Compreender a dualidade de ondas de partículas da radiação eletromagnética (luz) é fundamental para entender a teoria quântica e outros fenômenos, bem como a natureza da luz. Um dos maiores desenvolvimentos científicos do século anterior foi a descoberta de que objetos muito pequenos não obedeciam às mesmas regras que os objetos cotidianos.
O que são ondas eletromagnéticas?
Em termos simples, as ondas eletromagnéticas são simplesmente conhecidas como luz, embora o termo luz às vezes seja usado para especificar luz visível (aquela que pode ser detectada pelo olho), e outras vezes seja usado de maneira mais geral para se referir a todas as formas de radiação eletromagnética.
Para entender completamente ondas eletromagnéticas, é importante entender a noção de um campo e a relação entre eletricidade e magnetismo. Isso será explicado em mais detalhes na próxima seção, mas, em essência, as ondas eletromagnéticas (ondas de luz) consistem em uma onda de campo elétrico oscilando em um plano perpendicular (em ângulo reto) a uma onda de campo magnético.
Se a radiação eletromagnética atua como uma onda, qualquer onda eletromagnética específica terá uma frequência e comprimento de onda associados a ela. A frequência é o número de oscilações por segundo, medido em hertz (Hz), em que 1 Hz \u003d 1 /s. O comprimento de onda é a distância entre as cristas das ondas. O produto da frequência e do comprimento de onda fornece a velocidade da onda, que para a luz no vácuo é de aproximadamente 3 × 10 8 m /s. Diferentemente da maioria das ondas (como ondas sonoras, por exemplo), as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio pelo qual se propagar e, portanto, podem atravessar o vácuo do espaço vazio, o que fazem na velocidade da luz - a velocidade mais rápida do universo! Um campo pode ser pensado como uma matriz invisível de vetores, um em cada ponto do espaço, indicando a magnitude relativa e a direção de uma força que um objeto sentiria se colocado naquele ponto. Por exemplo, um campo gravitacional próximo à superfície da Terra consistiria em um vetor em cada ponto do espaço apontando diretamente para o centro da Terra. Na mesma altitude, todos esses vetores teriam a mesma magnitude. Se uma massa fosse colocada em um determinado ponto, a força gravitacional que ela sente dependeria de sua massa e do valor do campo. há. Os campos elétricos e os campos magnéticos funcionam da mesma maneira, exceto que aplicam forças dependentes da carga e do momento magnético de um objeto, respectivamente, em vez de sua massa. O campo elétrico resulta diretamente da existência de cargas, assim como o campo gravitacional. "results directly from mass.", 3, [[A fonte do magnetismo, no entanto, é a de mover a carga (ou equivalente, mudar os campos elétricos). Na década de 1860, o físico James Clerk Maxwell desenvolveu um conjunto de quatro equações que descreviam completamente a relação entre eletricidade e magnetismo. Essas equações basicamente mostraram como os campos elétricos são gerados pelas cargas, como não existem monopólos magnéticos fundamentais, como os campos magnéticos variáveis podem gerar um campo elétrico e como os campos elétricos atuais ou variáveis podem gerar campos magnéticos. Logo após o Na derivação dessas equações, foi encontrada uma solução descrevendo uma onda eletromagnética auto-propagadora. Previa-se que essa onda se movesse na velocidade da luz e, na verdade, acabou sendo luz! As ondas eletromagnéticas podem ocorrer em diferentes comprimentos de onda e frequências, desde que o produto de o comprimento de onda e a frequência de uma determinada onda são iguais a c Fótons são o nome para partículas de luz quantizadas ou radiação eletromagnética. Albert Einstein introduziu a noção de quanta da luz (fótons) em um artigo do início do século 20. De fato, os fótons são considerados como uma classe de partículas que são portadoras de força. O fóton é o mediador da força eletromagnética e atua como um pacote de energia que pode ser transferido de um lugar para outro. Você provavelmente está pensando que é bastante estranho falar subitamente de ondas eletromagnéticas como partículas, uma vez que ondas e partículas parecem duas construções fundamentalmente diferentes. De fato, é exatamente esse tipo de coisa que torna a física dos muito pequenos tão estranha. Nas próximas seções, as noções de quantização e dualidade de ondas de partículas são discutidas em mais detalhes. As ondas eletromagnéticas resultam de oscilações nos campos elétrico e magnético. Se uma carga se move para frente e para trás ao longo de um fio, ela cria um campo elétrico variável, que por sua vez cria um campo magnético variável, que se propaga automaticamente. Átomos e moléculas, que contêm carga móvel na forma de nuvens de elétrons, são capazes de interagir com a radiação eletromagnética de maneiras interessantes. Em um átomo, os elétrons só podem existir em estados quantificados de energia muito específicos. Se um elétron quer estar em um estado de energia mais baixo, pode fazê-lo emitindo um pacote discreto de radiação eletromagnética para transportar fora da energia. Por outro lado, para saltar para outro estado de energia, esse mesmo elétron também deve absorver um pacote discreto de energia muito específico. A energia associada a uma onda eletromagnética depende da frequência da onda. Como tal, os átomos podem absorver e emitir apenas frequências muito específicas de radiação eletromagnética consistentes com os níveis de energia quantizados associados. Esses pacotes de energia são chamados de fótons. Quantização Uma quantidade de energia só pode ser emitida em múltiplos de uma unidade elementar (a constante de Planck h Onde v Você ouvirá as pessoas usarem as palavras fóton Fótons ou radiação eletromagnética exibem o que é chamado dualidade de ondas de partículas. Em certas situações e em certos experimentos, os fótons exibem comportamento semelhante a partículas. Um exemplo disso é o efeito fotoelétrico, onde um feixe de luz que atinge uma superfície causa a liberação de elétrons. As especificidades desse efeito só podem ser entendidas se a luz for tratada como pacotes discretos que os elétrons devem absorver para serem emitidos. Em outras situações e experimentos, eles agem mais como ondas. Um excelente exemplo disso são os padrões de interferência observados em experimentos com uma ou várias fendas. Nessas experiências, a luz viaja por fendas estreitas e estreitamente espaçadas, que agem como múltiplas fontes de luz em fase e, como resultado, produz um padrão de interferência consistente com o que você veria em uma onda. Mesmo mais estranho, fótons não são a única coisa que exibe essa dualidade. De fato, todas as partículas fundamentais, mesmo elétrons e prótons, parecem se comportar dessa maneira. Quanto maior a partícula, menor o seu comprimento de onda e menos essa dualidade aparecerá. É por isso que você não percebe nada assim na vida cotidiana.
Campos e eletromagnetismo
O Espectro Eletromagnético
, a velocidade da luz. As formas de radiação eletromagnética incluem (de comprimentos de onda mais longos /baixa energia a comprimentos de onda mais curtos /alta energia):
O que são fótons?
Os fótons não têm massa e não obedecem às leis de conservação de números (o que significa que podem ser criados e destruídos). No entanto, eles obedecem à conservação de energia.
Como são produzidas as ondas eletromagnéticas ou os fótons?
O que é quantização?
refere-se a algo que está restrito a valores discretos, em comparação com um espectro contínuo. Quando os átomos absorvem ou emitem um único fóton, eles o fazem apenas com valores de energia quantizada muito específicos, descritos pela mecânica quântica. Esse "fóton único" pode realmente ser considerado um "pacote" de onda discreta.
). A equação que relaciona a energia E
de um fóton à sua frequência é:
E \u003d h \\ nu
(a letra grega nu) é a frequência do fóton e a constante de Planck h
\u003d 6,62607015 × 10 <34> -34 Js.
Dualidade de partícula de onda
e < em> radiação eletromagnética e alternadamente, mesmo que pareça que são coisas diferentes. Quando se fala em fótons, as pessoas normalmente falam sobre as propriedades das partículas desse fenômeno, enquanto quando falam sobre ondas ou radiação eletromagnéticas, estão falando sobre propriedades semelhantes a ondas.
