outras situações e experimentos, a luz age mais como ondas, como ao modular uma estação de rádio. Qualquer coisa restrita a valores discretos, em vez de existir em um espectro contínuo, está sendo quantificada. A quantização em um átomo explica que a quantidade de energia que pode ser emitida na forma de um fóton ocorrerá apenas em múltiplos da constante da unidade elementar de Planck, h h \u003d 6.6262 x 10 -34 joule-segundos Esta unidade, descoberta por Max Planck no final dos anos 1800, é uma das unidades mais bizarras e importantes da física. Ele descreve a relação entre a frequência de uma partícula de onda e seu nível de energia e, portanto, estabelece um limite inferior mais baixo para a certeza com a qual podemos entender a estrutura da matéria. Uma das maiores ramificações de conhecer esse limite , que também ajudou a começar o campo de estudo ímpar, mas real, conhecido como física quântica, é que, nos menores níveis subatômicos, a posição das partículas é apenas descritiva como uma probabilidade. Em outras palavras, apenas a posição de uma partícula subatômica ou a velocidade da velocidade podem ser conhecidas com certeza a qualquer momento, mas não as duas Definindo os quanta h E \u003d hf onde a energia E A maioria das pessoas provavelmente pensa em partículas como pequenas unidades de matéria, dimensionadas de acordo com suas massas. Isso torna a forma de partícula da luz uma fera particularmente estranha, pois, como unidade de energia pura, um fóton tem massa zero. Outra propriedade importante dos fótons é que eles sempre viajam à velocidade da luz, ~ 300.000.000 A luz pode viajar mais devagar do que isso - sempre que encontra outra matéria, ela interage com ela e diminui a velocidade, de modo que quanto mais denso o material pelo qual a luz está viajando, mais lento ele passa. No entanto, nada no universo pode viajar mais rápido que a luz. Não é o foguete mais rápido nem a partícula atômica mais acelerada. Dicas A velocidade da luz, ~ 300.000.000 m /s, é a mais rápida que qualquer coisa pode viagem. É por isso que também é referido como o limite de velocidade do universo. Desta forma, entender a luz é fundamental para entender os limites fundamentais do próprio universo, desde o seu maior muito menor. Embora a luz viaje sempre na mesma velocidade em um determinado meio, como uma forma de radiação eletromagnética, ela pode ter diferentes frequências Físicos na década de 1930 começaram a aprender que toda a matéria do universo é composto por algumas partículas fundamentais, conhecidas como partículas elementares, que são todas governadas pelo mesmo conjunto de forças fundamentais. O Modelo Padrão Em desenvolvimento desde a década de 1970, o Modelo Padrão até agora previu corretamente os resultados de muitos, embora não todos, experimentos de física quântica. Um problema flagrante ainda a ser resolvido no modelo é como incorporar a gravidade ao conjunto de equações. Além disso, ele falha em fornecer respostas sobre algumas grandes questões cosmológicas, incluindo descobrir o que é a matéria escura ou para onde desapareceu toda a antimatéria criada no Big Bang. Ainda assim, é amplamente aceito e considerado a melhor teoria para explicar a natureza fundamental de nossa existência até o momento. No Modelo Padrão, toda a matéria é composta de uma classe de partículas elementares chamadas férmions Os outros componentes do modelo padrão são forças e partículas transportadoras, conhecidas como bosques . . Cada uma das quatro forças fundamentais - gravidade, eletromagnética, forte e fraca - está associada a um bóson que transmite a força em trocas com partículas de matéria. Físicos de partículas trabalhando em aceleradores ou observando colisões de partículas de alta energia de o espaço identificou bósons para as três últimas forças. O fóton é o bóson que carrega a força eletromagnética no universo, o glúon e carrega a força forte e as partículas W W e Z Radiação do corpo negro. Os corpos negros são um tipo de objeto hipotético (os perfeitos não existem na natureza) que absorvem toda a radiação eletromagnética que os atinge. Em essência, qualquer radiação eletromagnética que atinge um corpo negro serve para aquecê-lo e a radiação que emite durante o resfriamento está, portanto, diretamente relacionada à sua temperatura. Os físicos podem usar essa aproximação para deduzir as propriedades de corpos negros quase perfeitos no universo, como estrelas e buracos negros. Embora a natureza das ondas da luz ajude a descrever as frequências de radiação do corpo negro que um objeto absorverá e emitir, sua natureza de partícula como fóton também ajuda a descrevê-lo matematicamente, uma vez que as energias que o corpo negro pode conter são quantizadas. Max Planck foi um dos primeiros a investigar esse fenômeno. O experimento de dupla fenda. Um princípio central da física quântica, o experimento de dupla fenda mostra como o brilho de uma luz em uma barreira com duas aberturas estreitas resulta em um padrão distinto de sombras claras e escuras, conhecido como padrão de interferência de ondas . A parte estranha disso é que um único fóton mostrado através da abertura ainda se comportará como se estivesse interferindo em outros fótons, apesar de estar sozinho e indivisível. Isso quer dizer que o padrão de luz observado no experimento não pode ser explicado tratando a luz como apenas um fóton ou uma onda; deve ser considerado ambos. Esse experimento é frequentemente citado na explicação do significado da ideia de dualidade onda-partícula. Espectroscopia. A técnica da espectroscopia permite que físicos, químicos, astrônomos e outros cientistas investiguem a composição material de um objeto, incluindo estrelas distantes, simplesmente analisando os padrões resultantes da divisão da luz recebida desse objeto com um prisma. Como diferentes elementos absorvem e emitem fótons em quanta discretos, os comprimentos de onda eletromagnéticos observados caem em segmentos discretos, dependendo de quais elementos os objetos contêm. Físicos de partículas usam equivalência em energia em massa para determinar unidades mais simples para algumas de suas medições. Por exemplo, os físicos quânticos buscam massas de férmions ou bósons, acelerando partículas subatômicas como prótons e elétrons até velocidades próximas à luz em aceleradores gigantes e esmagando-os juntos, e analisando os efeitos dos "detritos" em matrizes elétricas altamente sensíveis. Em vez de fornecer uma massa em quilogramas, a maneira comum de relatar massas de partículas é em giga-elétron-volts, ou GeV, uma unidade de energia. Para retornar esse valor a uma massa na unidade SI de quilogramas, eles podem usar esse relacionamento simples: 1 GeV / c
Dualidade entre partículas e ondas
O que é quantização?
.
.
leva a uma equação para a energia de um fóton:
está em joules (J), a constante de Planck < em> h
está em joule-segundos (Js) e a frequência f
está em hertz (Hz).
Propriedades dos fótons e da radiação eletromagnética
ou < em> comprimentos de onda
. As frequências e os comprimentos de onda da luz, como as ondas eletromagnéticas, mudam inversamente entre si ao longo de um espectro. raios e raios gama de alta energia, cada um com comprimentos de onda progressivamente mais curtos e frequências mais altas.
Partículas elementares e o modelo padrão de física de partículas
da física de partículas é um conjunto de equações que tentam descrever sucintamente como todas essas partículas elementares e as forças fundamentais se relacionam. A luz é uma peça crítica dessa descrição universal.
. Os férmions vêm em dois tipos: quarks
ou leptons
. Cada uma dessas categorias é dividida em seis partículas, relacionadas em pares conhecidos como gerações
. A primeira geração é a mais estável, com partículas mais pesadas e menos estáveis encontradas na segunda e terceira gerações.
carregam a força fraca. Mas o bóson teórico da gravidade, o graviton
, permanece indescritível.
Fenômenos de Luz Selecionados
O efeito Compton. O efeito Compton é outro exemplo observável da interação entre a natureza da onda e das partículas da luz. Ele descreve como a energia e o momento são conservados quando um fóton colide com um elétron estacionário. A combinação da equação da quantidade de energia de um fóton com as equações de conservação do momento mostra que o comprimento de onda resultante do fóton de saída (o elétron inicialmente imóvel) pode ser predito pelo comprimento de onda do fóton que lhe deu energia.
Equivalência de energia em massa. Muitas crianças podem recitar a famosa equação de Einstein E \u003d mc 2
. Curtas e doces, as verdadeiras implicações dessa equação são profundas: a massa m
e a energia E
são equivalentes e podem ser convertidas entre si usando a velocidade da luz no vácuo, > c, ao quadrado. Isso significa que um objeto que não está se movendo ainda tem energia; neste caso, sua massa em repouso
é considerada igual à sua energia em repouso
.
2 \u003d 1.78266192 × 10 −27 k.
