Chính xác thì Photon là gì?

Bạn đang quan tâm đến Chính xác thì Photon là gì? phải không? Nào hãy cùng Vuihecungchocopie đón xem bài viết này ngay sau đây nhé, vì nó vô cùng thú vị và hay đấy!

Hãy tưởng tượng một chùm ánh nắng vàng chiếu qua cửa sổ. Theo vật lý lượng tử, chùm ánh sáng này bao gồm các đốm sáng nhỏ, được gọi là photon, truyền trong không khí. Nhưng chính xác thì photon là gì?

Định nghĩa

Bạn đang xem: Photon là gì

Một photon là đại lượng hoặc lượng tử rời rạc nhỏ nhất của bức xạ điện từ. Nó là đơn vị cơ bản của tất cả ánh sáng.

Các photon luôn chuyển động và di chuyển theo mọi kích thước quan sát được là 2.998 x 108 m / s với vận tốc không đổi trong chân không. Đây thường được gọi là tốc độ ánh sáng, ký hiệu bằng chữ c.

Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, năng lượng của một photon bằng tần số dao động của nó nhân với hằng số Planck. Einstein đã chứng minh rằng ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon này là độ cao của tần số dao động của chúng, và cường độ ánh sáng tương ứng với số lượng photon. Về cơ bản, ông đã giải thích cách dòng các photon hoạt động giống như sóng và hạt.

Thuộc tính Photon

Các thuộc tính cơ bản của photon:

• Chúng không có khối lượng và năng lượng nghỉ. Chúng chỉ tồn tại dưới dạng các hạt chuyển động.
• Mặc dù không có khối lượng nghỉ nhưng chúng là các hạt cơ bản.
• Họ không mất phí.
• Chúng ổn định.
• Chúng là các hạt spin 1 tạo nên chúng.
• Chúng mang năng lượng và động lượng phụ thuộc tần số.
• Chúng có thể tương tác với các hạt khác, chẳng hạn như electron, chẳng hạn như hiệu ứng Compton.
• Chúng có thể bị phá hủy hoặc tạo ra bởi nhiều quá trình tự nhiên, chẳng hạn như hấp thụ bức xạ hoặc phát ra bức xạ.
• Trong không gian trống, chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng.

Lịch sử

Bản chất của ánh sáng – cho dù bạn nghĩ nó là hạt hay sóng – là một trong những cuộc tranh luận khoa học lớn nhất. Trong nhiều thế kỷ, các nhà triết học và khoa học đã tranh luận về những vấn đề mà một thế kỷ trước vẫn chưa được giải quyết.

Đệ tử của Vaishhika vào thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên, một nhánh của triết học Ấn Độ giáo, có một trực giác vật lý đáng kinh ngạc về ánh sáng. Giống như người Hy Lạp cổ đại, họ từng tin rằng thế giới dựa trên “nguyên tử” của đất, không khí, lửa và nước. Bản thân ánh sáng được cho là được tạo thành từ các nguyên tử chuyển động rất nhanh được gọi là bức xạ. Điều này rất giống với lý thuyết hiện đại của chúng ta về ánh sáng và các photon cấu thành của nó, một thuật ngữ được đặt ra hàng nghìn năm sau vào năm 1926 bởi một nhà hóa học tên là Gilbert Lewis và một nhà vật lý quang học. Tìm hiểu tên Frithiof Wolfers.

Sau đó, vào khoảng năm 300 trước Công nguyên, nhà vật lý Hy Lạp cổ đại Euclid đã tạo ra một bước đột phá lớn khi ông đề xuất rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng. Euclid cũng mô tả quy luật phản xạ, và một thế kỷ sau Ptolemy đã bổ sung các bài viết của mình về khúc xạ. Tuy nhiên, phải đến năm 1021, định luật khúc xạ mới chính thức được thiết lập trong kitab al-manazir của ibn al-haytham hoặc cuốn sách về quang học.

Xem thêm: Số Phi Là Gì – Bạn Đang Thắc Mắc Phi Là Đường Kính Hay Bán Kính

Thời kỳ Phục hưng sẽ mở ra một kỷ nguyên khoa học mới về các đặc tính của ánh sáng. Đáng chú ý là sự can thiệp của Rene Descartes trong một bài luận năm 1637 có tên la dioptrique, trong đó ông lập luận rằng ánh sáng xung truyền đi ngay lập tức khi tiếp xúc với một ‘quả bóng’ trong môi trường. Sau đó, Christian Huygens, viết trên tạp chí traité de la lumière vào năm 1690, coi ánh sáng như một sóng nén trong môi trường đàn hồi, giống như sóng áp suất âm thanh. Huygens đã chỉ ra cách tạo ra các sóng ánh sáng phản xạ, khúc xạ và lọc, đồng thời giải thích hiện tượng lưỡng chiết.

Cho đến nay, các nhà khoa học đã chia thành hai trại cố thủ. Một bên tin rằng ánh sáng là sóng, trong khi bên kia tin rằng ánh sáng là một hạt hay hạt. Không có người ủng hộ cái gọi là “nhà khoa học toán học” hơn Isaac Newton, người được nhiều người coi là nhà khoa học vĩ đại nhất mọi thời đại. Newton không thích lý thuyết sóng vì nó có nghĩa là ánh sáng có thể truyền đi quá xa trong bóng tối.

Trong phần lớn thế kỷ 18, lý thuyết phân tử đã thống trị các cuộc tranh luận xung quanh các đặc tính của ánh sáng. Nhưng sau đó, vào tháng 5 năm 1801, Thomas Young đã giới thiệu với thế giới về thí nghiệm khe kép nổi tiếng hiện nay của ông, nơi ông chứng minh sự giao thoa của sóng ánh sáng.

Trong phiên bản đầu tiên của thử nghiệm, young không thực sự sử dụng hai khe cắm mà là một thẻ mỏng. Các nhà vật lý chỉ cần che cửa sổ bằng một mảnh giấy với một lỗ nhỏ để tạo ra một chùm ánh sáng mỏng. Người thanh niên cầm một tấm thẻ trên tay, chứng kiến ​​thế nào là chùm sáng bị tách làm đôi. Ánh sáng đi qua một mặt của tấm thiệp sẽ cản trở ánh sáng từ mặt kia của tấm thiệp, tạo ra những viền có thể nhìn thấy ở bức tường đối diện. Sau đó, Yang sử dụng dữ liệu này để tính toán các bước sóng của các màu ánh sáng khác nhau, và chúng đã tiến rất gần đến các giá trị hiện đại. Cuộc biểu tình sẽ cung cấp bằng chứng chắc chắn rằng ánh sáng là sóng, không phải hạt.

Trong khi đó, lần này ở Pháp, chuyển động của các hạt ánh sáng đã trở nên phổ biến, khi những phát triển gần đây cho thấy rằng sự phân cực của ánh sáng là do một số bất đối xứng giữa các hạt. cơ thể nhẹ. Họ đã phải chịu thất bại nặng nề dưới tay của Augustine Fresnel, người vào năm 1821 đã chỉ ra rằng có thể giải thích được sự phân cực nếu ánh sáng là sóng ngang không có dao động dọc. Trước đó, Fresnel cũng đã đưa ra lý thuyết chính xác về nhiễu xạ sóng.

Cho đến nay, người Newtonians có rất ít cơ sở ổn định để tiếp tục lập luận của họ. Dường như ánh sáng là một loại sóng, không hơn không kém. Vấn đề là ether huyền thoại – phương tiện bí ẩn hỗ trợ trường điện từ và tạo ra định luật lan truyền Fresnel – bị mất tích mặc dù mọi người đã nỗ lực hết sức để tìm ra nó. Không ai thực sự làm điều đó.

Một bước đột phá lớn xảy ra vào năm 1861, khi thư ký james maxwell cô đọng kiến ​​thức lý thuyết và thực nghiệm của mình về điện và từ thành 20 phương trình. Maxwell đã tiên đoán về một “sóng điện từ” sẽ tự duy trì trong điều kiện không có dòng điện bình thường, ngay cả trong chân không. Điều này có nghĩa là ánh sáng không cần ether để truyền qua! Hơn nữa, ông dự đoán tốc độ của sóng là 310.740.000 m s-1 – chỉ bằng một vài phần trăm giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng.

Maxwell đã viết vào năm 1865: “Sự thống nhất của các kết quả cho thấy ánh sáng và từ tính là do cùng một chất gây ra, và ánh sáng là nhiễu điện từ lan truyền trong một trường tuân theo các định luật điện từ”.

Kể từ ngày đó, lần đầu tiên khái niệm ánh sáng được thống nhất với các khái niệm điện và từ.

Vào ngày 14 tháng 12 năm 1900, Max Planck đã chứng minh rằng bức xạ nhiệt được phát ra và hấp thụ trong các gói năng lượng lượng tử rời rạc. Sau đó, Albert Einstein đã chỉ ra vào năm 1905 rằng điều này cũng áp dụng cho ánh sáng. Einstein đã sử dụng thuật ngữ lichtquant hoặc lượng tử ánh sáng. Bây giờ, vào đầu thế kỷ 20, một cuộc cách mạng mới trong vật lý một lần nữa sẽ xoay quanh các đặc tính của ánh sáng. Lần này, vấn đề không còn là ánh sáng là phân tử hay sóng. Đó là cả hai.

Lý thuyết hiện đại về ánh sáng và photon

Einstein tin rằng ánh sáng là một hạt (photon) và dòng chuyển động của các photon là một làn sóng. Các nhà vật lý Đức tin rằng ánh sáng có tính chất hạt sau khi phát hiện ra hiệu ứng quang điện, trong đó các electron bay ra khỏi bề mặt kim loại được tiếp xúc với ánh sáng. Nếu ánh sáng là sóng, điều đó sẽ không xảy ra. Một câu hỏi khó hiểu khác là làm thế nào các quang điện tử nhân lên khi ánh sáng chiếu vào chúng. Einstein giải thích hiệu ứng quang điện là “bản thân ánh sáng là một hạt”, vì vậy sau này ông đã đoạt giải Nobel Vật lý.

Xem thêm: Thao túng (manipulate) là gì? Làm thế nào để nhận ra hành vi thao túng? | Ngoại ngữ cộng đồng

Ý tưởng chính của lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein là năng lượng của ánh sáng liên quan đến tần số dao động của nó. Ông đề xuất rằng năng lượng của một photon bằng “tần số dao động không đổi theo thời gian Planck”, năng lượng photon là độ cao của tần số dao động, và cường độ ánh sáng tương ứng với số photon. Ánh sáng là một sóng điện từ có các tính chất khác nhau do tác động của các hạt nhỏ gọi là photon mà mắt thường không nhìn thấy được.

Einstein suy đoán rằng khi các electron bên trong vật chất va chạm với các photon, hạt trước sẽ lấy đi năng lượng của hạt sau và bay ra ngoài. Một số bạn có bằng chứng về ý tưởng này trong chính ngôi nhà của mình – các tấm pin mặt trời! Tóm lại, ông ấy đang nói rằng ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon đó là độ cao của tần số dao động của chúng, và cường độ ánh sáng liên quan đến số lượng photon.

Einstein đã có thể chứng minh lý thuyết của mình bằng cách suy ra hằng số Planck từ các thí nghiệm của ông về hiệu ứng quang điện. Các tính toán của ông đã cho Planck một giá trị không đổi là 6,6260755 x 10-34, chính xác là những gì Max Planck thu được vào năm 1900 thông qua nghiên cứu của ông về sóng điện từ. Rõ ràng, điều này cho thấy rằng có một mối quan hệ chặt chẽ giữa các tính chất dao động và tần số của ánh sáng dưới dạng sóng và các đặc tính và động lượng của ánh sáng như một hạt. Sau đó, vào những năm 1920, nhà vật lý người Áo, erwin schrödinger đã nghiên cứu kỹ lưỡng những ý tưởng này với phương trình hàm sóng lượng tử của mình để mô tả sóng trông như thế nào.

Hơn một trăm năm trước, các nhà vật lý Thụy Sĩ tại EPFL đã chụp được bức ảnh chụp nhanh đầu tiên về hành vi kép này kể từ khi Albert Einstein chứng minh bản chất kép của ánh sáng. Một nhóm nghiên cứu do fabrizio carbone dẫn đầu đã tiến hành một thí nghiệm tài tình vào năm 2015, trong đó một tia laser được sử dụng để bắn các dây nano, khiến các electron dao động. Ánh sáng truyền theo hai hướng có thể có dọc theo đường mỏng này, giống như một chiếc ô tô trên đường cao tốc. Khi các sóng ngược chiều gặp nhau, chúng tạo thành một làn sóng mới dường như là sóng đứng yên. Tại đây, sóng dừng này trở thành nguồn sáng cho thí nghiệm, tỏa ra xung quanh dây nano. Chùm sáng bắn ra một chùm electron mới để tạo ra hình ảnh sóng dừng của ánh sáng như một dấu vết của bản chất sóng của ánh sáng. Các kết quả được hiển thị dưới đây.

Một photon trông như thế nào

Bạn đã bao giờ tự hỏi các photon có hình dạng gì chưa? Các nhà khoa học đã cân nhắc câu hỏi này trong nhiều thập kỷ, và cuối cùng, vào năm 2016, các nhà vật lý Ba Lan đã tạo ra những hình ảnh 3D đầu tiên về các hạt ánh sáng. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Warsaw đã tạo ra ảnh ba chiều bằng cách bắn đồng thời hai chùm ánh sáng vào bộ tách chùm làm bằng tinh thể canxit. Một bộ tách chùm tương tự như một nút giao thông đèn giao thông, vì vậy mỗi photon có thể đi thẳng qua hoặc quay lại. Khi một photon độc lập, mỗi con đường có khả năng như nhau, nhưng khi có nhiều photon tham gia hơn, chúng sẽ tương tác và tỷ lệ chênh lệch thay đổi. Nếu bạn biết hàm sóng của một trong các photon, bạn có thể tìm ra hình dạng của hạt thứ hai từ vị trí của đèn flash xuất hiện trên máy dò. Hình ảnh thu được trông hơi giống một cây thánh giá Maltese, giống như một hàm sóng được dự đoán từ phương trình Schrödinger.

Hình ba chiều của một photon đơn lẻ được tái tạo từ một phép đo sơ bộ có thể được nhìn thấy ở bên trái, so với hình dạng photon được dự đoán về mặt lý thuyết ở bên phải. Nguồn: fuw

Thông tin cơ bản về photon

• Ánh sáng không chỉ bao gồm các photon, mà tất cả năng lượng điện từ (tức là vi sóng, sóng vô tuyến, tia X) đều bao gồm các photon.
• Khái niệm photon ban đầu được Albert Einstein bao gồm các photon. Tuy nhiên, nhà khoa học Gilbert N. Lewis là người đầu tiên sử dụng từ “photon” để mô tả nó.
• Lý thuyết cho rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng và hạt được gọi là lý thuyết đối ngẫu sóng-hạt.
• Các photon luôn trung hòa về điện. Họ không có phí.
• Các photon không tự hủy.

Lisacco

Nguồn: zmescience

Xem thêm: nam cường sinh năm bao nhiêu