La luz es sin duda uno de los temas más extraños que encontrará un estudiante de física. Lo más rápido en el universo es de alguna manera tanto una partícula como una onda, y exhibe las propiedades únicas de ambos al mismo tiempo. Pero, ¿qué es Comprender qué son los fotones Los fotones son el nombre formal de las partículas de luz. Pueden ser visibles para los humanos o no, ya que aquí el término luz Los fotones son partículas cuantificadas Albert Einstein introdujo la noción de cuantos de luz (fotones) en un documento de 1905. Uno de los cuatro artículos que publicó ese año que revolucionó la ciencia, esta fue la idea que le valió el Premio Nobel. Como se mencionó anteriormente, la luz se refiere a cualquier tipo de radiación electromagnética, el tipos de los cuales se distinguen por sus diferentes frecuencias (o longitudes de onda). Esas dos medidas son características de las ondas, se deduce que la luz debe ser una onda electromagnética. Pero espere, en la sección anterior del artículo, la luz se introdujo como una partícula Por lo tanto, tanto "onda electromagnética" como "fotón" son descriptores aceptables de la luz. Por lo general, la primera frase se usa para describir la luz cuando actúa como una onda y el último término cuando actúa como una partícula. Esto se vuelve importante dependiendo de los fenómenos que un físico está examinando. En ciertas situaciones y en ciertos experimentos, los fotones actúan como los físicos esperan que las partículas actúen, por ejemplo, al observar el efecto fotoeléctrico. En otras situaciones y experimentos, la luz actúa más como ondas, como cuando se modula una estación de radio. Cualquier cosa restringida a valores discretos en lugar de existir en un espectro continuo está siendo cuantificada. La cuantificación en un átomo explica que la cantidad de energía que puede emitirse en forma de fotón se producirá solo en múltiplos de la unidad elemental de la constante de Planck, h h \u003d 6.6262 x 10 -34 joule-segundos Esta unidad, descubierta por Max Planck a fines de 1800, es una de las unidades más extrañas e importantes en física. Describe la relación entre la frecuencia de una onda-partícula y su nivel de energía, y por lo tanto establece un límite inferior más bajo en la certeza con la que podemos entender la estructura de la materia. Una de las mayores ramificaciones de conocer este límite , que también ayudó a comenzar el campo de estudio extraño pero real conocido como física cuántica, es que en los niveles subatómicos más pequeños la posición de las partículas solo se puede describir como una probabilidad. Dicho de otra manera, solo se puede conocer con certeza la posición de una partícula subatómica o velocidad Definir los cuantos h E \u003d hf donde la energía E La mayoría de la gente probablemente piensa en partículas como pequeñas unidades de materia, que se dimensionan de acuerdo con sus masas. Esto hace que la forma de partículas de luz sea una bestia particularmente extraña ya que, como unidad de energía pura, un fotón tiene masa cero. Otra propiedad importante de los fotones es que siempre viajan a la velocidad de la luz, ~ 300,000,000 m /s en el vacío del espacio vacío. La luz puede viajar más despacio que eso: cada vez que se encuentra con otra materia, interactúa con ella y se ralentiza, de modo que cuanto más denso es el material a través del cual viaja la luz, más lento va. Sin embargo, nada en el universo puede viajar más rápido que la luz. No es el cohete más rápido ni la partícula atómica más acelerada. Consejos La velocidad de la luz, ~ 300,000,000 m /s, es la más rápida que cualquier cosa puede viaje. Es por eso que también se le conoce como el límite de velocidad del universo. De esta manera, comprender la luz es fundamental para comprender los límites fundamentales del universo mismo, desde su más grande es muy pequeño. Aunque la luz siempre viaja a la misma velocidad En la longitud de onda más larga y en el extremo de frecuencia más baja están las ondas de radio, después de las cuales aparecen microondas, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, X rayos y rayos gamma de alta energía, cada uno con longitudes de onda progresivamente más cortas y frecuencias más altas. Los físicos en la década de 1930 comenzaron a aprender que toda la materia en el universo es compuesto de unas pocas partículas fundamentales, conocidas como partículas elementales, que se rigen por el mismo conjunto de fuerzas fundamentales. El Modelo estándar En desarrollo desde la década de 1970, el Modelo Estándar hasta ahora ha predicho correctamente los resultados de muchos, aunque no todos, los experimentos de física cuántica. Un problema evidente aún por resolver en el modelo es cómo incorporar la gravedad en el conjunto de ecuaciones. Además, no proporciona respuestas sobre algunas grandes preguntas cosmológicas, incluida la determinación de qué es la materia oscura o dónde desapareció toda la antimateria creada en el Big Bang. Aún así, es ampliamente aceptado y considerado la mejor teoría para explicar la naturaleza fundamental de nuestra existencia hasta la fecha. En el Modelo Estándar, toda la materia está compuesta por una clase de partículas elementales llamadas fermiones Los otros componentes del modelo estándar son fuerzas y partículas transportadoras, conocidas como bosones Físicos de partículas que trabajan en aceleradores o observan colisiones de partículas de alta energía. El espacio ha identificado bosones para las últimas tres fuerzas. El fotón es el bosón que transporta la fuerza electromagnética en el universo, el gluón Radiación del cuerpo negro. Los cuerpos negros son un tipo de objeto hipotético (los perfectos no existen en la naturaleza) que absorben toda la radiación electromagnética que los golpea. En esencia, cualquier radiación electromagnética que golpee un cuerpo negro sirve para calentarlo y la radiación que emite mientras se enfría está, por lo tanto, directamente relacionada con su temperatura. Los físicos pueden usar esta aproximación para deducir las propiedades de los cuerpos negros casi perfectos en el universo, como las estrellas y los agujeros negros. Mientras que la naturaleza ondulatoria de la luz ayuda a describir las frecuencias de radiación del cuerpo negro que un objeto absorberá y emitido, su naturaleza de partículas como fotón también ayuda a describirlo matemáticamente, ya que las energías que el cuerpo negro puede contener están cuantizadas. Max Planck fue uno de los primeros en investigar este fenómeno. El experimento de doble rendija. Un principio central de la física cuántica, el experimento de doble rendija muestra cómo el brillo de una luz en una barrera con dos aberturas estrechas da como resultado un patrón distintivo de sombras claras y oscuras conocido como patrón de interferencia de onda . La parte extraña de esto es que un solo fotón que se muestra a través de la abertura todavía se comportará como si estuviera interfiriendo con otros fotones, a pesar de estar solo e indivisible. Esto quiere decir que el patrón de luz observado en el experimento no puede explicarse tratando la luz solo como un fotón o una onda; debe ser considerado ambos. Este experimento a menudo se cita para explicar lo que se entiende por la idea de dualidad onda-partícula. El efecto Compton. El efecto Compton es otro ejemplo observable de la interacción entre la onda de la luz y la naturaleza de las partículas. Describe cómo se conservan tanto la energía como el momento cuando un fotón colisiona con un electrón estacionario. La combinación de la ecuación para la cantidad de energía de un fotón con ecuaciones de conservación de momento muestra que la longitud de onda resultante del fotón saliente (el electrón inicialmente inmóvil) puede predecirse por la longitud de onda del fotón entrante que le dio energía. Espectroscopía. La técnica de espectroscopia permite a los físicos, químicos, astrónomos y otros científicos investigar la composición material de un objeto, incluidas las estrellas distantes, simplemente analizando los patrones que resultan de dividir la luz entrante de ese objeto con un prisma. Debido a que diferentes elementos absorben y emiten fotones en cuantos discretos, las longitudes de onda electromagnéticas observadas se dividen en segmentos discretos dependiendo de los elementos que contengan los objetos. Equivalencia masa-energía. Muchos niños pueden recitar la famosa ecuación de Einstein E \u003d mc 2 Los físicos de partículas usan equivalencia masa-energía para determinar unidades más simples para algunas de sus mediciones. Por ejemplo, los físicos cuánticos buscan las masas de fermiones o bosones acelerando partículas subatómicas como protones y electrones a velocidades cercanas a la luz en aceleradores gigantes y aplastándolos, y luego analizando los efectos de los "escombros" en conjuntos eléctricos altamente sensibles. Sin embargo, en lugar de dar una masa en kilogramos, la forma común de informar masas de partículas es en gigavoltios-voltios, o GeV, una unidad de energía. Para devolver este valor a una masa en la unidad SI de kilogramos, pueden usar esta relación simple: 1 GeV / c
luz?
y qué significa cuantificación
es fundamental para comprender la naturaleza de la luz, la física cuántica y la miríada de fenómenos relacionados.
¿Qué son los fotones?
se usa en el sentido físico, lo que significa que un fotón es una partícula de radiación electromagnética en cualquier frecuencia del espectro, desde ondas de radio hasta rayos gamma .
. Esto significa que existen solo en cantidades discretas de energía, en lugar de cualquier cantidad de energía intermedia. Al considerar la descripción más orientada a la química de un fotón como la energía liberada cuando un electrón cae a un nivel de energía más bajo en el átomo, esto tiene sentido: los electrones solo pueden estar en orbitales específicos, o niveles de energía. No hay medios pasos. Entonces, si un fotón es el resultado de un "electrón que cae", un fotón también debe venir en cantidades de energía específicas, o cuantos.
Dualidad de partículas de onda
, el fotón, no como una onda. Esto es correcto. La naturaleza extraña de la luz es existir en lo que se llama dualidad onda-partícula: es tanto una onda como una partícula.
¿Qué es la cuantización?
.
en cualquier momento dado, pero no ambas
.
conduce a una ecuación para la energía de un fotón:
está en julios (J), la constante de Planck < em> h
está en joule-segundos (Js) y la frecuencia f
está en hertz (Hz).
Propiedades de los fotones y la radiación electromagnética
en un medio dado, como una forma de radiación electromagnética, puede tener diferentes frecuencias
o < em> longitudes de onda
. Las frecuencias y longitudes de onda de la luz como ondas electromagnéticas cambian inversamente entre sí a lo largo de un espectro.
Partículas elementales y el modelo estándar de física de partículas
de la física de partículas es un conjunto de ecuaciones que intenta describir sucintamente cómo se relacionan todas estas partículas elementales y las fuerzas fundamentales. La luz es una pieza crítica de esta descripción universal.
. Los fermiones vienen en dos tipos: quarks
o leptones
. Cada una de estas categorías se divide en seis partículas, relacionadas en pares conocidos como generaciones
. La primera generación es la más estable, con partículas más pesadas y menos estables que se encuentran en la segunda y tercera generación.
. Cada una de las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnética, fuerte y débil) está asociada con un bosón que transmite la fuerza en intercambios con partículas de materia.
transporta la fuerza fuerte y las partículas W
y Z
transportan la fuerza débil. Pero el bosón teórico de la gravedad, el gravitón
, sigue siendo difícil de alcanzar.
Fenómenos de luz seleccionados
. Breve y dulce, las verdaderas implicaciones de esta ecuación son profundas: la masa m
y la energía E
son equivalentes y se pueden convertir entre sí utilizando la velocidad de la luz en el vacío, c
, al cuadrado. Esto implica de manera importante que un objeto que no se mueve todavía tiene energía; en este caso se dice que su masa en reposo
es igual a su energía en reposo
.
2 \u003d 1.78266192 × 10 −27 k.
