La lumière est sans doute l'un des sujets les plus étranges qu'un étudiant en physique rencontrera. La chose la plus rapide dans l'univers est en quelque sorte à la fois une particule et une onde - et présente les propriétés uniques des deux en même temps. Mais qu'est-ce qu'est la lumière? Comprendre ce que sont les photons Les photons sont le nom officiel des particules de lumière. Ils peuvent être visibles pour les humains ou non, car ici le terme lumière Les photons sont une particule Albert Einstein a introduit la notion de quanta de lumière (photons) dans un article de 1905. L'un des quatre articles qu'il a publiés cette année-là qui a révolutionné la science, c'est l'idée qui lui a valu le prix Nobel. Comme mentionné précédemment, la lumière se réfère à tout type de rayonnement électromagnétique, le dont les types se distinguent par leurs fréquences (ou longueurs d'onde) différentes. Ces deux mesures étant caractéristiques des ondes, il s'ensuit que la lumière doit être une onde électromagnétique. Mais attendez - dans la section précédente de l'article, la lumière a été présentée comme une particule Par conséquent, "onde électromagnétique" et "photon" sont des descripteurs acceptables de la lumière. Habituellement, la première phrase est utilisée pour décrire la lumière lorsqu'elle agit comme une onde et le dernier terme lorsqu'elle agit comme une particule. Cela devient important selon les phénomènes examinés par un physicien. Dans certaines situations et dans certaines expériences, les photons agissent comme les physiciens s'attendent à ce que les particules agissent, par exemple, lors de l'observation de l'effet photoélectrique. Dans d'autres situations et expériences, la lumière agit davantage comme des ondes, comme lors de la modulation d'une station de radio. Tout ce qui est limité à des valeurs discrètes plutôt qu'existant sur un spectre continu subit une quantification. La quantification dans un atome explique que la quantité d'énergie qui peut être émise sous la forme d'un photon ne se produira qu'en multiples de la constante de l'unité élémentaire de Planck, h h \u003d 6,6262 x 10 -34 joule-secondes Cette unité, découverte par Max Planck à la fin des années 1800, est l'une des unités les plus bizarres et importantes en physique. Il décrit la relation entre la fréquence d'une onde-particule et son niveau d'énergie, et fixe ainsi une limite inférieure inférieure sur la certitude avec laquelle nous pouvons comprendre la structure de la matière. L'une des plus grandes ramifications de la connaissance de cette limite , qui a également aidé à démarrer le domaine d'étude étrange mais réel connu sous le nom de physique quantique, est qu'au niveau subatomique le plus petit, la position des particules ne peut être décrite que comme une probabilité. Autrement dit, seule la position ou Définition des quanta h E \u003d hf où l'énergie E La plupart des gens pensent probablement à particules comme étant de minuscules unités de matière, qui sont dimensionnées en fonction de leurs masses. Cela fait de la forme particulaire de la lumière une bête particulièrement étrange car, en tant qu'unité d'énergie pure, un photon a une masse nulle. Une autre propriété importante des photons est qu'ils se déplacent toujours à la vitesse de la lumière, ~ 300 000 000 m /s dans le vide de l'espace vide. La lumière peut voyager plus lentement que cela - chaque fois qu'elle rencontre une autre matière, elle interagit avec elle et ralentit, de sorte que plus le matériau à travers lequel la lumière voyage est dense, plus elle va lentement. Cependant, rien dans l'univers ne peut voyager plus vite que la lumière. Pas la fusée la plus rapide ni la particule atomique la plus accélérée. Conseils La vitesse de la lumière, ~ 300 000 000 m /s, est la plus rapide que tout puisse Voyage. C'est pourquoi il est également appelé la limite de vitesse de l'univers. De cette façon, la compréhension de la lumière est essentielle pour comprendre les limites fondamentales de l'univers lui-même, depuis sa plus grande à sa plus petite. Bien que la lumière se déplace toujours à la même vitesse À la longueur d'onde la plus longue et à la fréquence la plus basse se trouvent les ondes radio, après quoi viennent les micro-ondes, les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les X Rayons et rayons gamma de haute énergie, chacun avec des longueurs d'onde progressivement plus courtes et des fréquences plus élevées. Dans les années 30, les physiciens ont commencé à apprendre que toute la matière de l'univers était composé de quelques particules fondamentales, appelées particules élémentaires, qui sont toutes régies par le même ensemble de forces fondamentales. Le modèle standard Développé depuis les années 1970, le modèle standard a jusqu'à présent correctement prédit les résultats de nombreuses expériences de physique quantique, mais pas toutes. Un problème flagrant qui n'a pas encore été résolu dans le modèle est de savoir comment intégrer la gravité dans l'ensemble des équations. De plus, il ne parvient pas à fournir de réponses à certaines grandes questions cosmologiques, notamment à déterminer ce qu'est la matière noire ou à où a disparu toute l'antimatière créée lors du Big Bang. Pourtant, il est largement accepté et considéré comme la meilleure théorie pour expliquer la nature fondamentale de notre existence à ce jour. Dans le modèle standard, toute la matière est constituée d'une classe de particules élémentaires appelées fermions Les autres composants du modèle standard sont les forces et les particules porteuses, connues sous le nom de bosons Les physiciens des particules travaillant sur des accélérateurs ou surveillant les collisions de particules de haute énergie provenant de l'espace a identifié des bosons pour les trois dernières forces. Le photon est le boson qui transporte la force électromagnétique dans l'univers, le gluon Rayonnement du corps noir. Les corps noirs sont un type hypothétique d'objet (les parfaits n'existent pas dans la nature) qui absorbent tout le rayonnement électromagnétique qui les frappe. En substance, tout rayonnement électromagnétique frappant un corps noir sert à le chauffer et le rayonnement qu'il dégage pendant le refroidissement est donc directement lié à sa température. Les physiciens peuvent utiliser cette approximation pour déduire les propriétés des corps noirs presque parfaits dans l'univers, tels que les étoiles et les trous noirs. Bien que la nature ondulatoire de la lumière aide à décrire les fréquences de rayonnement du corps noir qu'un objet absorbera et émettent, sa nature de particule en tant que photon permet également de le décrire mathématiquement, car les énergies que le corps noir peut contenir sont quantifiées. Max Planck a été parmi les premiers à enquêter sur ce phénomène. L'expérience à double fente. Un principe central de la physique quantique, l'expérience à double fente montre comment briller une lumière sur une barrière à deux ouvertures étroites se traduit par un motif distinctif d'ombres claires et sombres connu sous le nom de motif d'interférence des ondes Ce qui est étrange, c'est qu'un seul photon montré à travers l'ouverture se comportera toujours comme s'il interférait avec d'autres photons, bien qu'il soit seul et indivisible. C'est-à-dire que le motif lumineux observé dans l'expérience ne peut pas être expliqué en traitant la lumière uniquement comme un photon ou une onde; il faut considérer les deux. Cette expérience est souvent citée pour expliquer ce que l'on entend par l'idée de dualité onde-particule. L'effet Compton. L'effet Compton est un autre exemple observable de l'interaction entre les ondes lumineuses et la nature des particules. Il décrit comment l'énergie et la quantité de mouvement sont conservées lorsqu'un photon entre en collision avec un électron stationnaire. La combinaison de l'équation de la quantité d'énergie d'un photon avec des équations de conservation de moment montre que la longueur d'onde résultante du photon sortant (l'électron initialement immobile) peut être prédite par la longueur d'onde du photon entrant qui lui a donné de l'énergie. Spectroscopie. La technique de spectroscopie permet aux physiciens, chimistes, astronomes et autres scientifiques d'étudier la composition matérielle d'un objet, y compris des étoiles éloignées, simplement en analysant les motifs qui résultent de la séparation de la lumière entrante de cet objet avec un prisme. Parce que différents éléments absorbent et émettent des photons dans des quanta discrets, les longueurs d'onde électromagnétiques observées tombent en segments discrets en fonction des éléments que contiennent les objets. Équivalence masse-énergie. Beaucoup d'enfants peuvent réciter la célèbre équation d'Einstein E \u003d mc 2 Les physiciens des particules utilisent l'équivalence masse-énergie pour déterminer des unités plus simples pour certaines de leurs mesures. Par exemple, les physiciens quantiques recherchent les masses de fermions ou de bosons en accélérant les particules subatomiques comme les protons et les électrons à des vitesses proches de la lumière dans des accélérateurs géants et en les brisant ensemble, puis en analysant les effets des "débris" dans les réseaux électriques très sensibles. Au lieu de donner une masse en kilogrammes, cependant, la manière courante de rapporter les masses de particules est en giga-électron-volts, ou GeV, une unité d'énergie. Pour renvoyer cette valeur à une masse dans l'unité SI de kilogrammes, ils peuvent utiliser cette relation simple: 1 GeV / c
et ce que la quantification
signifie est fondamental pour comprendre la nature de la lumière, la physique quantique et une myriade phénomènes liés.
Que sont les photons?
est utilisé au sens physique, ce qui signifie qu'un photon est une particule de rayonnement électromagnétique à n'importe quelle fréquence du spectre, des ondes radio aux rayons gamma .
quantifiée. Cela signifie qu'ils n'existent que dans des quantités d'énergie discrètes, plutôt que dans n'importe quelle quantité d'énergie entre les deux. Lorsque l'on considère la description plus orientée chimie d'un photon comme l'énergie libérée lorsqu'un électron tombe à un niveau d'énergie inférieur dans l'atome, cela a du sens: les électrons ne peuvent être que dans des orbitales spécifiques, ou des niveaux d'énergie. Il n'y a pas de demi-pas. Donc, si un photon est le résultat d'un "électron qui tombe", un photon doit également venir uniquement en quantités d'énergie spécifiques, ou quanta.
Dualité onde-particule
, le photon, pas comme une onde. C'est correct. La nature étrange de la lumière doit exister dans ce que l'on appelle la dualité onde-particule: c'est à la fois une onde et une particule.
Qu'est-ce que la quantification?
.
la vitesse d'une particule sub-atomique peut être connue avec certitude à un moment donné, mais pas les deux
.
conduit à une équation pour l'énergie d'un photon:
est en joules (J), la constante de Planck < em> h
est en joule-secondes (Js) et la fréquence f
est en hertz (Hz).
Propriétés des photons et du rayonnement électromagnétique
dans un milieu donné, sous forme de rayonnement électromagnétique, elle peut avoir différentes fréquences
ou < em> longueurs d'onde
. Les fréquences et les longueurs d'onde de la lumière sous forme d'ondes électromagnétiques changent inversement les unes par rapport aux autres le long d'un spectre.
Particules élémentaires et modèle standard de physique des particules
de physique des particules est un ensemble d'équations qui tentent de décrire succinctement comment toutes ces particules élémentaires et les forces fondamentales sont liées. La lumière est un élément essentiel de cette description universelle.
. Les fermions sont de deux types: quarks
ou leptons
. Chacune de ces catégories est divisée en six particules, liées par paires appelées générations
. La première génération est la plus stable, avec des particules plus lourdes et moins stables trouvées dans les deuxième et troisième générations.
. Chacune des quatre forces fondamentales - gravité, électromagnétique, forte et faible - est associée à un boson qui transmet la force en échange avec des particules de matière.
porte la force forte et les particules W
et Z
portent la force faible. Mais le boson théorique de la gravité, le graviton
, reste insaisissable.
Phénomènes lumineux sélectionnés
.
. Courtes et douces, les véritables implications de cette équation sont profondes: la masse m
et l'énergie E
sont équivalentes et peuvent être converties l'une à l'autre en utilisant la vitesse de la lumière dans le vide, c
, au carré. Cela implique surtout qu'un objet qui ne bouge pas a encore de l'énergie; dans ce cas, sa masse au repos
est égale à son énergie au repos
.
2 \u003d 1,78266192 × 10 −27 k.
