La compréhension de la dualité particule-onde du rayonnement électromagnétique (lumière) est fondamentale pour comprendre la théorie quantique et d'autres phénomènes ainsi que la nature de la lumière. L'un des plus grands développements scientifiques du siècle précédent a été la découverte que les très petits objets n'obéissaient pas aux mêmes règles que les objets du quotidien.
Que sont les ondes électromagnétiques?
En termes simples, les ondes électromagnétiques sont simplement connues comme lumière, bien que le terme lumière soit parfois utilisé pour désigner la lumière visible (celle qui peut être détectée par l'œil), et d'autres fois plus généralement pour désigner toutes les formes de rayonnement électromagnétique.
Pour bien comprendre les ondes électromagnétiques, il est important de comprendre la notion de champ et la relation entre l'électricité et le magnétisme. Cela sera expliqué plus en détail dans la section suivante, mais essentiellement, les ondes électromagnétiques (ondes lumineuses) consistent en une onde de champ électrique oscillant dans un plan perpendiculaire (à angle droit) à une onde de champ magnétique.
Si le rayonnement électromagnétique agit comme une onde, alors toute onde électromagnétique particulière aura une fréquence et une longueur d'onde qui lui seront associées. La fréquence est le nombre d'oscillations par seconde, mesuré en hertz (Hz) où 1 Hz \u003d 1 /s. La longueur d'onde est la distance entre les crêtes des vagues. Le produit de la fréquence et de la longueur d'onde donne la vitesse des ondes, qui pour la lumière dans le vide est d'environ 3 × 10 8 m /s. Contrairement à la plupart des ondes (comme les ondes sonores, par exemple), les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin d'un médium pour se propager, et peuvent donc traverser le vide de l'espace vide, ce qu'elles font à la vitesse de la lumière - la vitesse la plus rapide de l'univers! Un champ peut être considéré comme un réseau invisible de vecteurs, un à chaque point dans l'espace indiquant l'amplitude relative et la direction d'une force qu'un objet ressentirait s'il était placé à ce point. Par exemple, un champ gravitationnel près de la surface de la terre serait constitué d'un vecteur à chaque point de l'espace pointant directement vers le centre de la terre. À la même altitude, tous ces vecteurs auraient la même amplitude. Si une masse devait être placée à un point donné, alors la force gravitationnelle qu'elle ressentrait dépendrait de sa masse et de la valeur du champ Là. Les champs électriques et les champs magnétiques fonctionnent de la même manière, sauf qu'ils appliquent des forces dépendantes respectivement de la charge et du moment magnétique d'un objet au lieu de sa masse. Le champ électrique résulte directement de l'existence de charges, tout comme le champ gravitationnel résulte directement de la masse. Cependant, la source du magnétisme provient du déplacement de la charge (ou de façon équivalente, de la modification des champs électriques). Dans les années 1860, le physicien James Clerk Maxwell a développé un ensemble de quatre équations qui décrivaient complètement la relation entre l'électricité et le magnétisme. Ces équations ont essentiellement montré comment les champs électriques sont générés par les charges, comment aucun monopole magnétique fondamental n'existe, comment les champs magnétiques changeants peuvent générer un champ électrique et comment les champs électriques actuels ou changeants peuvent générer des champs magnétiques. Peu après dérivation de ces équations, une solution a été trouvée décrivant une onde électromagnétique auto-propagative. Il était prévu que cette onde se déplacerait à la vitesse de la lumière, et s'est en fait avérée être réellement la lumière! Les ondes électromagnétiques peuvent venir dans de nombreuses longueurs d'onde et fréquences différentes, tant que le produit de la longueur d'onde et la fréquence d'une onde donnée est égale à c Les photons sont le nom des particules de lumière quantifiées ou du rayonnement électromagnétique. Albert Einstein a introduit la notion de quanta de lumière (photons) dans un article du début du XXe siècle. Les photons sont sans masse et ils n'obéissent pas aux lois de conservation des nombres (ce qui signifie qu'ils peuvent être créés et détruits). Cependant, ils obéissent à la conservation de l'énergie. En fait, les photons sont considérés comme appartenant à une classe de particules qui sont des porteurs de force. Le photon est le médiateur de la force électromagnétique et agit comme un paquet d'énergie qui peut être transféré d'un endroit à un autre. Vous pensez probablement qu'il est plutôt étrange de parler soudainement des ondes électromagnétiques comme des particules, puisque les vagues et les particules semblent être deux constructions fondamentalement différentes. En effet, c'est juste ce genre de chose qui rend la physique des très petits si étrange. Dans les sections suivantes, les notions de quantification et de dualité onde de particules sont discutées plus en détail. Les ondes électromagnétiques résultent des oscillations des champs électriques et magnétiques. Si une charge se déplace d'avant en arrière le long d'un fil, elle crée un champ électrique changeant, qui à son tour crée un champ magnétique changeant, qui se propage ensuite automatiquement. Atomes et molécules, qui contiennent une charge mobile sous la forme des nuages d'électrons, sont capables d'interagir avec le rayonnement électromagnétique de manière intéressante. Dans un atome, les électrons ne peuvent exister que dans des états énergétiques quantifiés très spécifiques. Si un électron veut être dans un état d'énergie inférieur, il peut le faire en émettant un paquet discret de rayonnement électromagnétique à transporter hors de l'énergie. Inversement, pour sauter dans un autre état énergétique, ce même électron doit également absorber un paquet d'énergie très spécifique. L'énergie associée à une onde électromagnétique dépend de la fréquence de l'onde. En tant que tels, les atomes peuvent absorber et émettre uniquement des fréquences très spécifiques de rayonnement électromagnétique compatibles avec leurs niveaux d'énergie quantifiés associés. Ces paquets d'énergie sont appelés photons Quantification Une quantité d'énergie ne peut être émise que par multiples d'une unité élémentaire (constante de Planck h Où ν Vous entendrez les gens utiliser les mots photon Les photons ou le rayonnement électromagnétique présentent ce qu'on appelle dualité onde de particules. Dans certaines situations et dans certaines expériences, les photons présentent un comportement semblable à des particules. Un exemple de ceci est dans l'effet photoélectrique, où un faisceau lumineux frappant une surface provoque la libération d'électrons. Les spécificités de cet effet ne peuvent être comprises que si la lumière est traitée comme des paquets discrets que les électrons doivent absorber pour être émis. Dans d'autres situations et expériences, ils agissent davantage comme des ondes. Un bon exemple de ceci est les modèles d'interférence observés dans les expériences à fente simple ou multiple. Dans ces expériences, la lumière se propage à travers des fentes étroites et étroitement espacées, qui agissent comme de multiples sources de lumière en phase, et en conséquence, elle produit un motif d'interférence cohérent avec ce que vous verriez dans une onde. Même étranger, les photons ne sont pas les seuls à présenter cette dualité. En effet, toutes les particules fondamentales, même les électrons et les protons, semblent se comporter de cette façon. Plus la particule est grande, plus sa longueur d'onde est courte et moins cette dualité apparaît. C'est pourquoi vous ne remarquez rien de tel dans la vie de tous les jours.
Champs et électromagnétisme
Le spectre électromagnétique
, la vitesse de la lumière. Les formes de rayonnement électromagnétique comprennent (des longueurs d'onde plus longues /basse énergie aux longueurs d'onde plus courtes /haute énergie):
Que sont les photons?
Comment les ondes électromagnétiques ou les photons sont-ils produits?
.
Qu'est-ce que la quantification?
fait référence à quelque chose qui est limité à des valeurs discrètes vers un spectre continu. Lorsque les atomes absorbent ou émettent un seul photon, ils le font uniquement à des valeurs d'énergie quantifiées très spécifiques décrites par la mécanique quantique. Ce «photon unique» peut vraiment être considéré comme un «paquet» d'ondes discrètes.
). L'équation qui relie l'énergie E
d'un photon à sa fréquence est:
E \u003d h \\ nu
(la lettre grecque nu) est la fréquence du photon et constante de Planck h
\u003d 6,62607015 × 10 -34 Js.
Dualité onde-particule
et < em> rayonnement électromagnétique
de manière interchangeable, même s'il semble que ce sont des choses différentes. En parlant de photons, les gens parlent généralement des propriétés des particules de ce phénomène, alors que lorsqu'ils parlent d'ondes électromagnétiques ou de rayonnement, ils parlent des propriétés ondulatoires.
