4. osztály - Fizika
2. Az elektromágneses sugárzás kvantum természete
Elektromágneses hullámok
Az elektromágneses hullámok (eletromágneses sugárzás) egymásra merőlegesen haladó oszcilláló elektromos és mágneses tér, mely a térben hullám formájában terjed.
Ez a sugárzás az elektromágneses interakció (erő) hordozója és lehet úgy tekinteni mint hullám vagy mint részecske az esettől függően.
Részecskéi (kvantumai) a fotonok. A 380 nm és 780 nm közötti hullámhosszú elektromágneses sugárzás az emberi szem számára is látható, emiatt látható fénynek nevezik. Az összes elektromágneses sugárzás elrendezhető frekvencia (hullámhossz, energia) szerint, ekkor kapjuk az elektromágneses spektrumot. Az elektromágneses sugárzás fizikáját az elektrodinamika írja le.
Az elektromágneses hullámokat elsőnek James Maxwell látta elő 1863-ban amíg magyarázatot próbált találni az elektromos áram indukálás jelenségét a mágneses térben és fordítva. Később Heinrich Rudolf Herz megerősítette ezt az elméletet létrehozva rádióhullámokat melyeket a laboratóriuma másik oldalán detektált egyszerű elektromos áram oszcilásával a vezetékben (ezzel bemutatta az antenna kezdetleges formáját)
Minden töltés a mozgássebessége változtatásával elektromágneses teret hoz
létre. Ez az adat a térben fénysebességgel terjed és az elektromágneses hullám
megfelelő tulajdonságai közvetlenül kötődnek a töltés mozgássebesség
dinamikájához. Amennyiben egy vezetékünk van melyben a töltés oszcillál, a
létrejött elektromágneses hullámnak ugyanaz lessz az oszcillálási frekvenciája.
Amennyiben az elektromágneses sugárzást úgy nézzük mint részecske kibocsátást
(fotonok), az energia melyet hordoznak közvetlenül fűződik a hullámhosszhoz
illetve a hullám frekvenciájához. Minnél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb a
fotonok energiája. A pontos arányt a Planck kapcsolat adja:
E = h*ν ahol az Е a foton energiája, a h a Planck állandó, a ν a
hullám frekvenciája (kis Görög ní betű).
Mint ahogyan az oszciláló elektromos áram a vezetékben elektromágneses teret hoz létre, ugyanúgy az oszciláló elektromágneses tér elektromos áramot hoz létre a vezetékben (ugyanolyan oszcilációval). Ilyen módon lehetséges az adatot küldeni az adótól a vevőig ami az alapja a drótnélküli kommunikációnak.
Az elektromágneses sugárzás tulajdonságai a hullámhosztól föggenek és elektromos, rádió és mikrohullámokra osztódnak, tovább infravörös, látható és ultraibolya fényre, x és gamma sugarakra. A teljes elektromágneses hullámhosz terjedelemét elektromágneses spektrumnak nevezik.
A vákuumban az elektromágneses hullámok fénysebességgel terjednek, amíg a gázokban vagy folyadékokban a spektrum egyes részei felszívódnak illetve szétszóródnak az anyag részecskéi káotikus mozgása végett és a hullám nem halad egyenesen és úgy tűnik hogy lasabban halad a fénysebességnél.
Hőmérsékleti sugárzás
Hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük az anyag hőmozgása miatti kibocsátott elektromágneses sugárzást. A testek minden T > 0K hőmérsékleten elektromágneses hullámokat bocsátanak ki a környezet hőmérsékletétől függetlenül.
A sugárzás kibocsátásakor (emisszió) lényegében a test belső energiája átalakul elektromágneses energiává, a sugárzás elnyelésekor (abszorpció) pedig az elektromágneses energia alakul belső energiává.
A hőmérsékleti sugárzás példája az infravörös sugárzás, melyet a radiátorok vagy a villanymelegítők sugároznak. Egy személy a tűz vagy bármelyik forró tárgy közelében érezni fogja a hősugárzást, mégha a környező levegő nagyon hideg is. A Nap hőmérsékleti sugárzása melegíti a Föld egy felületét nappal, amíg éjjel ugyanaz a Föld felülete hősugárzást bocsájt vissza az űrbe.
Minden test vagy anyag elektromágneses hullámokat sugároz amikor a test hőmérséklete nagyobb az abszolút nullától. A sugárzás képviseli a test hőenergiájának átalakulását elektromágneses energiává és emiatt nevezik hőmérsékleti sugárzásnak. Ellenkezőleg minden test vagy anyag elnyeli az elektromágneses hullámokat egy bizonyos színtig. Amennyibena a test abszorbálja a teljes sugárzást mely érinti minden hullámhosszon, azt a testet abszolút fekete testnek nevezik. Amennyiben az abszolút fekete test felületén a hőmérséklet arányosan van elosztva, a test jellegzetes frekvencia felosztásban sugároz mely a hőmérséklettől függ. Ez az abszolút fekete test sugárzása.
A grafit tulajdonsága megközelíti az abszolút fekete test tulajdonságait. Laboratóriumi feltételekben az abszlút fekete test egy belül grafittal bevont üreg minek a falán egyetlen pici lyuk van. Egy ilyen üregbe belépve a sugárzás szinte teljesen elnyelődik, hiszen nagyon kicsi a valószínűsége, hogy a sokszoros visszaverődés után éppen visszataláljon a lyukhoz és azon kilépjen. A hőmérséklete egyenlegesen van felosztva.
Amennyiben a hőmérséklete elég magas az abszolút fekete test izzani kezd. A Drapper pont az a hőmérséklet melynél a szilárd test sötétvörösen kezd világítani és az értéke 798K (525oC). A 1.000K hőmérsékletnél a nyílás piros a 6.000K hőmérsékletnél a nyílás fehér. Magosabb hőmérsékleteknél bármilyen kályha, bármilyen anyagbóljól közelíti meg az abszolút fekete testet.
Az abszlút fekete test sugárzás fügvényének a számítása vólt a 19-ik század elméleti fizikájának a legnagyobb kihívása.
Planck sugárzási törvénye
Az abszolút fekete test sugárzás számítását Max Planck oldotta meg 1901-ben. Feltételezte hogy az energia kibocsátás nem folytonos, hanem csak diszkrét adagokban lehetséges - kvantumokban. A megengedett energiák egy legkisebb adagnak, az energiakvantumnak – csak egész számú többszörösei lehetnek.
A Planck törvénye leírja a polarizálatlan elektromágneses sugárzás intenzitását (specifikus erejét) a teljes hullámhossz spektrumban melyet az abszolút fekete test sugároz, a hőmérséklet fügvényében (T).
Ahol:
- I(v,T) a fekete test kisugározott erő egységnyi felületén, merőleges a felületre, egységnyi frekvencián, a fekete test T hőmérsékletén
- h a Planck állandó
- c a fénysebesség a vákuumban
- k a Boltzmann állandó
- v az elektromágneses sugárzás frekvenciája
- T a test hőmérséklete
Kirchoff-féle sugárzási törvény
Bármely testnél egy adott hullámhosszon és hőmérsékleten a spektrális emisszióképesség és az abszorpcióképesség hányadosa állandó, nem függ a test bármilyen tulajdonságától, kizárólag a hőmérséklettől és a hullámhossztól.
A Kirchoff törvénye szerint a test mely jobban sugároz, jobban is abszorbál. Az összemisszió-képessége az abszolút fekete testnek a legnagyobb, vagyis egy adott hőmérsékleten a fekete test sugároz a legjobban.
Wien-féle eltolódási törvény (Wien 1. törvénye)
A Wien első törvénye szerint az abszolút fekete test sugárzásás intenzitás fügvényének a görbéje, ahogy a hőmérséklet nő, mozdul a rövidebb hullámhosszak felé. A törvényt Wien törvénynek is nevezik, a Planck törvényéből ered.
Ahol a:
- λmax hullámhossz melyen a sugárzás maximuma érhető el
- T az abszolút fekete test hőmérséklete
- b Wien állandó az értéke 2,897768551x10-3 mK
Wien 2. sugárzási törvénye
Wien második törvénye a maximális intenzitásérték hőmérsékletfüggését adja meg. Eszerint a maximális intenzitás értéke a hőmérséklet ötödik hatványával arányos.
Stefan–Boltzmann-törvény
Az abszolút fekete test összemisszió-képessége egyenesen arányos a termodinamikai (abszolút) hőmérséklet negyedik hatványával:
Fényelektromos jelenség
A fotoelektromos hatás (fotoeffektus, fényelektromos jelenség) a küszöbszintnél nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás (például látható fény vagy ultraibolya sugárzás) által egy anyag (leginkább fém) felszínén lévő elektronok kiváltása. Ezt a jelenséget Hertz fedezte fel 1887-ben. Nincs elektronkibocsátás a határfrekvencia alatt, mert a foton nem tud elég energiát biztosítani ahhoz, hogy kilépjenek az atomos kötésből.
A fotoelektromos hatás tovább segítette a hullám-részecske kettősség felismerését, mely szerint a részecskék (jelen esetben fotonok) mind hullámszerű, mind részecskeszerű tulajdonságokkal rendelkeznek, és ezek az elképzelések a kvantummechanika kialakításában fontos szerepet játszottak. A fotoelektromos hatást Albert Einstein magyarázta meg 1905-ben, amiért megkapta az 1921. év Fizikai Nobel-díját. Ezt a munkáját kiterjesztve Max Planck végzett jelentős kutatásokat.
Einstein fényelektromosság egyenlete
Einstein fényelektromos jelenséget a következő képlettel adta meg:
Ahol a:
- hv a foton energiája
- Ai az elektron eltávolításához szükséges munka (kilépési munka)
- mv2/2 a kibocsátott elektron mozgási energiája
Fotonok
A foton az elektromágneses sugárzások, többek között a fény elemi részecskéje, legkisebb egysége, kvantuma. A modern fizika területén a foton az elektromágneses jelenségekért felelős elemi részecske. Az elektromágneses kölcsönhatás közvetítője és a fény és a többi elektromágneses hullám minden formájáért ez a részecske felelős. A fotonnak nulla az invariáns (nyugalmi) tömege és a c sebessége állandó, a vákuumbeli fénysebesség. Közegben látszólag lelassul, azonban ez csak az anyag részecskéiről való ide-oda verődés következménye, mivel így nagyobb utat kell megtennie egységnyi idő alatt. A visszaverődés mellett anyag jelenlétében el is nyelődhet, a frekvenciájával arányos energiát és lendületet közvetítve. Mint minden kvantum, a fotonnak is vannak hullám- és részecsketulajdonságai, teljesül rá a hullám-részecske kettősség. A fotont kis Görög gamma betűvel jelölik (γ), emiatt gyakran gamma-kvantumoknak is hívják (magos energiájú fotonok). A foton a Standard modell alapján bozon.
A foton modern elméletét fokozatosan (1905–1917 között) fejlesztette ki Albert Einstein, hogy olyan jelenségeket magyarázzon, amelyek nem illeszkednek a fény klasszikus hullámmodelljébe. A fotonmodell részben számot ad a fény energiájának frekvenciafüggéséről, és megmagyarázza, hogyan lehet termikus egyensúlyban az anyag és a sugárzás. Más fizikusok ezeket a megfigyeléseket félklasszikus modellekkel próbálták magyarázni, melyben a fényt továbbra is a Maxwell-egyenletek írják le, de az anyag – amely a fényt elnyeli és kibocsátja – kvantumos. Habár ezek a félklasszikus modellek hozzájárultak a kvantummechanika fejlődéséhez, a további kísérletek Einstein hipotézisét igazolták, hogy a fény maga kvantált; a fény kvantumai a fotonok.
A foton fogalma a kísérleti és elméleti fizika jelentős fejlődéséhez vezetett, mint például a lézerek, a Bose-Einstein kondenzáció, a kvantumtérelmélet és a kvantummechanika valószínűségi értelmezése. A részecskefizika standard modellje szerint a foton felelős mindenféle elektromos és mágneses mező létrehozásáért, és a tulajdonságai abból következnek, hogy a fizikai törvényeknek bizonyos szimmetriáknak kell hogy eleget tegyen a téridő minden pontjában. A foton „belső” tulajdonságai – a töltés, tömeg és a spin – meghatározhatóak ilyen mértékszimmetriák tulajdonságaiból. A fotonnak számos technológiai alkalmazása van, mint a fotokémia, a nagy felbontású mikroszkópia és a molekuláris távolságok mérése. Újabban a fényt, mint a kvantumszámítógép elemét vizsgálják, valamint kifinomult alkalmazásait az optikai kommunikációban, mint például a kvantumkriptográfiát.
Alaprészecskék
Ahogy a fizikusok az elemi részecskékről kezdtek elmélkedni és amikor elég nagy számú erős részecskegyorsítót építettek, melyekben nyomoztak utánnuk, a feltalált részecskék száma növekedni kezdett. Úgy tűnt hogy a világ bónyolúlt kezdett lenni. Több mint 200 elemi részecskét találtak fel. A fizika szembesült egy nagy problémával, hogyan is rendszerezzenek ilyen nagy számú részecskét. Egy alkalommal Enrico Fermi (Nóbel díjjas fizikus) így felelt egy egyetemistájának (jövőbeli Nóbelíjjasnak, Leon Ledermennak): "Fiatalember, ha megtudnám jegyezni az összes részecske nevét, botanikus lennék."
Valahol 1970. és 1973. között létrejött a részecskefizika standard modellje. Ez az elmélet leírt minden adddig ismert elemi részecskét, és előrelátta a részecskéket melyek később lettek feltalálva. A legfontosabb az vólt amit ez a modell bizonyított hogy a természet nem is annyira bónyolúlt mint ahogy eleinte látszott, az alaprészecskék száma sokkal kevesebb vólt mint az elemi részecskék száma. Szükséges felfigyelni a különbségre az alaprészecskék és az elemi részecskék között. Az alaprészecskéknek nincs belső struktúrájuk, ezeket a részecskéket magyarázza a standard modell. Az elemi részecskék a részecskék melyek körülöttünk vannak, és az elemi részecskék az alaprészecskékből vannak felépítve. A részecskékenk kívül a standard modell leírja a három kölcsönhatást: az erőset, a gyengét és az elektromágneseset. Ez az elmélet összhangban vólt a kvantummechanikával és a speciális relativitáselmélettel.
A részecskék egyik alaptulajdonsága a spin. A spin az egyik részecsketulajdonság a kvantummechanikában. A spint lehetetlen elképzelni, nem lehet találni valami hasonló tulajdonságot mely ismerős számunkra tapasztalatunkból. Néha az van mondva hogy a spin a részecske rotációja, de az a rotáció furcsa. Nehéz megérteni azt hogy mi a spin, de a kísérletek bizonyítják hogy létezik és hogy jelentős tulajdonsága a részecskéknek. A spin értéke pozitív és negatív számokkal van kifejezve. A spin előtti jel magyarázza a spin irányát (spin le vagy spin föl).
A spin alapján minden részecske két csoportra osztható: fermionok és bozonok. A bozonok a kölcsonhatás részecskék. Egészszámú a spinjük (0, 1, 2 ) és az kölcsönhatást közlik (az anyagrészecskéivel közlik az adatot a kölcsönhatásról). A fermionokból van felépítve az anyag. A spinjük feles (1/2). Még egy fontos különbség van a fermionok és bozonok között: a fermionokra vonatkozik a Pauli elv, amíg a bozonokra nem vonatkozik (a Pauli elv vagy Pauli kizárási elv szerint két részecske nem foglalhat egyidejűleg egy kvantumállapotot).
A fermionok két részecskecsoportból állnak: leptonok és kvarkok. Az összes fermion három korosztályba van csoportosítva. Mindegyik korosztályban van egy pár lepton és egy pár kvark. Az első korosztálybeli fermionoknak van a legkisebb tömege, amíg a harmadik korosztálybeli fermionoknak van a legnagyobb tömege.
Leptonok
A leptonok három elektromos töltésel rendelkező részecskét és három semleges részecskét. Az elektromos töltésel rendelkező részecskék: elektron, muon és tau. A töltésük egységes negatív és a spin 1/2. A tömegjük különbözik. Az elektron a legkönyebb (0.511MeV), a muon valamivel nagyobb tömeggel rendelkezik, amíg a tau a legnehezebb (1777MeV).
Mindegyiknek a három lepton közül megfelel egy nagyon kis tömegű lepton, melynek nincs elektromos töltése. Ezeket a leptonokat neutrinoknak nevezik. A neutrinok furcsa részecskék. Színte nem is lépnek kölcsönhatásba és alig érzékelik a kölcsönhatást. Három féle neutrino létezik elektron, muo és tau-neutrino. Úgyanúgy ahogy az elektronos töltésel rendelkező leptonoknál a neutrinoknál is a tömegjük különbözteti őket, a legkönyebb az elektron és a legnehezebb a tau-neutrino.
A II és a III korosztályú leptonok nem stabilak és szétbomlanak könyebb leptonokra. Az elektromos töltésű leptonok bomlásánál az egyik maradék mindíg egy neutrino abból a korosztályból melyből a szétbomlandó lepton is van. A neutrinoknál észrevehető az "oszcillálás", illetve a neutrino átmenetele egyik korosztályból a másik korosztályba.
Mindegyik leptonnak megvannak az antirészecskéi is. Az elektromos töltésű részecskéknek az antirészecskéi azonosak minden tulajdonságukban, csak a töltés előjelében különböznek. Úgy a három lepton töltése negatív, és az antirészecskéi pozitív töltésűek, a töltésmennyiségük meg egyforma. Az elektromos töltésnélküli leptonoknál (neutrinok) a helyzet valamivel különbözik. Úgy mondják hogy a neutrinok saját maguknak az antirészecskéi. A három neutrino és a megfelelő antirészecskéit a spin iránya különbözteti.
Kvarkok
A kvarkokból vannak felépítve a protonok, neutronok és sok más részecske. Hat kvark van és három korosztályban vannak felosztva. Az első korosztályhoz tartoznak a kvark fel (up) és le (down), a második korosztályban a kvark bájos (charm) és furcsa (strange), amíg a harmadik korosztályban a kvark felső (top) és alsó (bottom). A "kvark" elnevezés a James Joyce "Finnegans wake" könyvéből lett kölcsönözve. Ezeknek a furcsa elnevezéseknek semmi fizikai jelentőségük nincsen, az elnevezések tetszőlegesen lettek kiválasztva, a könnyebb megjegyzés vólt az ilyen elnevezések választásának az oka.
A kvarkok ilyen érdekes nevekkel nagyon érdekes részecskék. Nem jelennek meg önnálóan, csakis másik kvarkokkal és így építik fel a világot körülöttünk. Az anyag mely kőrbevesz bennünket első korosztályú kvarkokból (és leptonokból) van felépítve. A természetben minden a minimális potenciális energia felé törekszik, úgy hogy a súlyosabb kvarkok gyorsan szétbomlanak könnyebb kvarkokra. Emiatt a részecskék melyek a II és III korosztályú kvarkokból vannak felépítve, nagyon rövid ideig léteznek. A különbség a leptonokhoz viszonyítva (melyek érzékelik mindegyik kölcsönhatást, kivéve az erőset), a kvarkok mind a négy kölcsönhatást érzékelik.
Mindenki biztos jól emlékszik fizikaórákra melyeken úgy lett tanítva hogy a legkisebb töltés az mely az elektronnak van, melyet e-vel jelölnek, nem éppen így van. A kvarkok töltésének az értéke 1/3 vagy 2/3 az elektron töltésének.
A kvarkok észlelése nehéz mivel nem léteznek önnállóan, mindíg valami nagyobb tömegű részecskében vannak, más kvarkokkal. Az egyedüli módja az észlelésnek közvetett, mely után az eredmények ellenőrzése következik, hogy az eredmények megegyeznek-e az elmélet által előrelátott értékekkel. Csak öt év elteltével a kvarkok elméleti előrelátás után, meg lett a kísérleti bizonyítás is (1969-ben). Az utolsó kvark, a top kvark nagy kihívást jelentett a kísérleti fizikusok számára. Sokáig vólt nyomozva utánna és a Fermilab-ban lett 1995-ben észlelve.
Úgy ahogy a többi részecskének, a kvarkoknak is léteznek antirészecskéi, melyek a spin és a töltésben különböznek.
A kvarkok építőelemek melyek sok más részecskében találhatóak, ezeket a részecskéket hadronoknak hívják. A hadronok melyek három kvarkból állnak barionoknak nevezik. A barionok közé tartoznak a jól ismert proton (uud - kvarkok) és a neutron (udd). A mezonok hadronok melyek egy kvark és egy antikvarkból vannak felépítve. A mezonok nem stabilak, 10-20 másodperc nagyságrendű az életük. A hadronok antirészecskéi, például antiproton és antineutron antikvarkokból vannak felépítve.
Az egyik barion mely megzavarta a fizikusokat és kis gyanút vetett a standard modellre a barion Δ++ vólt, mely három up kvarkból áll (uuu). A probléma mely megjelent a Pauli kizárási elv következménye vólt. Az ismert fizika törvényei alapján két kvarknak ugyanolyan spin-jük kellet hogy legyen, amit a Puli elv nem engedélyezett. Annak alapján amit a fizikusok addig tudtak hogy ez a részecske nem létezhet, és mégis ez a részecske ennek ellenére létezett. Ez a relytély hamarosan megoldódott, meg lett állapítva hogy a kvarkoknak az elektromos töltésen kívül, van még egy töltése - a színe. Itt a színnek nincs valódi jelentése, a kvarkok túl kis részecskék hogy színük legyen, ez az elnevezés hasonlóképpen lett kiválasztva mint az elnevezésük, a könnyebb megjegyzés vegett. A kvarkok három színben jelennek meg. Ahogy a töltés az elektromágneses kölcsönhatásal van összefüggésben, a szín töltés az erős kölcsönhatásal van összefüggésben. A színek bevezetése megoldotta az Δ++ részecske problémáját egyszerűen, a kvarkok melyekből ez a részecske van felépítve különböző színűek, és a Pauli elv érvényes továbbra is.
Kölcsönhatások
A standard modell a kvarkok és a leptonokon kívül az alapkölcsönhatásokat is tartalmazza, valamint a részecskéket melyek közlik az alapkölcsönhatásokat. A legismertebb az elektromágneses kölcsönhatás. Minden töltésel rendelkező test között szerepel ez a kölcsönhatás, a hordozója meg a foton. A foton olyan részecske melynek nincs nyugalmi tömege, nincs töltése a spin értéke 1.
A következő kölcsönhatás a gyenge. Ez az kölcsönhatás felelős egyes folyamatokra az atomok színtjén, a legismertebb a béta-bomlás. Ahogyan a foton az elektromágneses kölcsönhatás hordozja, úgy a W és Z bozonok a gyenge kölcsönhatás hordozójai. Sheldon Glashow, Abdus Salam és Steven Weinberg 1979-ben Nóbel díjjat kaptak, mivel bebizonyították hogy az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatások eggyéválnak bizonyos nagy energiaértékeknél. Ez az egyesített kölcsönhatást elektrogyenge kölcsönhatásnak lett elnevezve. Ez vólt a megerősítése annak az ötletnek mely szerint mind a négy kölcsönhatás valamikor egy vólt, és csak később a világűr fejlődésével történt az elválásuk.
Az erős kölcsönhatás a legerősebb, de a hatása kis távolságokon észlelhető, atommag nagyságrendnyi távolságokon észlelhető. Ez a kölcsönhatás felelős az atommagok stabilitásáért és a részecskék stabilitásáért melyekből az atommag van felépítve. E kölcsönhatás hordozói a gluonok, melyek 1979-ben lettek felfedezve Petra részecskegyorsítóban (DESY, Hamburg, Németország). Ennek a kölcsönhatásnak a jellegzetesége hogy a távolság növekedésével az intenzitása nő (ellentétben a többi kölcsönhatásal). E kölcsönhatás úgy történik hogy a kvarkok cserélik egymás között a gluonokat. Az erős kölcsönhatás, melyet színkölcsönhatásnak is neveznek, különböző színű kvarkok között hat és biztosítja a protonok és neutronok stabilitását. Erős kölcsönhatás, de valamivel kiseb intenzitásal hat a kvarkok között melyek különböző protonok vagy neutronok részei. Ez a kölcsönhatás melyet nukleárisnak neveznek, felelős az atommagok stabilitásáért.
A gravitációs erő nem illik a standard modellbe. A gravitáció le van írva az általános relativitáselméletben és a legnagyobb kihívások közé tartozik az elméleti fizika számára hogy meg legyen találva az elmélet mely "összeköti" a relativitást a standard modellel.
A standard modell meghatározása után néhány évtized elmúlásával a kísérletek bebizonyítottak csaknem mindent amit az elmélet az előrelátott. Csak egy dolgot maradt, a Higgs bozon megtalálása. Ez a részecske kellene hogy megadja a választ arra az egyszerű kérdésre hogy "miért létezik a tömeg". A standard modell előrelátja e részecske létezését, a részecske még nem lett érzékelve, de a közeli jövőben számítani lehet erre. A fizikusok reménykednek hogy az LHC részecskegyorsító mely jövőre kell hogy üzembe legyen helyezve, lehetővé teszi e részecske érzékelését. Ez lenne a standard modell teljes megerősítése.
Mi így gondoljuk. Elmúlt 2500 év az első elképzelésektől az atomokkal kapcsolatban. Az elképzelés az atomokról sok módosítást élt át. A négy elemtől az absztrakt fogalmakig jutottunk és 12 részecskéig (ugyanannyi antirészecske is, és ez mind három színbe festve). Ez pillanatnyilag a legjobb elmélet mely leírja a világot körülöttünk, de a fizikusok tudják hogy ez még nem a vége. Ez igen, a mi mesénk vége, az atomok történelméről, de ez nem a vége a részecskék fizikájának, mivel senki sem tudja előrelátni mit is hoznak a jővő évek és évtizedek a tudománynak.
Megjegyzés: A szerző ezt a szöveget 2007.06.11-én írta.
szerző Milan Milošević
forrás www.svetnauke.org
A fotonok tömege és impulzusa
A foton tömegtelen, nincs elektromos töltése és nem bomlik spontán módon az üres térben. Két lehetséges polarizációs állapota van, és három folytonos paraméterrel írható le: a hullámvektorának komponenseivel, amelyet meghatároz a λ hullámhossza és terjedésének iránya. Többféle természetes folyamat során keletkezhet, például ha töltést gyorsítunk, amikor egy atom vagy egy atommag magasabb energiaszintről alacsonyabbra ugrik, vagy amikor egy részecske és az antirészecske találkozva megsemmisíti egymást. A foton elnyelése az előbbi folyamatok időben fordított változatában történhet: például részecske-antirészecske párok keltésével vagy atomok és atommagok magasabb szintre kerülésével.
Mivel a foton tömeg nélküli, ezért c-vel (vákuumbeli fénysebességgel mozog) és az energiája E = mc2 és a p impulzusa a következő összefüggésben vannak egymással: E = cp.
Összehasonlításul a nyugalmi tömeggel rendelkező részecskék esetén: E2 = c2p2 + m2c4, a speciális relativitáselmélet szerint.
A foton energiája és lendülete csak a frekvenciájától függ (E=hv). A foton lendülete:
Ahol a:
- ℏ Dirac állandó, mely egyenlő h/2π
- k hullámvektor mely egyenlő 2π/λ
- ω körfrekvencia mely egyenlő 2πν
A fény nyomása
A fény nyomás létezését még 1871 Maxwell (a korszerű elektromágnesség elmélet alkotója) feltételezte és kísérletileg igazolta Lebegyev 1900-ben. A legegyszerűbb magyarázat módja az hogy a fotonok olyan részecskék melyeknek az impulzusa p, melyek ütközésel átadják az impulzust. Teljes az analógia a gázmolekulákkal melyek ütközések által nyomást gyakorolonak az edény falaira. Ezt bizonyították Japán tudósok 2010-ben az IKAROS napvitorlásal. Bebizonyították a lehetőségét a fénynyomás alkalmazását hajtóerőként. (Ugyanúgy ahogy a szél által a levegő molekulái az impulzusukat átadják a vitorlának, úgy a fotonok az impulzusukat átadják a napvitorlának).
Amennyiben a fotonnak tömege és impulzusa van nyomást kell hogy gyakoroljon a mozdulatlan felületre melyel ütközik, illetve esik.
Amikor a fény ráesik a test felületére, a fény egy része tükröződik a másik része elnyelődik. Mindkét (tükrözött és elnyelt) része a fénynek nyomást gyakorol a felületre.
A kvantum elmélet a fény nyomását úgy magyarázza hogy a fotonok átadják az impulzust a felületnek, illetve erővel hatnak rá.
Tegyük fel, hogy az egységnyi felületre időegység alatt v frekvenciájú N darab foton esik. A fotonok egy része vissaverődik RN, a másik része (1-R)N elnyelődik. (R – a felület reflexió együtthatója).
A nyomás melyet a fény a felületre gyakorol:
Mivel a teljes energia: E = Nhv, a fénynyomás végleges képlete következik mint:
A fény nyomása nagyon kis értékű. A napfény nyomása egy testre mely a Földön van körülbelül 5×10-6Pa. Ez a nyomás megközelítőleg 10 milliárdszor kisebb mint a légköri nyomás.
Compton-szórás
A fizikában a Compton-szórás vagy más néven a Compton-hatás akkor lép fel, ha nagy energiájú elektromágneses sugárzás és anyag kölcsönhatásba kerül. Ilyenkor ha egy röntgenkvantum atomban kötött elektronnal ütközik, akkor energiájának csak egy részét adja át az ütközés után kibocsátott Compton-elektronnak, és emiatt kisebb energiával, (nagyobb hullámhosszal) hagyja el az atomot.
A szóródás során az elektromágneses sugárzás részecskéjének (a fotonnak) energiája a meglökött elektronnak átadott energiával csökken – így a foton hullámhossza megnövekszik, mivel a kvantummechanika szerint a foton energiája arányos a frekvenciájával, E = hv. Ez a fény klasszikus hullámelméletével nem magyarázható, ugyanis a klasszikus hullámoknak szóródásuk során nem változik a frekvenciája (ahogy a hang magassága sem függ attól, hogy a keletkezése után min szóródott).
Ez a jelenség fontos, mivel bizonyítja a sugárzás részecske természetét. A jelenség felfedezésért és magyarázatért Compton megkapta fizikából a Nóbel díjjat 1927-ben.
A Compton-szóródás során a szóródás minden anyagnál jelentkezik, leginkább a középeneriájú fotonoknál 0,5-tól 3,5 MeV-ig.
A fény részecske-hullám kettősége
A közel múltig még nem létezett kísérlet mely egyidejűleg bizonyítaná a fény mindkét, a részecske és hullám tulajdonságát. Csak olyan kísérletek léteztek melyek bizonyították a fénynek vagy a részercske vagy a hullám tulajdonságokat.
Albert Einstein elnyerte a fizikai Nobel-díjat 1921-ben ("for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"), különösen a fotoelektromos hatás törvény felfedezésére. Einstein azt mutatta, hogy a Planck-energia kvantumnak jól definiált lendülete kell hogy legyen és úgy viselkedik, mint egy független részecske (foton). Így született hullám - részecske dualizmus elmélet a kvantummechanikában. A foton elnevezést később, 1926-ban G. Lewis vezette be.
Az új kísérlettel a tudóscsapat az EPFL-ről (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), Svájcból, Fabricio Carbone vezetésével a közelmúltban elsőként készített felvételt a fény kettős viselkedéséről, amely megjelent vezető tudományos folyóiratban a Nature Communications-ban:
Piazza L, Lummen TTA, Quiñonez E, Murooka Y, Reed BW, Barwick B, Carbone F.
"Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern
of a plasmonic near-field".
Nature Communications 02 March 2015. DOI: 10.1038/ncomms7407.
Kísérleti beállítás a következő vólt: a lézer fény egy nagyon vékony fémvezetéknek (nanoszálnak) irányul. Lézer energiát ad át a részecskéknek melyek vibrálnak. A fény a vezeték mentén a két lehetséges irányban halad. Amikor a hullámok melyek ellentétes irányban haladnak találkoznak, olyan hullámot alkotnak mely úgy tűnik hogy áll. Itt a kísérletben az állóhullám lesz a fény forrása mely a nanoszál körül sugároz.
A tudósok elektron sugarat küldek a nanoszál felé és elektronokat használták hogy lefilmezzék a fény állóhullámot. Mivel az elektronok a nanószál fénnyel kölcsönhatásba léptek, felgyorsultak vagy lelassultak. Ultragyors mikroszkóp segítségével lettek felvéve a helyek melyekben a sebességváltozás történt, a csapat vizualizálhatta az állóhullámot amely a fény hullámtulajdonságát képviselte. Ugyanakkor ez a kísérlet mutatja a fény részecske tulajdonságát is. Amikor az elektronok az állóhullám mellett haladnak el, összeütköznek a fény részecskékkel, a fotonokkal. Ez befolyásolja az elektronok sebességének a növekvését vagy csökkenését. Ez a változás az energiacsomagok (kvantumok) váltása az elektronok és fotonok között. Az ilyen energiacsomagok előfordulása azt mutatja hogy a fény a nanoszálakban úgy viselkedik mint részecske.