Fóton

Assuntos Relacionados: Física

Fundo para as escolas Wikipédia

Este conteúdo da Wikipedia foi escolhida pela SOS Children para adequação nas escolas de todo o mundo. SOS mães cada um cuidar de uma família de crianças apadrinhadas .

Fóton
Os fotões emitidos numa feixe coerente de um laser de
Composição	Partícula elementar
Estatística	Bosônico
Interações	Eletromagnético
Símbolo	γ, h ν, ou ħ ω
Teorizou	Albert Einstein
Massa	0 <1 × 10 ^-18 eV / c ²
A média de vida	Estável
Carga elétrica	0 <1 × 10 ^-35 e
Rotação	1
Paridade	-1
C paridade	-1
Condensado	I ( J ^P ^C) = 0,1 ^{(1 -)}

Um fóton é uma partícula elementar, a quantum de luz e todas as outras formas de radiação eletromagnética , eo forçar transportadora pela força eletromagnética , mesmo quando estática através fótons virtuais. Os efeitos desta força são facilmente observáveis em ambos o e microscópica nível macroscópico, porque o fotão tem nenhuma massa de repouso; isto permite interações em longas distâncias. Como todas as partículas elementares, os fótons são atualmente melhor explicada pela mecânica quântica e exposições dualidade onda-partícula, propriedades expositoras de ambas as ondas e partículas. Por exemplo, um único fotão pode ser refratada por um lente ou exposição interferência com a própria onda, mas também actuam como uma partícula que dá um resultado definitivo quando a sua posição é medida.

O conceito moderno de fótons foi desenvolvida gradualmente por Albert Einstein para explicar observações experimentais que não se encaixam o clássico modelo de onda da luz. Em particular, o modelo de fotões foi responsável pela dependência da energia da luz de frequência, e explicadas a capacidade de matéria e radiação para a o equilíbrio térmico. Ele também foi responsável por observações anômalas, incluindo as propriedades de radiação de corpo negro, que outros físicos, mais notavelmente Max Planck , tinha procurado para explicar usando modelos semiclássicos, em que a luz ainda é descrito por equações de Maxwell , mas os objetos materiais que emitem e absorvem a luz, fazê-lo em quantidades de energia que são quantificados (ou seja, eles mudam de energia única por certas quantidades discretas específicas e não podem mudar de energia em qualquer forma arbitrária). Embora estes modelos semiclássicos contribuiu para o desenvolvimento da mecânica quântica, muitos experimentos adicionais começando com Compton dispersão de fótons individuais por elétrons, primeiro observados em 1923, validou a hipótese de Einstein de que a luz em si é quantificado. Em 1926, o químico Gilbert N. Lewis cunhou o fóton nome para estas partículas, e depois de 1927, quando Arthur H. Compton ganhou o Prêmio Nobel por seus estudos de dispersão, a maioria dos cientistas aceitou a validade que quanta de luz têm uma existência independente, e fotão prazo Lewis 'para quanta de luz foi aceito.

No Modelo Padrão da física de partículas , os fótons são descritos como uma consequência necessária das leis físicas que têm uma certa simetria em cada ponto espaço-tempo. As propriedades intrínsecas de fótons, tais como carga , massa e rotação, são determinados pelas propriedades desta simetria de medida. O conceito de fóton levou a avanços importantes de toda a física experimental e teórica, como lasers , Bose-Einstein, a teoria quântica de campos , ea interpretação probabilística da mecânica quântica. Foi aplicada a fotoquímica, microscopia de alta resolução, e medidas de distâncias moleculares. Recentemente, os fótons têm sido estudadas como elementos de computadores quânticos e para aplicações sofisticadas comunicação óptica, tais como criptografia quântica.

Nomenclatura

Modelo padrão da física de partículas
Grande Colisor de Hádrons no túnel CERN
Fundo A física de partículas Modelo Padrão Teoria quântica de campos Teoria de gauge Quebra espontânea de simetria Mecanismo de Higgs
Constituintes Interação eletrofraca Cromodinâmica quântica Matriz CKM
Limitações Problema forte CP Hierarquia problema Oscilações de neutrinos Veja também: Física além do Modelo Padrão
Os cientistas Rutherford · Thomson · Chadwick · Bose · Sudarshan · Koshiba · Davis, Jr. · Anderson · Fermi · Dirac · Feynman · Rubbia · Gell-Mann · Kendall · Taylor · Friedman · Powell · PW Anderson · Glashow · Meer · Cowan · Nambu · Chamberlain · Cabibbo · Schwartz · Perl · Majorana · Weinberg · Lee · Ward · Salam · Kobayashi · Maskawa · Yang · Yukawa · 'T Hooft · Veltman · · Gross Politzer · Wilczek · Cronin · Fitch · Vleck · Higgs · Englert · Brout · · Hagen Guralnik · Kibble · Ting · Richter

Em 1900, Max Planck estava trabalhando em radiação de corpo negro e sugeriu que a energia em ondas eletromagnéticas só poderia ser lançado em "pacotes" de energia. Em seu artigo 1901 em Annalen der Physik ele chamou esses pacotes "elementos de energia". A palavra quanta (quantum singular) foi usado até mesmo antes de 1900 para significar partículas ou quantidades de diferentes quantidades , incluindo eletricidade . Mais tarde, em 1905, Albert Einstein foi mais longe ao sugerir que as ondas eletromagnéticas só poderia existir nestes onda-pacotes discretos. Ele chamou essa onda -packet os quântica luz (alemão: das Lichtquant). O nome deriva do fóton palavra grega para luz, φῶς (Phosphorus transliteradas), e foi cunhado em 1926 pelo físico-químico Gilbert Lewis, que publicou uma teoria especulativa em que os fótons foram "incriável e indestrutível". Embora a teoria de Lewis "nunca foi aceito como era contestado por muitas experiências, o seu novo nome, fóton, foi adotado imediatamente pela maioria dos físicos. Isaac Asimov créditos Arthur Compton com a definição de quanta de energia como fótons em 1923.

Em física, um fóton é geralmente indicada pelo símbolo γ (a letra grega gama). Este símbolo para o fóton provavelmente deriva raios gama, que foram descobertos em 1900 por Paul Villard, nomeado por Ernest Rutherford , em 1903, e mostrou ser uma forma de radiação eletromagnética em 1914 por Rutherford e Edward Andrade. Em química e engenharia óptica, os fótons são geralmente simbolizado por hv, a energia de um fóton, onde h é Constante e de Planck letra grega ν ( nu) é o fóton de freqüência. Muito menos comumente, o fóton pode ser simbolizada pela hf, onde sua frequência é denotada por f.

Propriedades físicas

O fóton é sem massa, não tem carga elétrica , e é estável. Um fóton tem dois possível estados de polarização e é descrito por exatamente três parâmetros contínuos: os componentes de sua vector de onda, que determinam a sua λ comprimento de onda e a sua direcção de propagação. O fotões é a bóson de calibre para o eletromagnetismo , e, portanto, todos os outros números quânticos do fóton (como número lepton, número de bárions, e números sabor quântica) são zero.

Os fotões são emitidos em diversos processos naturais. Por exemplo, quando uma carga é acelerado emite radiação síncrotron. Durante uma molecular , atômica ou nuclear transição para uma menor nível de energia, os fótons de vários energia será emitida, a partir de luz infravermelha para raios gama. Um fotão também pode ser emitida quando uma partícula e a sua correspondente antipartícula são aniquilado (por exemplo, aniquilação elétron-pósitron).

No espaço vazio, o fotão move em C (a velocidade da luz ) e a sua energia e impulso estão relacionados por e = PC, onde p é a magnitude do impulso vector p. Isso deriva do seguinte relação relativista, com m = 0:

$E ^ {2} = p ^ {2} c ^ {2} + m ^ {2} c ^ {4}.$

A energia e impulso de um fóton depende apenas da sua freqüência (ν) ou inversamente, a sua comprimento de onda (λ):

$E = \ hbar \ omega = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda}$

$\ Boldsymbol {p} = \ hbar \ boldsymbol {k},$

onde k é a vector de onda (em que o número de onda k = | K | = 2π / λ), ω = 2π ν é a freqüência angular, e H = h / 2π é o redução constante de Planck.

Uma vez que p aponta na direcção de propagação do fotão, a magnitude do impulso é

$p = \ hbar k = \ frac {h \ nu} {c} = \ frac {h} {\ lambda}.$

O fóton também carrega momento angular de spin que não dependem da sua frequência. A magnitude de sua rotação é $\ Scriptstyle {\ sqrt {2} \ hbar}$ e o componente medido ao longo da sua direcção de movimento, a sua helicidade, deve ser ± horas. Estes dois helicities possíveis, chamados destro e canhoto, correspondem aos dois possível estados de polarização circular do fóton.

Para ilustrar a importância dessas fórmulas, a aniquilação de uma partícula com sua antipartícula no espaço livre deve resultar na criação de pelo menos dois fótons pelo seguinte motivo. No centro de massa quadro, as antipartículas colidindo não têm impulso líquido, ao passo que um único fóton sempre tem impulso (uma vez que é determinado, como vimos, apenas pela frequência do fóton ou comprimento de onda que pode não ser zero). Assim, a conservação do momento (ou equivalentemente, invariância translacional) exige que pelo menos dois fótons são criados, com zero de impulso líquido. (No entanto, é possível que o sistema interage com uma outra partícula ou campo de aniquilação para produzir um fotão, como quando um positrão aniquila com um electrão atómica ligado, é possível que apenas um fotão a ser emitido, como as quebras nucleares campo de Coulomb simetria de translação.) A energia dos dois fotões, ou, de modo equivalente, a sua frequência, pode ser determinada a partir de conservação de quatro momentum. Visto de outra forma, o fotão pode ser considerado como o seu próprio anti-partícula. O processo inverso, produção de pares, é o mecanismo dominante pelo qual os fótons de alta energia, tais como raios gama perder energia durante a passagem através da matéria. Esse processo é o inverso da "aniquilação de um fóton" permitido no campo elétrico de um núcleo atômico.

As fórmulas clássicas para a energia e quantidade de movimento de radiação electromagnética pode ser re-expressos em termos de eventos de fotões. Por exemplo, a pressão de radiação electromagnética num objectivo resulta da transferência de impulso de fotões por unidade de tempo e unidade de área para esse objecto, uma vez que a pressão é a força por unidade de área e a força é a alteração na força por unidade de tempo.

Verificações experimentais em massa do fóton

O fotão é actualmente entendida para ser estritamente sem massa, mas isto é uma questão experimental. Se o fóton não é uma partícula sem massa estritamente, não iria se mover na velocidade exata da luz no vácuo, c. Sua velocidade seria menor e depende da sua freqüência. Relatividade não seria afetado por este; a chamada velocidade da luz, c, então não seria a velocidade real a que os movimentos ligeiros, mas uma constante da natureza, que é a velocidade máxima que qualquer objecto poderia teoricamente atingir no espaço-tempo. Assim, ele ainda seria a velocidade de ondulações no espaço-tempo ( ondas gravitacionais e gravitões), mas isso não seria a velocidade de fotões.

Um fotão maciça teria outros efeitos bem. A lei de Coulomb seria modificado e o campo electromagnético teria um grau extra de liberdade física. Estes efeitos produzir sondas experimentais mais sensíveis da massa de fotões que a dependência da velocidade da luz frequência. Se a lei de Coulomb não é exactamente válida, então, que iria fazer com que a presença de um campo eléctrico dentro de um condutor oco, quando ele é submetido a um campo eléctrico externo. Isto permite, assim, a um testar a lei de Coulomb para uma precisão muito elevada. Um resultado nulo de tal experimento fixou um limite de m ≲ 10 ^-14 eV / c ^2.

Limites superiores mais nítidas foram obtidos em experiências concebidas para detectar os efeitos causados pela galáctico potencial vetor. Embora o potencial galáctico vetor é muito grande porque o galáctico campo magnético existe em escalas de comprimento muito longos, apenas o campo magnético é observável se o fóton é sem massa. No caso de um fotão maciça, o termo massa $\ Scriptstyle \ frac {1} {2} m ^ 2 A _ {\ mu} A ^ {\ mu}$ afetaria o plasma galáctica. O fato de que esses efeitos são vistos implica um limite superior para a massa dos fótons m <3 × 10 ^-27 eV / c ^2. O potencial galáctico vector também pode ser sondada directamente por medição do binário exercido sobre um anel magnetizado. Tais métodos foram utilizados para se obter o limite mais nítida superior de 10 ^-18 eV / c ² (o equivalente a 1,07 x 10 ^-27 unidades de massa atómica) dada pela Particle Data Group.

Estes limites precisos da não observação dos efeitos causados pelo potencial vector galáctico foram mostrados para ser dependente do modelo. Se a massa de fotões é gerado através do Mecanismo de Higgs, em seguida, o limite superior da m ≲10 ^-14 eV / c ² do teste da lei de Coulomb é válido.

Fótons dentro supercondutores fazer desenvolver um diferente de zero massa de repouso eficaz; como resultado, as forças electromagnéticas de curto alcance se tornam supercondutores dentro.

Desenvolvimento histórico

Thomas Young experiência da dupla fenda em 1805 mostrou que a luz pode agir como uma onda , ajudando a derrotar início teorias de partículas de luz.

Na maioria das teorias até o século XVIII, a luz foi retratado como sendo composta de partículas. Desde modelos de partículas não pode facilmente responder pela refração, e difracção birefringence de luz, as teorias de onda de luz foram propostos por René Descartes (1637), Robert Hooke (1665), e Christian Huygens (1678); no entanto, os modelos de partículas permaneceu dominante, principalmente devido à influência de Isaac Newton . No início do século XIX, Thomas Young e Agosto de Fresnel demonstrou claramente o interferência e difração de luz e por 1.850 modelos de ondas eram geralmente aceites. Em 1865, James Clerk Maxwell 's previsão de que a luz era uma foi confirmada experimentalmente em 1888, através da qual-onda eletromagnética Detecção de de Heinrich Hertz ondas de rádio -parecia ser o golpe final para os modelos de partículas de luz.

Em 1900, de Maxwell modelo teórico de luz como oscilação elétrica e campos magnéticos parecia completa. No entanto, várias observações não podem ser explicadas por qualquer modelo de onda de radiação electromagnética , que conduz à ideia de que a energia de luz foi empacotado em quanta descrito por E = hv. Experiências posteriores mostraram que estas quanta de luz também transportar impulso e, assim, pode ser considerado partículas: o conceito de fóton nasceu, levando a uma compreensão mais profunda dos próprios campos elétricos e magnéticos.

O Teoria ondulatória Maxwell, no entanto, não leva em conta todas as propriedades da luz. A teoria de Maxwell prevê que a energia de uma onda de luz depende apenas da sua intensidade, não no seu freqüência; no entanto, vários tipos independentes de experiências mostram que a energia transmitida pela luz de átomos depende apenas da frequência da luz, não na sua intensidade. Por exemplo, algumas reações químicas são provocados apenas pela luz de frequência superior a um certo limite; luz de frequência inferior ao limiar, não importa o quão intensa, não iniciar a reação. Da mesma forma, os elétrons podem ser ejetado de uma placa de metal por um raio de luz de alta freqüência suficientemente sobre ele (a efeito fotoelétrico); a energia do elétron ejetado está relacionada apenas à frequência da luz, não a sua intensidade.

Ao mesmo tempo, as investigações de radiação de corpo negro realizada ao longo de quatro décadas (1860-1900) por vários pesquisadores culminou com Max Planck 's hipótese de que a energia de qualquer sistema que absorve ou emite uma radiação electromagnética de frequência ν é um múltiplo inteiro de um quantum de energia E = hv. Como mostrado por Albert Einstein , alguma forma de quantização de energia deve ser assumida para ter em conta o equilíbrio térmico observada entre a matéria e radiação electromagnética ; para esta explicação da efeito fotoelétrico, Einstein recebeu o 1921 Prêmio Nobel de Física.

Uma vez que a teoria de Maxwell da luz permite que todas as energias possíveis de radiação eletromagnética, a maioria dos físicos assumido inicialmente que a quantização de energia resultou de alguma restrição desconhecido sobre a matéria que absorve ou emite radiação. Em 1905, Einstein foi o primeiro a propor que a quantização de energia era uma propriedade da própria radiação eletromagnética. Embora ele aceitou a validade da teoria de Maxwell, Einstein apontou que muitas experiências anômalas poderia ser explicado se a energia de uma onda de luz Maxwell foram localizados em quanta ponto-like que se movem independentemente um do outro, mesmo que a própria onda se espalha continuamente ao longo espaço. Em 1909 e 1916, Einstein mostrou que, se A lei de Planck da radiação de corpo negro é aceito, os quanta de energia também deve levar impulso p = h / λ, tornando-os de pleno direito partículas. Este impulso de fotões foi observado experimentalmente pela Arthur Compton, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel em 1927. A questão fundamental era então: como unificar teoria da onda de Maxwell da luz com a sua natureza de partícula observada experimentalmente? A resposta a esta pergunta ocupada Albert Einstein para o resto de sua vida, e foi resolvido em eletrodinâmica quântica e seu sucessor, o Modelo Padrão (ver segunda quantização e O fóton como um bóson de calibre , abaixo).

Objecções iniciais

Até 1923, a maioria dos físicos estavam relutantes em aceitar que a luz em si foi quantificada. Em vez disso, eles tentaram explicar o comportamento do fóton quantizando apenas matéria, como no Modelo de Bohr do átomo de hidrogénio (mostrado aqui). Mesmo que estes modelos semiclássicos eram apenas uma primeira aproximação, eles foram precisos para sistemas simples e eles levaram a mecânica quântica .

1905 as previsões de Einstein foram verificados experimentalmente em várias maneiras nas duas primeiras décadas do século 20, como contou em Nobel palestra de Robert Millikan. No entanto, antes de O experimento de Compton mostrando que os fótons realizada impulso proporcional à sua número de onda (ou frequência) (1922), a maioria dos físicos estavam relutantes em acreditar que a radiação eletromagnética em si pode ser particulado. (Veja, por exemplo, as palestras Nobel de Wien, Planck e Millikan.). Em vez disso, havia uma crença generalizada de que a quantização de energia resultou de alguma restrição desconhecido sobre a matéria que absorve ou emite radiação. Atitudes mudaram ao longo do tempo. Em parte, a mudança pode ser atribuída a experiências como Espalhamento Compton, onde era muito mais difícil não atribuir quantização para acender-se a explicar os resultados observados.

Mesmo após o experimento de Compton, Niels Bohr , Hendrik Kramers e John Slater fez uma última tentativa para preservar o modelo electromagnético contínuo Maxwelliana campo de luz, o chamado BKS modelo. Para ter em conta os dados disponíveis, em seguida, duas hipóteses drásticas tiveram que ser feitas:

Energia e momento são conservados apenas na média de interações entre matéria e radiação, não em processos elementares, tais como absorção e emissão. Isso permite conciliar a energia de forma descontínua mudança do átomo (salto entre estados de energia) com o lançamento contínuo de energia em radiação.
A causalidade é abandonado. Por exemplo, emissões espontâneas são meramente emissões induzidas por um campo electromagnético "virtual".

No entanto, experimentos de Compton refinados mostrou que a energia-momentum é conservada extraordinariamente bem em processos elementares; e também que os solavancos do electrão e a geração de um novo fotão em Compton obedecer a causalidade dentro de 10 ps. Assim, Bohr e seus colegas de trabalho deram o seu modelo "como um honroso funeral possível". No entanto, as falhas do modelo BKS inspirado Werner Heisenberg em seu desenvolvimento de mecânica matricial.

Alguns físicos persistiram no desenvolvimento de modelos semiclássicos em que a radiação eletromagnética não é quantificado, mas a matéria parece obedecer às leis da mecânica quântica . Embora a evidência para fótons de experiências químicas e físicas foi esmagadora na década de 1970, esta evidência não pode ser considerado como absolutamente definitiva; uma vez que contou com a interação da luz com a matéria, uma teoria suficientemente complicado de matéria poderia, em princípio, conta para a prova. No entanto, todas as teorias semiclássicos foram refutadas definitivamente em 1970 e 1980 por experimentos de fóton-correlação. Assim, a hipótese de que Einstein quantização é uma propriedade da luz em si é considerado para ser comprovada.

Princípios de dualidade onda-partícula e incerteza

Fótons, como todos os objetos quânticos, exibem ambas as propriedades wave-like e de partículas-like. A sua natureza de dupla onda de partículas pode ser difícil de visualizar. Os fenômenos de fótons exibe claramente wave-like, como e difracção interferência na escala de comprimento de seu comprimento de onda. Por exemplo, uma única passagem através de um fotão experimento terras dupla fenda na tela exibindo fenômenos de interferência, mas apenas se nenhuma medida foi tomada na fenda real que está sendo executado em toda. Para ter em conta a interpretação partícula que fenômeno é chamado de distribuição de probabilidade , mas se comporta de acordo com as equações de Maxwell . No entanto, experimentos confirmam que o fóton não é um curto pulso de radiação eletromagnética; que não se espalhe para fora, uma vez que se propaga, nem dividir quando encontra um divisor de feixe. Em vez disso, o fotão parece ser um ponto partícula semelhante, uma vez que é absorvido ou emitido como um todo, arbitrariamente pequenos sistemas, sistemas muito menores do que seu comprimento de onda, tais como um núcleo atômico (≈10 ^-15 m de diâmetro) ou mesmo o ponto-like elétron . No entanto, o fóton não é uma partícula ponto-like cuja trajetória é moldada pela probabilisticamente campo eletromagnético, como concebida por Einstein e outros; essa hipótese também foi refutada pelos experimentos de fóton de correlação acima citados. De acordo com a nossa compreensão atual, o próprio campo electromagnético é produzido por fótons, que por sua vez, resultam de um local avaliar a simetria e as leis da teoria quântica de campos (ver a segunda quantização e bóson de calibre seções abaixo).

Heisenberg pensei experimento para localizar um elétron (em azul) com um microscópio de alta resolução de raios gama. A entrada raios gama (mostrado em verde) está espalhado pelo elétron-se no microscópio de abertura θ ângulo. O raio gama espalhadas é mostrado em vermelho. óptica clássica mostra que a posição do elétron pode ser resolvido apenas até uma incerteza Ax que depende θ eo λ comprimento de onda da luz incidente.

Um elemento-chave da mecânica quântica é Heisenberg O princípio da incerteza, que proíbe a medição simultânea da posição eo momento de uma partícula ao longo da mesma direção. Notavelmente, o princípio da incerteza para carregadas, partículas de material requer a quantização da luz em fótons, e até mesmo a dependência de energia e momento do fóton de freqüência. Uma ilustração elegante é Heisenberg pensei experimento para localizar um elétron com um microscópio ideal. A posição do electrão pode ser determinado com uma aproximação poder de resolução de um microscópio, que é dado por uma fórmula de clássicos óptica

$\ Delta x \ sim \ frac {\ lambda} {\ sin \ theta}$

onde $\ Theta$ é o ângulo de abertura do microscópio. Assim, a incerteza de posição $\ Delta x$ pode ser feita arbitrariamente pequeno, reduzindo o comprimento de onda λ. O impulso do elétron é incerto, uma vez que recebeu um "chute" $\ Delta p$ a partir da dispersão de luz a partir dele para o microscópio. Se a luz não foram quantificados em fótons, a incerteza $\ Delta p$ Pode ser feita arbitrariamente pequeno, reduzindo a intensidade da luz. Nesse caso, uma vez que o comprimento de onda e intensidade de luz pode ser variada de forma independente, pode-se determinar, simultaneamente, a posição e quantidade de movimento para arbitrariamente alta precisão, a violar O princípio da incerteza. Em contraste, a fórmula de Einstein para fótons impulso preserva o princípio da incerteza; uma vez que o fóton é espalhado em qualquer lugar dentro da abertura, a incerteza do momento transferido equals

$\ Delta p \ sim p _ {\ text {fóton}} \ sin \ theta = \ frac {h} {\ lambda} \ sin \ theta$

dando o produto $\ Delta x \ Delta p \, \ sim \, h$ , Que é o princípio da incerteza de Heisenberg. Assim, todo o mundo é quantizado; Tanto a matéria e campos devem obedecer a um conjunto consistente de leis quânticas, se qualquer um dos dois deve ser quantificada.

O princípio da incerteza análoga para fótons proíbe a medição simultânea do número $n$ de fótons (veja O estado Fock e quantização Segunda seção abaixo) em uma onda eletromagnética ea fase $\ Phi$ dessa onda

$\ Delta n \ Delta \ phi> 1$

Ver estado coerente e espremido estado coerente para mais detalhes.

Ambos os fótons e partículas de material, tais como elétrons criar análogo padrões de interferência quando passam através de um experiência da dupla fenda. Para fotões, esta corresponde à interferência de um Onda de luz Maxwell que, para partículas de material, isto corresponde à interferência do Equação de onda de Schrödinger. Embora esta semelhança poderia sugerir que as equações de Maxwell são simplesmente a equação de Schrödinger para fótons, a maioria dos físicos não concordo. Por um lado, eles são matematicamente diferente; a maioria, obviamente, uma equação de Schrödinger resolve para um complexo campo, enquanto que quatro equações de Maxwell para resolver verdadeiros campos. De modo mais geral, o conceito normal de um Schrödin probabilidade função de onda não pode ser aplicado aos fotões. Sendo sem massa, que não pode ser localizada, sem ser destruído; tecnicamente, os fótons não podem ter uma posição eigenstate $| \ Mathbf {r} \ rangle$ , E, portanto, do princípio de Heisenberg normais $\ Delta x Delta p> h \ / 2$ não se refere a fótons. Algumas funções de onda de substituição têm sido sugeridos para o fóton, mas eles não entraram em uso geral. Em vez disso, os físicos em geral, aceitar a segunda-quantificado teoria de fótons descrito abaixo, eletrodinâmica quântica, em que fótons são excitações quantificados de modos eletromagnéticos.

Modelo de Bose-Einstein de um gás de fótons

Em 1924, Satyendra Nath Bose derivado A lei de Planck de radiação de corpo negro sem utilizar qualquer electromagnetismo, mas sim uma alteração da contagem de grão grosseiro de espaço de fase. Einstein mostrou que esta modificação é equivalente a assumir que os fótons são rigorosamente idênticos e que implicava uma "interação não-local misterioso", agora entendido como a exigência de uma estado mecânico quântico simétrica. Este trabalho levou à concepção de estados coerentes e o desenvolvimento do laser. Nos mesmos documentos, Einstein estendeu o formalismo de Bose para partículas de material ( bósons) e previu que eles iriam condensar em seu estado mais baixo quantum a temperaturas bastante baixas; este Bose-Einstein foi observada experimentalmente em 1995. Mais tarde foi usado por Lene Hau para desacelerar e parar completamente, luz em 1999 e 2001.

A visão moderna sobre isso é que os fótons são, em virtude do seu spin inteiro, bosões (em oposição a férmions com spin semi-inteiro). Pelo spin-estatísticas teorema, todos os bósons obedecem as estatísticas de Bose-Einstein (enquanto todos os férmions obedecem Fermi-Dirac estatísticas).

Estimulado e emissão espontânea

Emissão estimulada (em que fotões "clone" si) foi prevista por Einstein na sua análise cinética, e levou ao desenvolvimento do de laser . Derivação de Einstein inspirou novos desenvolvimentos no tratamento quântica da luz, o que levou à interpretação estatística da mecânica quântica.

Em 1916, Einstein mostrou que a lei de radiação de Planck pode ser derivada de um tratamento semi-clássico, estatística de fótons e átomos, o que implica uma relação entre as taxas a que os átomos emitem e absorvem fótons. A condição seguinte a partir do pressuposto de que a luz é emitida e absorvida por átomos de forma independente, e de que o equilíbrio térmico é preservada por interacção com átomos. Considere-se uma cavidade em o equilíbrio térmico e encheu-se com radiação electromagnética e átomos que podem emitir e que absorvem a radiação. Equilíbrio térmico requer que a densidade de energia $\ Rho (\ nu)$ de fótons com freqüência $\ Nu$ (Que é proporcional à sua número de densidade) é, em média, constante em tempo; Assim, a taxa à qual fótons de qualquer frequência particular são emitidos deve ser igual à taxa de absorvê-los.

Einstein começou postulando relações de proporcionalidade simples para as diferentes taxas de reação envolvidos. No seu modelo, a taxa $R_ {ji}$ para um sistema de absorver um fotão de frequência $\ Nu$ e transição de uma energia mais baixa $E_ {j}$ a uma energia mais elevada $E_ {i}$ é proporcional ao número $N_ {j}$ de átomos com energia $E_ {j}$ e para a densidade de energia $\ Rho (\ nu)$ de fótons ambientais com que frequência,

$R_ {ji} = N_ {j} B_ {ji} \ rho (\ nu) \!$

onde $B_ {ji}$ é o taxa constante de absorção. Para o processo inverso, existem duas possibilidades: a emissão espontânea de um fotão, e um retorno para o estado de menor energia, que é iniciada pela interacção com uma passagem de fotões. Seguindo a abordagem de Einstein, a taxa correspondente $R_ {ij}$ para a emissão de fótons de freqüência $\ Nu$ e uma transição de energia mais elevada $E_ {i}$ a uma energia inferior $E_ {j}$ é

$R_ {ij} = N_ {i} A_ {ij} + N_ {i} B_ {ij} \ rho (\ nu) \!$

onde $A_ {ij}$ é a constante de velocidade para emitindo um fóton espontaneamente, e $B_ {ij}$ é a constante de velocidade para a emiti-la, em resposta aos fotões ambiente ( induzido ou emissão estimulada). Em equilíbrio termodinâmico, o número de átomos no estado i e que de átomos no estado j deve, em média, ser constante; consequentemente, as taxas $R_ {ji}$ e $R_ {ij}$ deve ser igual. Além disso, por argumentos análogos para a derivação de Estatística de Boltzmann, a razão entre $N_ {i}$ e $N_ {j}$ é $g_i / g_j \ exp {(E_j-E_i) / kT)},$ onde $g_ {i, j}$ são o degenerescência do estado que i e j de, respectivamente, $E_ {i, j}$ as suas energias, k o Constante de Boltzmann e T do sistema de temperatura . A partir deste, é prontamente derivado que $g_iB_ {ij} = {ji} g_jB_$ e

$A_ {ij} = \ frac {8 \ pi h \ nu ^ {3}} {c ^ {3}}} B_ {ij.$

A e B são conhecidos coletivamente como os coeficientes de Einstein.

Einstein não poderia justificar plenamente as suas equações de velocidade, mas alegou que deveria ser possível calcular os coeficientes $A_ {ij}$ , $B_ {ji}$ e $B_ {ij}$ uma vez que os físicos tinham obtido "mecânica e eletrodinâmica modificado para acomodar a hipótese quântica". De fato, em 1926, Paul Dirac derivado do $B_ {ij}$ constantes de velocidade no uso de uma abordagem semiclássica, e, em 1927, conseguiu derivar todas as constantes de velocidade de primeiros princípios, no âmbito da teoria quântica. O trabalho de Dirac era a base da eletrodinâmica quântica, ou seja, a quantização do próprio campo eletromagnético. A abordagem de Dirac é também chamado de segunda quantização ou teoria quântica de campos ; tratamentos mecânicos quânticos anteriores só tratar partículas materiais como, não o campo eletromagnético mecânica quântica.

Einstein estava preocupado com o fato de que sua teoria parecia incompleta, uma vez que não determinar a direção de um fóton emitido espontaneamente. A natureza probabilística de luz-partícula movimento foi considerado pela primeira vez por Newton em seu tratamento birrefringência e, mais geralmente, da divisão de feixes de luz nas interfaces num feixe transmitido e um feixe reflectido. Newton hipótese de que variáveis ocultas na partícula de luz determinado qual o caminho que viria a seguir. Da mesma forma, Einstein esperava por uma teoria mais completa que iria deixar nada ao acaso, começando sua separação de mecânica quântica. Ironicamente, Max Born, interpretação probabilística da função de onda foi inspirado pelo trabalho posterior de Einstein em busca de uma teoria mais completa.

Segunda quantização

Diferentes modos electromagnéticos (tais como aqueles descritos aqui) pode ser tratado como independente osciladores harmônicos simples. Um fotão corresponde a uma unidade de energia E = hv no seu modo electromagnético.

Em 1910, Peter Debye derivado A lei de Planck de radiação de corpo negro a partir de uma hipótese relativamente simples. Ele corretamente decomposto o campo eletromagnético em uma cavidade em sua Modos de Fourier, e assumido que a energia de qualquer modo era um múltiplo inteiro de $h \ nu$ , Onde $\ Nu$ é a frequência do modo eletromagnética. A lei de Planck de radiação de corpo negro segue imediatamente como uma soma geométrica. No entanto, a abordagem de Debye não conseguiu dar a fórmula correta para as flutuações de energia de radiação de corpo negro, que foram derivadas por Einstein em 1909.

Em 1925, Nascido, Heisenberg e Jordan reinterpretou o conceito de Debye de uma maneira fundamental. Tal como pode ser mostrado classicamente, a Modos de Fourier da campo-a eletromagnética conjunto completo de ondas planas eletromagnéticas indexados pelo seu k vetor de onda e polarização estado são equivalentes a um conjunto de desacoplada osciladores harmônicos simples. Quântico tratada mecanicamente, os níveis de energia de tais osciladores são conhecidos por serem $E = nh \ nu$ , Onde $\ Nu$ é a frequência do oscilador. O novo passo fundamental foi identificar um modo de energia eletromagnética com $E = nh \ nu$ como um estado com $n$ fótons, cada um de energia $h \ nu$ . Esta abordagem dá a fórmula flutuação de energia correta.

Em teoria quântica de campos, a probabilidade de um evento é calculado pela soma dos amplitude de probabilidade (um número complexo ) para todas as formas possíveis, em que o evento pode ocorrer, como no Feynman diagrama mostrado aqui; a probabilidade é igual ao quadrado do módulo da amplitude total.

Dirac deu um passo adiante. Ele tratou a interação entre uma carga e um campo eletromagnético como uma pequena perturbação que induz transições nos estados de fótons, alterando o número de fótons nos modos, enquanto conserva energia e impulso global. Dirac era capaz de derivar de Einstein $A_ {ij}$ e $B_ {ij}$ coeficientes de primeiros princípios, e mostrou que as estatísticas de Bose-Einstein de fótons é uma consequência natural da quantização do campo eletromagnético corretamente (o raciocínio de Bose fui na direção oposta, ele derivado A lei de Planck da radiação de corpo negro, assumindo estatísticas B-E).No tempo de Dirac, não era ainda conhecido que todos os bósons, incluindo fótons, deve obedecer a estatística de Bose-Einstein.

Segunda ordem de Dirac teoria de perturbação pode envolver fótons virtuais, estados intermediários transitórios do campo eletromagnético; os estáticos eléctricos e magnéticos são mediadas por interacções tais fotões virtuais. Em tais teorias quânticas de campo , a amplitude de probabilidade de eventos observáveis é calculado pela soma sobre todos os passos intermédios possíveis, até mesmo aqueles que são não físico; Assim, fotões virtuais não são limitados a satisfazer $E=pc$ , e pode ter extras estados de polarização; dependendo da bitola usado, fótons virtuais podem ter três ou quatro estados de polarização, em vez dos dois estados de fótons reais. Embora esses fotões virtuais transientes nunca pode ser observado, que contribuem de forma mensurável para as probabilidades de eventos observáveis. Com efeito, tal segunda ordem e cálculos de perturbação de ordem superior pode dar aparentemente infinitas contribuições para a soma. Tais resultados não físico são corrigidas por meio da técnica de renormalização . Outras partículas virtuais podem contribuir para o somatório bem; por exemplo, dois fótons podem interagir indiretamente por meio virtual de elétron - pósitron pares. Na verdade, tal dispersão de fótons fótons, bem como de elétrons-espalhamento de fótons, é destinado a ser um dos modos de funcionamento do acelerador de partículas previsto, o Colisor Linear Internacional.

Na notação física moderna, oestado quântico do campo eletromagnético é escrito como umestado Fock, umproduto tensor dos estados para cada modo electromagnético

$|n_{k_0}\rangle\otimes|n_{k_1}\rangle\otimes\dots\otimes|n_{k_n}\rangle\dots$

onde $|n_{k_i}\rangle$ representa o estado em que $\, n_{k_i}$ os fótons estão no modo $k_i$ .Neste formato, a criação de um novo fóton no modo $k_i$ (por exemplo, emitida a partir de uma transição atômica) é escrito como $|n_{k_i}\rangle \rightarrow|n_{k_i}+1\rangle$ .Esta notação apenas expressa o conceito de Born, Heisenberg e Jordan descrito acima, e não adiciona qualquer física.

As propriedades hadrônicas do fóton

As medições da interacção entre fotões energéticos e hadríons mostram que a interacção é muito mais intensa do que o esperado pela interacção de apenas fotões com carga eléctrica do hádron. Além disso, a interacção de protões com fotões energéticos é semelhante à interacção de fotões com neutrões, apesar do facto de as estruturas eléctricas de carga de protões e os neutrões são substancialmente diferentes.

A teoria chamada Vector Meson Dominance (VMD) foi desenvolvida para explicar esse efeito. De acordo com a VMD, o fóton é uma superposição de o fóton eletromagnético puro (que interage somente com cargas elétricas) e vector méson.

O fóton como um bóson de calibre

O campo electromagnético pode ser entendido como ummedidor de campo, isto é, como um campo que resulta de exigir que uma simetria de calibre possui, independentemente, em cada posição no espaço-tempo. Para o campo electromagnético, esta simetria de calibre é oAbelianoL (1) de simetria de umnúmero complexo, que reflecte a capacidade de variar afase de um número complexo sem afectarobserváveis oufunções valorizados reaisproduzidos a partir dela, tais como aenergiaou ode Lagrange.

A quanta de um medidor de campo Abeliano deve ser sem massa, bosões não carregadas, enquanto a simetria não é quebrada; Assim, o fotão está previsto para ser sem massa, e têm um valor zero carga eléctrica e spin inteiro. A forma particular da interação eletromagnética especifica que o fóton deve ter rotação ± 1; assim, a sua helicidade deve ser $\pm \hbar$ . Esses dois componentes de spin correspondem aos conceitos clássicos de luz polarizada circularmente destro e canhoto. No entanto, os transitórios fótons virtuais de eletrodinâmica quântica também pode adoptar estados de polarização não físico.

No prevalecente Modelo Padrão da física, o fóton é um dos quatro bósons na interação eletrofraca; o outros três são indicados W ⁺ , W ^- e Z ⁰ e são responsáveis pelo interação fraca. contrário o fóton, estes bósons têm massa, devido a um mecanismo que quebra o seu SU (2) calibre simetria. A unificação do fóton com bósons W e Z na interação eletrofraca foi realizado por Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg, para o qual foram concedidos os 1,979 Prêmio Nobel de Física. físicos continuam a hipótese de grandes teorias unificadas que conectam esses quatro bósons com os oito bósons glúon de cromodinâmica quântica; No entanto, as previsões-chave destas teorias, como o decaimento do próton, não foram observados experimentalmente.

As contribuições para a massa de um sistema

A energia de um sistema que emite um fotão é diminuída pela energia $E$ do fotão medido no quadro resto do sistema emissor, o que pode resultar numa redução na quantidade de massa ${E}/{c^2}$ . Da mesma forma, a massa de um sistema que absorve um fotão é aumentada por um valor correspondente. Como uma aplicação, o balanço de energia de reações nucleares envolvendo fótons é comumente escrito em termos das massas dos núcleos envolvidos, e os termos do formulário ${E}/{c^2}$ para os fótons gama (e para outras energias relevantes, tais como a energia de recuo dos núcleos).

Este conceito é aplicado nas previsões chave da eletrodinâmica quântica (QED, veja acima). Em que a teoria, a massa de electrões (ou, mais geralmente, leptones) é modificado pela inclusão de contribuições de massa de fotões virtuais, em uma técnica conhecida como renormalização . Essas "correções radiativas" contribuir para uma série de previsões de QED, como o momento magnético dipolo de léptons, o deslocamento de Lamb, ea estrutura hiperfina de pares lepton encadernados, como muonium e positrônio.

Como os fótons contribuir para o tensor de tensão-energia, eles exercem uma atração gravitacional em outros objetos, de acordo com a teoria da relatividade geral . Por outro lado, os fótons são eles próprios afetados pela gravidade; suas trajetórias normalmente retas pode ser dobrado por entortado espaço-tempo, como no efeito de lente gravitacional, e suas frequências podem ser diminuídas pela mudança para um maior potencial gravitacional, como no experimento Pound-Rebka. No entanto, estes efeitos não são específicos de fotões; exactamente os mesmos efeitos que seria previsto para clássicos ondas electromagnéticas .

Fótons na matéria

Qualquer "explicação" de como os fótons viajam através da matéria tem de explicar por que diferentes arranjos de matéria são transparentes ou opacas em diferentes comprimentos de onda (luz através de carbono como diamante ou não, como grafite) e por fótons individuais se comportam da mesma forma que os grandes grupos. As explicações que invocam 'absorção' e 're-emissão' tem que dar uma explicação para a direção dos fótons (difração, reflexão) e ainda explicar como pares de fótons emaranhados pode viajar através da matéria sem o seu estado quântico em colapso.

A explicação mais simples é que a luz que viaja através da matéria transparente fá-lo a uma velocidade mais baixa do que C , a velocidade da luz no vácuo. Além disso, a luz pode também sofrem e espalhamento absorção. Há circunstâncias em que a transferência de calor através de um material é principalmente radiativo, envolvendo emissão e absorção de fótons dentro dele. Um exemplo seria no núcleo do Sol A energia pode levar cerca de um milhão de anos para chegar à superfície. No entanto, este fenómeno é distinta da radiação dispersa de forma difusa que passa através da matéria, uma vez que envolve o equilíbrio entre o local de radiação e a temperatura. Assim, o tempo é o tempo que leva a energia a ser transferida, e não os fótons próprios. Uma vez no espaço aberto, um fóton do Sol leva apenas 8,3 minutos para chegar à Terra. O factor pelo qual a velocidade da luz é diminuída em um material é chamado o índice de refracção do material. Em uma imagem clássica de onda, o retardamento pode ser explicado pela luz indutora polarização eléctrica na matéria, a matéria polarizada irradiando nova luz, e a nova luz interferir com a onda de luz original para formar uma onda atrasada. Em uma imagem de partícula, o retardamento em vez disso pode ser descrita como uma mistura de fotões com a excitação quântica da matéria ( quase-partículas, tais como fonões e excitï¿½s) para formar um polariton; este polariton tem um diferente de zero de massa efectiva, o que significa que não pode viajar em c .

Alternativamente, os fótons podem ser vistos como sempre viajando em c , mesmo na matéria, mas eles têm a sua fase deslocada (atrasada ou avançada) sobre a interação com scatters atômicas: altera seu comprimento de onda e dinâmica, mas não de velocidade. Uma onda de luz formada por estes fotões não viajar mais lento do que a velocidade da luz. Nesta vista os fótons são "nua", e são dispersos e fase deslocada, enquanto no modo de exibição do número anterior os fótons são "vestido" por sua interação com a matéria, e mover-se sem dispersão ou mudança de fase, mas a uma velocidade menor .

Luz de diferentes frequências pode viajar através da matéria em diferentes velocidades; esta é chamada dispersão. Em alguns casos, isto pode resultar em velocidades muito lentas de luz em questão. Os efeitos das interações de fótons com outras quase-partículas podem ser observados diretamente no espalhamento Raman e Espalhamento de Brillouin.

Fótons também podem ser absorvidos por núcleos, átomos ou moléculas, provocando transições entre a sua os níveis de energia. Um exemplo clássico é a transição molecular de retina C ₂₀ H ₂₈ O, que é responsável pela visão, como descoberto em 1958 pelo Prêmio Nobel bioquímico George Wald e colegas de trabalho. A absorção provoca um cis-trans de isomerização que, em combinação com outros tais transições, é transduzida em impulsos nervosos. A absorção de fotões podem ainda quebrar as ligações químicas, tal como no fotodissociação de cloro ; este é o sujeito de fotoquímica. Analogamente, os raios gama podem, em algumas circunstâncias dissociar núcleos atómicos em um processo chamado fotodesintegração.

As aplicações tecnológicas

Fótons têm muitas aplicações em tecnologia. Estes exemplos são escolhidos para ilustrar aplicações de fótons , por si só , em vez de dispositivos ópticos em geral, tais como lentes, etc., que poderiam operar sob uma teoria clássica da luz. O laser é uma aplicação extremamente importante e é discutido acima sob emissão estimulada.

Fotões individuais podem ser detectados por vários métodos. O clássico tubo fotomultiplicador explora o efeito fotoeléctrico:. uma aterragem de fotões sobre uma placa de metal ejecta um electrão, iniciando uma avalanche sempre amplificação de electrões fichas Charge-Coupled Device usar um efeito semelhante em semicondutores : um incidente fotão gera uma carga em um microscópico condensador que pode ser detectado. Outros detectores, tais como contadores Geiger utilizar a capacidade de fotões para ionizar moléculas de gás, causando uma alteração detectável na condutividade.

Fórmula de energia de Planck $E=h\nu$ é frequentemente utilizado por engenheiros e químicos em design, tanto para calcular a variação da energia resultante de uma absorção de fótons e de prever a frequência da luz emitida por uma determinada energia de transição. Por exemplo, a espectro de emissão de umalâmpada fluorescente pode ser projetado usando moléculas de gás com diferentes níveis de energia eletrônica e ajustar a energia típica com que um elétron atinge as moléculas de gás dentro da lâmpada.

Sob algumas condições, uma transição energética pode ser animado por "dois" fótons que individualmente não sejam suficientes. Isto permite a microscopia de resolução mais alta, porque a amostra absorve energia apenas na região onde dois feixes de cores diferentes sobrepõem-se significativamente, o que pode ser feito muito menor do que o volume de excitação de um único feixe (ver microscopia de excitação de dois fotões). Além disso, esses fotões causar menos danos para a amostra, uma vez que eles são de baixa energia.

Em alguns casos, duas transições de energia pode ser acoplada, de modo que, como um sistema absorve um fotão, mais próximas do sistema "rouba" de energia e a sua re-emite um fotão de uma frequência diferente. Esta é a base de transferência de energia de ressonância de fluorescência, uma técnica que é utilizada em biologia molecular para estudar a interacção de adequados proteínas .

Vários tipos diferentes de hardware gerador de números aleatórios envolvem a detecção de fótons únicos. Num exemplo, para cada bit na sequência aleatória que é para ser produzido, um fotão é enviado para um divisor de feixe. Em tal situação, há dois resultados possíveis de igual probabilidade. O resultado real é usado para determinar se o bit seguinte na sequência é "0" ou "1".

Uma pesquisa recente

Muita investigação tem sido dedicada para aplicações de fótons no campo da óptica quântica. Fótons parece bem adequada para ser elementos de um extremamente rápido computador quântico , eo entrelaçamento quântico dos fótons é um foco de pesquisa. processos ópticos não-lineares são outra área de pesquisa ativa, com temas como absorção de dois fótons, modulação auto-fase, instabilidade modulacional e osciladores paramétricos ópticos. No entanto, esses processos geralmente não requerem a suposição de fotões per se ; eles podem frequentemente ser modelado por tratamento de átomos como osciladores não lineares. O processo não linear de conversão paramétrica descendente espontânea é muitas vezes usado para produzir estados de fóton único. Finalmente, os fótons são essenciais em alguns aspectos da comunicação óptica, especialmente para a criptografia quântica.

Retirado de " http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photon&oldid=543624184 "