4. razred - Fizika

Elektromgnetni talasi

Elektromagnetni talasi (elektromagnetno zračenje) je kombinacija oscilujućeg električnog i magnetskog polja koja zajedno putuju kroz prostor u obliku međusobno upravnih talasa.

Ovo zračenje je nosilac elektromagnetske interakcije (sile) i može se interpretirati kao talas ili kao čestica, u zavisnosti od slučaja.

×

Čestice koje kvantifikuju elektromagnetsko zračenje su fotoni. Elektromagnetno zračenje talasnih dužina između 380 nm i 780 nm je vidljivo i ljudskom oku, zbog toga se zove vidljiva svetlost. Svo elektromagnetno zračenje se može svrstati po frekevenciji (talasna dužina, energija) i time se dobija elektromagnetni spektar. Fiziku elektromagnetnog zračenja izučava elektrodinamika.

×

×

×

Elektromagnetske talase je teorijski predvideo Džejms Maksvel 1863. pokušavajući da objasni efekte indukcije električne struje u magnetskim poljima i obrnuto. Kasnije je Hajnrih Rudolf Herc potvrdio ovu teoriju proizvevši radio-talase koje je detektovao sa drugog kraja svoje laboratorije jednostavnom oscilacijom električne struje kroz provodnik (time demonstriravši primitivan oblik antene).

×

Svako naelektrisanje promenom brzine kretanja generiše elektromagnetsko polje. Ova informacija se prostire kroz prostor brzinom svetlosti i osobine odgovarajućeg elektromagnetskog talasa su direktno vezane za dinamiku promene kretanja naelektrisanja. Ako imamo provodnik u kome naelektrisanje osciluje, generisani elektromagnetski talas će imati istu frekvenciju oscilovanja. Alternativno, ako elektromagnetsko zračenje gledamo kao emisiju čestica (fotona), energija koju one nose je direktno vezana za talasnu dužinu, odnosno učestanost talasa. Što je veća učestanost to je veća energija fotona. Tačan odnos je opisan Plankovom relacijom:
E = h*ν pri čemu je Е energija fotona, h je Plankova konstanta, a ν je frekvencija talasa (malo Grčko slovo ni).

Kao što oscilujuća električna struja u provodniku može da proizvede elektromagnetski talas, takav talas takođe može da u nekom provodniku indukuje električnu struju iste oscilacije, na taj način omogućavajući transfer informacije od emitora ka prijemniku, što je osnov svih bežičnih komunikacija.

Osobine elektromagnetskog zračenja zavise od njegove talasne dužine i kao takve se dele na električne, radio i mikrotalase, zatim na infracrvenu, vidljivu i ultraljubičastu svetlost, X-zrake i gama zrake. Ceo opseg talasnih dužina elektromagnetskog zračenja se zove elektromagnetski spektar.

U vakuumu se elektromagnetski talasi prostiru brzinom svetlosti, dok se pri prolasku kroz gasove ili tečnosti delovi spektra mogu apsorbovati, odnosno rasipati pri haotičnom kretanju čestica pri čemu talas prestaje da se kreće pravolinijski pa je percepcija da se kreće sporije od brzine svetlosti.

Toplotno zračenje

Termička radijacija (termalna, toplotna radijacija ili zračenje) je elektromagnetno zračenje svih tela koja se nalaze na temperaturi iznad termodinamičke temperature T > 0K nezavisno od temperature okoline.

Prilikom toplotnog zračenja (emisije) unutrašnja energija tela se pretvara u elektromagnetnu energiju a prilikom primanja zračenja (absorbcije) elektromagnetna energija se pretvara u unutrašnju energiju.

Primer toplotnog zračenja je infracrveno zračenje koje emituju radijator ili električni grejač. Osoba u blizini vatre ili bilo kojeg drugog vrućeg tela će osetiti zračenje topote, čak i ako je vazduh u okolini jako hladan. Sunčevo zračenje zagreva deo površine Zemlje tokom dana, dok noću ta površina Zemlje ponovno zrači neku topotu nazad u svemir.

Svako telo ili materija emituje elektromagnetno zračenje kada je temperatura tela iznad apsolutne nule. Zračenje prestavlja pretvaranje toplotne energije tela u elektromagnetnu energiju i zato se zove toplotno zračenje. Obratno svako telo ili materija upija elektromagnetno zračenje do nekog nivoa. Ukoliko telo upija celokupno zračenje koje padne na njega u celom rasponu talasnih dužina onda se to telo naziva idealno crno telo. Kada idealno crno telo ima ravnomerno raspoređenu temperaturu po površini ono emituje karakterističnu raspodelu frekvencija, koje zavisi od temperature. To se zove zračenje idealno crnog tela.

×

Grafit ima osobine koje ga približavaju osobinama idealog crnog tela. U labaratoriji idealno crno telo se ostvaruje sa velikim krutim telom koje je iznutra šuplje, ima mali otvor, ravnomerno raspoređenu temperaturu, skroz je mutno i samo vrlo malo odbija svjetlosti. Velika kutija sa grafitnim zidovima ravnomerne temperature i malim otvorom predstavlja skoro idealno crno telo.

Ukoliko poseduje dovoljno veliku temperaturu, idealno crno telo počinje da se žari. Draperova tačka je temperatura kada kruto telo počne svetliti tamno crveno, a iznosi 798K (525^oC). Kod 1000K otvor izgleda crven, a kada stigne do 6.000K, bele je boje. Kod većih temperatura, bilo kakva peć izrađena od bilo kojeg materijala je dobro približenje idealnom crnom telu.

Proračun krive zračenja idealnog crnog tela je bio jedan od glavnih izazova u teorijskoj fizici 19. veka.

Plankova teorija zračenja

Problem proračuna zračenja idealnog crnog tela je rešio Max Planck 1901. godine. Predpostavio je da emisija energije nije kontinualna, već se emituje samo u određenim količinama - kvantima. Dozvoljene emitovane energije su celobrojni umnošci najmanje količine energije - kvanta.

Plankov zakon opisuje intenzitet (specifičnu snagu) zračenja nepolarizovanog elektromagnetnog zračenja kod celog raspona talasnih dužina kojeg emituje idealno crno telo, zavisno od termodinačke temperature T.

×

Pri čemu je:

• I(v,T) je snaga emtitovana po jedinici površine, normalna na tu površinu po jedinici frekvencije crnog tela temperature T
• h je Plankova konstanta
• c je brzina svetlosti u vakuumu
• k je Bolcmanova konstanta
• v je frekvencija elektromagnetnog zračenja
• T je apsolutna temperatura tela

×

Kirhofov zakon zračenja

Odnos spektralne emisione moći i spektralne apsorpcione moći za bilo koje telo na temperaturi T i za određenu talasnu dužinu uvek je isti, ne zavisi od prirode tela već samo od talasne dužine i temperature.

×

Po Kirhofovom zakonu telo koje bolje emituje zračenje, bolje ga i apsorbuje. Emisiona moć apsolutno crnog tela je najveća, odnosno na datoj temperaturi crno telo emituje najjače.

Vinov zakon pomeraja (1. Vinov zakon)

Vinov zakon pomeraja je zakon koji tvrdi da kod zračenja apsolutno crnog tela, kako temperatura raste, maksimum krive intenziteta zračenja postaje viši i pomera se ka kraćim talasnim dužinama. Zakon se često naziva i samo Vinov zakon, a direktno se izvodi iz Plankovog zakona zračenja.

×

Pri čemu je:

• λ_max talasna dužina na kojoj se dostiže maksimalna vrednost intenziteta zračenja
• T termodinamička temperatura idealnog crnog tela
• b konstanta proporcije u Vinovom zakonu pomeranja naziva se Vinova konstanta i iznosi 2,897768551x10^-3 mK

×

2. Vinov zakon zračenja

Vinov drugi zakon daje zavisnost maksimalnog intenziteta zračenja od temperature. Po ovom zakonu maksimalna vrednost intenziteta je srazmerna petom stepenu temperature.

×

Stefan-Bolcmanov zakon

Ukupna količina energije j*, koju idealno crno telo zrači, po jedinici površine i u nekoj jedinici vremena, direktno proporcionalna sa četvtom stepenom termodinamičke temperature T:

×

×

Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat je emisija elektrona iz metala pod dejstvom svetlosti. Ovu pojavu je otkrio Herc 1887. godine. Pre Ajnštajna fizičare je bunilo to što više svetlosti izbija više elektrona ali im ne menja energiju. Na energiju elektrona utiče boja (talasna dužina), a ne intenzitet svetlosti. Ajnštajn je sve nedoumice rešio 1905. godine pretpostavkom da je svetlost čestične prirode tojest, da se svetlost prostire u kvantima koji su nazvani fotoni. Više fotona izbacuje i više elektrona ali energija izbačenih elektrona može da poraste samo ako poraste i energija fotona. Ta Ajnštajnova pretpostavka bila je tada toliko radikalna da joj se suprotstavljao i sam Plank, začetnik kvantne teorije.

Godine 1921. Ajnštajnu je dodeljena Nobelova nagrada za fiziku za objašnjenje fotoelektričnog efekta.

×

Ajnštajnova jednačina fotoefekta

Ajštajn je pojavu fotoefekta dao formulom:

×

Pri čemu je:

• hv energija fotona
• A_i izlazni rad elektrona iz materijala, koji predstavlja minimalnu energiju koja je potrebna da bi elektron napustio površinu određenog materijala
• mv²/2 kinetička energija fotoelektrona

Fotoni

Foton (od grčke reči svetlost) je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja. To je čestica bez mase mirovanja. Naelektrisanje fotona je takođe jednako nuli. Foton može biti samo u dva spinska stanja sa projekcijom spina na smer kretanja ±1. Tom svojstvu u klasičnoj elektrodinamici odgovaraju kružna desna i leva polarizacija elektromagnetnog talasa. Fotonu kao elementarnoj čestici je svojstven korpuskularno-talasni dualizam, on istovremeno poseduje svojstva elementarne čestice i talasa. Niz autora ubraja foton u kvazičestice zbog mase mirovanja jednakoj nuli. Foton nema masu mirovanja, slično kvazičesticama, ali ipak ne traži sredinu za svoje prostiranje, slično elementarnim česticama, u koje većina autora ubraja foton. Fotoni se obično obeležavaju malim grčkim slovom gama (γ), zbog čega ih često nazivaju gama-kvantima (fotoni visokih energija) pri čemu su ti termini praktično sinonimi. Sa tačke gledišta Standardnog modela foton je bozon. Virtuelni fotoni su prenosioci elektromagnetne interakcije koji na taj način obezbeđuju mogućnost uzajamnog delovanja između dva naelektrisanja.

×

Savremena teorija svetlosti zasniva se na radovima mnogih naučnika. Kvantni karakter zračenja elektromagnetnog polja bio je postuliran Plankom 1900. godine sa ciljem objedinjenja svojstava toplotnog zračenja. Termin "foton" uveo je hemičar Gilbert Njutn Luis 1926. godine. U godinama između 1905. i 1917. Albert Ajnštajn je objavio niz radova posvećenih protivurečnosti rezultata eksperimenata i klasične talasne teorije svetlosti, fotoefektu i sposobnosti supstance da bude u toplotnoj ravnoteži sa elektromagnetnim zračenjem.

Postojali su pokušaji da se objasni kvantna priroda svetlosti poluklasičnim modelima, u kojima je svetlost i dalje opisivana Maksvelovim jednačinama, bez uzimanja u obzir kvantovanja, a objektima koji emituju i apsorbuju (upijaju) svetlost pripisana su kvantna svojstva. Bez obzira što su poluklasični modeli uticali na razvoj kvantne mehanike (što dokazuje to da neka njihova tvrđenja i posledice istih i dalje mogu naći u savremenoj kvantnoj teoriji), eksperimenti su potvrdili tvrđenja Ajnštajna o kvantnoj prirodi svetlosti (pogledati fotoefekat). Treba primetiti da je kvantovanje svojstveno ne samo elektromagnetnim talasima, već svim oblicima kretanja, pritom ne samo talasnim.

Uvođenje pojma fotona je doprinelo stvaranju novih teorija i fizičkih instrumenata, a takođe je pogodovalo razvoju eksperimentalne i teorijske osnove kvantne mehanike. Otkriven je laser, Boze-Ajnštajnov kondenzat, formulisana kvantna teorija polja i data statistička interpretacija kvantne mehanike. U savremenom Standardnom modelu fizike elementarnih čestica postojanje fotona je posledica toga da su zakoni fizike invarijantni u odnosu na lokalnu simetriju u bilo kojoj tački prostor-vremena. Ovom simetrijom su određena unutrašnja svojstva fotona kao što su naelektrisanje, masa i spin.

Među nastavcima koncepcije fotona ističe se fotohemija, videotehnika, kompjuterizovana tomografija i merenje međumolekulskih rastojanja. Fotoni se takođe koriste kao elementi kvantnih kompjutera i specijalnih pribora za prenos podataka (kvantna kriptografija).

×

Osnovne čestice

Kada su fizičari počeli da govore o elementranim česticama i kada su izgradili dovoljno moćne akceleratore u kojima su tragali za tim česticama broj novih čestica počeo je brzo da raste. Činilo se da je svet postajao sve komplikovaniji. Pronađeno je više od 200 elementarnih čestica. Fizika je bila suočena sa velikim problemom klasifikacije ovoliko velikog broja čestica. Jednom prilikom Enriko Fermi (dobitnik Nobelove nagrade) na pitanje o nekoj čestici svom tadašnjem studentu, budućem Nobelovcu, Leonu Ledermanu odgovorio je: "Mladi čoveče, kada bih mogao da zapamtim imena svih tih čestica bio bih botaničar."

Pamćenje nikad nije bila osobina koja se mogla vezati za fizičare, oni su uvek pokušajavu da nešto razumeju i objasne. Zašto pamtiti toliko različitih stvari kada možda postoji jednostavniji način. Taj način je pronađen negde između 1970. i 1973. godine. Tada je nastao takozvani Standardni model elementranih čestica. Bila je to teorija koja je opisala sve do tada poznate elementrane čestice, a predvidela je i čestice koje su otkrivene tek kasnije, ali verovatno je najbitnije to što je ovaj model pokazao da priroda nije toliko komplikovana koliko je u izgledalo – broj fundamentalnih, osnovnih, čestica bio je mnogo manji od elementranih. Treba uočiti razliku između elementranih i fundamentalnih čestica. Pod fundamentalnim česticama podrazmevaju se čestice koje nemaju unutrašnju strukturu, to su čestice koje opisuje standardni model. Elementrane čestice su čestice koje su svuda oko nas, one su izgrađene od fundamentalnih čestica. Osim čestica standardni model opisao je i tri osnovne sile – jaku, slabu i elektromagnetnu. Ova teorija bila je u saglasnosti sa kvantnom mehanikom i specijalnom teorijom relativnosti.

Jedna od osnovnih osobina čestica je njihov spin. Spin je jedno od svojstava čestice u kvantnoj mehanici. Spin je nemoguće zamisliti, nemoguće je naći neku analogiju sa osobinama koje su poznate našem iskustvu. Nekad se kaže da spin označava rotaciju čestice, ali čudna je to rotacija. Teško je razumeti šta je spin, ali eksperimenti pokazuju da on postoji i da je to značajna osobina čestica. Vrednost spina izražava se pozitivnim i negativnim brojevima brojevima. Znak ispred broja označava smer spina (nekad se kaže spin gore ili spin dole).

Na osnovu spina sve čestice mogu se podeliti na dve grupe: fermione i bozone. Bozoni su čestice sile. Imaju celobrojni spin (0, 1, 2) i prenose interakcije (možda slikovitije rečeno, česticama materije prenose informaciju o sili). Fermioni grade materiju. Imaju imaju polu-celi spin (1/2). Još jedna bitna razlika između fermiona i bozona je to što za fermione važi Paulijev princip isključenja, a za bozone ne važi (Paulijev princip isključenja kaže da dve čestice ne mogu zaizimati isto kvantno stanje u istom vremenskom trenutku).

Fermioni obuhvataju dve grupe čestica: leptone i kvarkove. Svi fermioni su razvrstani u tri generacije. Svaka generacija fermiona sadrži po jedan par leptona i jedan par kvarkova. Generacije fermiona prve generacije imaju najmanju masu dok fermioni treće generacije imaju najveću masu.

Leptoni

Leptoni obuhvataju tri naelektrisane čestice i tri čestice bez naelektrisanja. Naelektrisani leptoni su elektron, muon i tau. Njihovo naelektrisanje je jedinično negativno, a spin im iznosi 1/2. Međusobno se razlikuju po masi. Elektron je najlakši (0.511MeV), muon nešto masivniji, a tau najmasivniji (1777MeV).

Svakom od ova tri leptona odgovara jedan lepton vrlo male mase, bez naelektrisanja. Ti leptoni nazivaju se neutrini. Neutrini su vrlo čudne čestice. Oni gotovo da ne interaguju i skoro da ne osećaju delovanje sila. Postoje tri vrste neutrina: elektronski, mionski i tau-neutrino. Kao i kod naelektrisanih leptona razlika između ovih neutrina je u masi, najlakši je elektronski a najmasivniji tau neutrino.

Leptoni II i III generacije nisu stabilni i raspadaju se na lakše leptone. U raspadu naelektrisanih leptona jedan proizvod je uvek neutrino iste generacije kao i raspadnuti lepton. Kod neutrina uočena je pojava "oscilovanja" tojest prelaska neutrina jedne u neutrino druge generacije.

Svaki od ovih leptona ima i svoju antičesticu. Antičestica naelektrisanih čestica je u svemu ista čestici osim u znaku naelektrisanja. Tako su tri leptona naelektrisana negativno a njihove antičestice pozitivno, istom količinom naelektrisanja. Kod nenaelektrisanih leptona (neutrina) situacija je malo drugačija. Kaže se da su neutrini sami sebi antičestice. Neutrino (bilo koji od tri pomenuta) i odgovarajući antineutrini razlikuju se u znaku spina.

Kvarkovi

Kvarkovi su čestice od kojih su izgrađeni protoni, neutroni i mnoge druge čestice. Ima ih šest, razvrstanih u tri generacije. Prvoj generaciji pripadaju kvark gore (up) i dole (down), drugoj šarm (charm) i čudo (strange), a dok poslednjoj trećoj generaciji pripadaju – vrh (top) i dno (bottom). Ime "kvark" pozajmljeno je iz knjige Fineganovo bdenje (Džejmsa Džojsa). Ova čudna imena kvarkova nemaju nikakav fizički smisao već su izabrana proizvoljno, zbog lakšeg pamćenja.

Kvarkovi, sa ovim zanimljivim imenima, su vrlo čudne čestice. Nikad nisu sami već se uvek javljaju sa drugim kvarkovima i tako grade svet oko nas. Materija koja nas okružuje izgrađena je od kvarkova (i leptona) prve generacije. U prirodi sve teži minimumu potencijalne energije pa se masivni kvarkovi brzo raspadaju na lakše. Zbog toga čestice izgrađene od kvarkova II i III generacije žive vrlo kratko. Za razliku od leptona, koji su interagovali svim silama osim jakom, kvarkovi interaguju preko sve četiri fundamentalne sile.

Svi se verovatno dobro sećaju fizike koja se uči u školi, i nastavnika i profesora koji ponavljaju da je najmanje moguće naelektrisanje ono koje nosi elektron, naelektrisanje e, ali nije baš tako. Naelektrisanje kvarkova je manje, ono ima vrednost 1/3 ili 2/3 naelektrisanja elektrona.

Detektovanje kvarkova prilično je težak posao jer oni ne postoje sami, uvek su u sastavu neke druge masivnije čestice, sa drugim kvarkovima. Jedini način za detekciju je primenom nekih posrednih metoda i proverom da li se ti rezultati slažu sa predviđanjima teorije. Samo pet godina nakon što su teoretičari predvideli postojanje kvarka, stigla je i prva eksperimentalna potvrda (1969. godine). Poslednji kvark, top kvark, predstavljao je veliki izazov za eksperimentalne fizičare. Za njim se dugo tragalo i detektovan je u Fermilabu 1995. godine.

Kao i druge čestice i kvarkovi imaju svoje antičestice, koje se razlikuju po spinu i naelektrisanju.

Kvarkovi su gradivne jedinice koje grade veliki broj čestica, koje se nazivaju hadroni. Hadroni koji se sastoje od tri kvarka nazivaju se barioni. U barione spadaju i dobro pozati proton (uud – kvarkovi) i neutron (udd). Mezoni su hadroni koji su izgrađeni od jednog kvarka i jednog antikvarka. Mezoni su nestabilne čestice koje kratko žive, red veličine 10-20 sekundi. Antičestice hadrona, naprimer antiproton i antineutron sastoje se od antikvarkova.

Jedan od bariona koji je zbunio fizičare i bacio malu sumnju na standadni model bio je barion Δ++ koja se sastoji od tri up kvarka (uuu). Problem koji se javio bio je posledica Paulijevog principa isključenja. Prema poznatim zakonima fizike dva kvarka morala su da imaju isti spin, a to Paulijev princip nije dozvoljavao. Ono što su fizičari do tada znali govorilo je da ova čestica ne može da postoji, ali ona je ipak postojala. Rešenje ove misterije brzo je nađeno, utvrđeno je da kvarkovi poseduju, pored električnog, još jednu vrstu naboja – boju. Ovde boja nema pravo značenje, kvarkovi se ne razlikuju po boji (previše su mali da bi uopšte i imali neku boju) već je taj termin izabran slično kao i njihova imena, da bi se lakše pamtio. Kvarkovi se javljaju u tri boje. Kao što je naelektrisanje povezano sa elektromagnetnom silom, naboj boje nalazi se u vezi sa jakom silom. Uvođenje boje rešilo je problem Δ++ čestice vrlo jednostavno – kvarkovi od kojih je ova čestica napravljena imaju različitu boju, važenje Paulijevog principa nije narušeno.

Sile

Već smo videli da standardni model, osim kvarkova i leptona, obuhvata i fundamentalne sile i čestice koje prenose fundamentalne interakcije. Najpoznatija od svih sila je elektromagnetna. Ona deluje između svih naelektrisanih tela a čestica koja je prenosnik ove interakcije je foton. Foton je čestica koja nema masu mirovanja, nema naelektrisanje i ima spin 1.

Sledeća sila je slaba sila. Ova sila odgovorna je za neke procese na nivou atoma, najpoznatiji je beta raspad. Kao što je foton prenosnik elektromagnetne sile, tako su W i Z bozoni prenosnici slabe sile. Godine 1979. Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg dobili su Nobelovu nagradu za fiziku jer su pokazali da elektromagnetna i slaba sila postaju jedna sila na dovoljno velikim energijama. Ta jedinstvena sila nazvana je elektroslaba. Bila je ovo prva potvrda kosmološke ideje da su sve četiri sile nekada bile jedna i da je tek kasnije, tokom evolucije svemira došlo do njihovog odvajanja.

Jaka sila je, kako samo ime kaže, najača, ali i najkraćeg dejstva. Ona deluje samo na rastojanjima dimenzija atomskog jezgra. Ova sila odgovorna je za stabilnost stabilnost atomskog jezgra i čestica koje to jezgro grade. Prenosioci ove sile su gluoni koji su otkriveni 1979. godine, u akcleratoru Petra (DESY, Hamburg, Nemačka). Karakteristika ove sile je da sa povećanjem rastojanja njen intenzitet postaje veći (obrnuto ostalim silama). Delovanje ove sile ostvaruje se tako što kvarkovi razmenjuju gluone. Jaka sila, koja se nekad naziva sila boje, deluje između pojedinačnih kvarkova (različitih boja) i omogućava opstanak protona i neutrona. Jaka sila, ali manjeg intenziteta, deluje i između kvarkova koji pripadaju različitim protonima ili neutronima. Ova sila, koja se naziva nuklearna, odgovorna je za stabilnost atomskih jezgara.

Gravitaciona sila se ne uklapa u standardni model. Gravitacija je opisana opštom teorijom relativnosti, i jedan od najvećih izazova za teorijsku fiziku je da pronađu teoriju koja će "pomiriti" relativnost i standardni model.

×

Nekoliko decenija nakon teorijskog postavljanja standadrnog modela eksperimenti su potvrdili skoro sva predviđanja ove teorije. Ostalo je još samo jedno, potraga za Božijom česticom (kako je nazvao Lion Lederman, u istoimenoj knjizi). Reč je o Higsovom bozonu, čestici koja treba da da odgovor na jednostavno pitanje "zašto postoji masa". Standardni model predviđa postojanje ove čestice ali ona još uvek nije nađena ali njeno otkriće se očekuje. Fizičari se nadaju da će akcelerator LHC, koji treba da počne sa radom naredne godine u Ženevi, omogućiti detekciju ove čestice. Time bi standadni model bio u potpunosti potvrđen.

Ili mi tako mislimo. Prošlo je oko 2500 godina od prvih ideja o atomu. Atom je pretrpeo mnogo pormena. Od ideje o 4 elementa stigli smo do apstraktnih pojmova i 12 čestica (plus isto toliko antičestictica, i sve to ofarbano u tri boje). Ovo je trenutno najbolja teorija koja opisuje svet oko nas, ali fizičari znaju da tu sigurno nije kraj. Ovo jeste kraj naše priče o istoriji atoma, ali ovo nije kraj fizike čestice, niko ne može ni da pretpostavi šta donose naredne godine i decenije.

Napomena: Ovaj tekst je napisan 11.06.2007. godine.

autor Milan Milošević
izvor www.svetnauke.org

Masa i impuls fotona

Foton je čestica bez mase mirovanja. Spin fotona jednak je 1 (čestica je bozon), ali zbog mase mirovanja jednakoj nuli značajnijom karakteristikom se javlja projekcija spina čestice na pravac kretanja. Foton može biti samo u dva spinska stanja ±1. Tom svojstvu u klasičnoj elektrodinamici odgovara elektromagnetni talas.

Masa mirovanja fotona smatra se jednakom nuli, što se zasniva na eksperimentu i teorijskim principima. Zbog toga je brzina fotona jednaka brzini svetlosti. Ako fotonu pripišemo relativističku masu (termin polako izlazi iz upotrebe) polazeći od jednakosti E = mc² vidimo da ona iznosi m = hν/c ². Foton je sam svoja antičestica.

×

Foton se ubraja u bozone. Učestvuje u elektromagnetnoj i gravitacionoj interakciji. Foton ne poseduje naelektrisanje i ne raspada se spontano u vakuumu, stabilan je. Foton može imati jedno od dva stanja polarizacije i opisuje se sa tri prostorna parametra koji sastavljaju talasni vektor koji određuje njegovu talasnu dužinu λ i smer prostiranja.

Fotoni nastaju u mnogim prirodnim procesima, na primer pri ubrzanom kretanju naelektrisanja, pri prelazu atoma ili jezgra iz pobuđenog u osnovno stanje manje energije, ili pri anihilaciji para elektron-pozitron. Treba primetiti da pri anihilaciji nastaju dva fotona, a ne jedan pošto u sistemu centra mase čestica koje se sudaraju njihov rezultujući impuls jednak nuli, a jedan dobijeni foton uvek ima impuls različit od nule. Zakon održanja impulsa stoga traži nastanak bar dva fotona sa ukupnim impulsom jednakom nuli. Energija fotona, a samim tim i njihova frekvencija, određena je zakonom održanja energije. Pri obrnutim procesima- pobuđivanju atoma i stvaranju elektron- pozitron para dolazi do apsorpcije fotona. Ovaj proces je dominantan pri prostiranju gama-zraka visokih energija kroz supstancu.

Ako je energija fotona jednaka E, onda je impuls p⃗ povezan sa energijom jednakošću E = cp, gde je c - brzina svetlosti (brzina kojom se foton uvek kreće kao čestica bez mase). Radi upoređivanja za čestice koje poseduju masu mirovanja, veza mase i impulsa sa energijom određena je formulom E² = c²p² + m²c⁴, što pokazuje specijalna teorija relativnosti.

U vakuumu energija i impuls fotona zavise samo od njegove frekvencije ν (E=hv). Impuls fotona je:

×

Pri čemu je:

• ℏ Dirakova konstanta jednaka h/2π
• k talasni vektor i jednak je 2π/λ
• ω ugaona frekvencija i jednaka je 2πν

Pritisak svetlosti

Postojanje pritiska svetlosti pretpostavio je još 1871. godine Maksvel (tvorac moderne teorije eletromagentizma) a eksperimentalno potvrdio Lebedev 1900. godine. Najlakše ga je objasniti tako što se zamisli da su fotoni čestice impulsa p, koje udarom prenose impuls na površinu, u potpunoj analogiji sa pritiskom koji molekuli gasa vrše na zidove posude u kojoj su zatvoreni. Da to nije samo plod mašte potvrdjeno je 2010. godine kada su Japanski naučnici lansirali ogromno sunčevo jedro IKAROS, kojim je eksperimentalno potvrdjena izvodljivost pogona na svetlosni pritisak. (Kao što vetar tera jedrenjak prenosom impulsa molekula vazduha na jedro tako i svetlost pogoni sunčevo jedro prenosom impulsa fotona koji padaju na njegovu površinu).

Ako ima masu i impuls foton mora da vrši pritisak na nepokretnu prepreku na koju naiđe, tojest svetlost bi trebalo da vrši pritisak na prepreku na koju pada.

Kada svetlost pada na površinu nekog tela, deo svetlosti se odbija (reflektuje) a deo apsorbuje. I reflektovana i apsorbovana svetlost vrše pritisak na površinu.

Kvantna teorija objašnjava svetlosni pritisak time što fotoni predaju impuls površini, odnosno deluju silom na nju.

Pretpostavimo da na jediničnu površinu u jedinici vremena pada N fotona frekvencije v. Jedan deo fotona se odbija RN, a drugi (1-R)N se apsorbuje. (R – koeficijent refleksije površine).

Pritisak koji svetlost vrši na površinu:

×

Pošto je ukupna energija: E = Nhv, dobija se konačna formula za pritisak svetlosti:

×

Pritisak svetlosti je veoma mali. Pritisak sunčeve svetlosti na površinu tela koje se nalzi na Zemljinoj površini je oko 5×10^-6Pa. Taj pritisak je približno 10 milijardi puta manji od atmosferskog.

Komptonov efekat

Komptonov efekat je rasejanje fotona sa atoma pri čemu foton gubi deo energije tojest menja talasnu dužinu. Efekat je značajan jer je potvrdio korpuskularnu (čestičnu) prirodu svetlosti. Za otkriće i objašnjenje efekta Kompton je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1927. godine.

Ovaj efekat se ne može objasniti talasnom prirodom fotona, pošto se na primer frekvencija zvučnog talasa ne menja nakon odbijanja od prepreke.

Ovaj efekat je bio važan za razvoj moderne fizike jer je pokazao da svetlost ne može u potpunosti da se opiše kao talasna pojava. Klasična teorija rasejanja elektromagnetnih talasa sa naelektrisane čestice ne može da objasni promenu talasne dužine rasejanog zraka. Za objašnjenje Komptonovog rasejanja neophodno je uzeti u obzir čestičnu prirodu svetlosti. Komptonov eksperiment je najzad uverio fizičare da se svetlo ponaša i kao mlaz čestica čija je energija proporcionalna frekvenciji.

Komptonovo rasejanje se javlja na svim materijalima, najviše sa fotonima srednjih energija, 0,5 do 3,5 MeV.

Čestično-talasni dualizam svetlosti

Do skoro nije postojao eksperiment kojim bi se u isto vreme potvrdile - pokazale obe prirode svetlosti, čestična i talasna, odnosno postojali su samo eksperimenti u kojima se videla ili talasna ili čestična priroda svetlosti.

Albert Einstein je dobio Nobelovu nagradu iz fizike 1921. ("for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect") posebno za otkriće zakona fotoelektričnog efekta. Ajnštajn je pokazao da Plankov kvant energije mora imati dobro definisane momente i delovati kao nezavisna čestica (foton). Time je začet koncept talasno - čestičnog dualizma u kvantnoj mehanici. Sam naziv foton je uveden kasnije, 1926. od strane G. Lewis-a.

Novim eksperimentom tim naučnika sa EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), Švajcarska, koji predvodi Fabricio Carbone, je nedavno po prvi put napravio snimak dualnog ponašanja svetlosti, što je publikovano u vrhunskom naučnom časopisu Nature Communications:

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.

×

Postavka eksperimenta je sledeća. Svetlost iz lasera usmerava se na metalnu veoma tanku žicu (nanožicu). Laser dodaje energiju naelektrisanim česticama u nanožici što prouzrokuje njihovo vibriranje. Svetlost putuje duž ove žice u dva moguća smera. Kada se talasi koji putuju u suprotnim smerovima susretnu, oni formiraju novi talas koji izgleda kao da stoji u mestu. Ovde u eksperimentu stojeći talas postaje izvor svetlosti koja zrači oko nanožice.

Naučnici su uputili tok elektrona ka nanožici i koristili elektrone da bi snimili stojeći talas svetlosti. Kako su elektroni interagovali sa svetlošću ograničenom u nanožici, oni su se ubrzavali ili usporavali. Koristeći ultrabrzi mikroskop da bi snimili pozicije na kojima se dešavala ova promena brzine, tim je mogao da vizuelizuje stojeći talas koji je manifestacija talasne prirode svetlosti. Istovremeno ovaj eksperiment demonstrira i čestični aspekt svetlosti. Kada elektroni prolaze blizu stojećeg talasa svetlosti, oni se sudaraju sa česticama svetlosti - fotonima. Ovo utiče na brzinu elektrona koja postaje smanjena ili povećana. Ova promena brzine elektrona javlja se kao izmena energetskih paketa (kvanata) između elektrona i fotona. Pojava ovih energetskih paketa pokazuje da se svetlost na nanožici ponaša kao čestica.