está no seu livro de física, go look. Ele diz que você pode modelar a luz como uma onda eletromagnética ou você pode modelar a luz uma corrente de fótons. Não podes usar os dois modelos ao mesmo tempo. É um ou outro. Diz isso, vai ver.
Aqui está um resumo provável da maioria dos livros.1. Luz como uma onda: a luz pode ser descrita (modelada) como uma onda eletromagnética. Neste modelo, um campo elétrico em mudança cria um campo magnético em mudança., Este campo magnético em mudança, em seguida, cria um campo elétrico em mudança e BOOM-você tem luz. Ao contrário de muitas outras ondas (som, ondas de água, Ondas em um estádio de futebol), a luz não precisa de um meio para “Onda” em.
Ah, isso é muito simples de uma explicação? Que tal isto?
estas são uma forma de equações de Maxwell. Eles descrevem a relação entre o campo elétrico e magnético (bem principalmente os dois últimos)., Se você quiser, você pode usar o cálculo vetorial nas equações acima e então eliminar B para obter:
Esta é a forma da equação de onda. As equações de Maxwell dizem que a luz é uma onda.2. Luz como partícula: o livro pode começar com algumas evidências experimentais do efeito fotoelétrico histórico para mostrar que o modelo de onda de luz nem sempre descreve o que acontece.ele Então dirá que podemos modelar a luz como “coisas” individuais (alguns livros realmente dizem partículas e outros apenas dizem fótons)., Estes luz “coisas” têm de energia, que depende do comprimento de onda tal que:
Aqui h é a constante de Planck e λ é o comprimento de onda da luz e f a freqüência. Com o modelo de fóton, uma luz mais brilhante apenas produz mais fótons por segundo.a luz é uma partícula ou uma onda?
A maioria dos textos terminam com algo assim:
“é a luz uma partícula ou uma onda? Esta é uma pergunta difícil – a resposta é que em algumas situações a luz se comporta como uma partícula e em outras ela se comporta como uma onda.,”
What’s wrong with multiple models?
temos sempre vários modelos para as coisas que vemos. No entanto, eles são diferentes deste modelo de onda-partícula de luz. Vamos ver outras modelos.
Momentum. Quando você começar a olhar para o momento, é quase sempre (exceto no incrível livro Matéria e Interações), definido como:
Isso é ótimo. É simples e útil., Vai muito bem com o princípio do momento que diz que a força líquida sobre um objeto é a taxa de tempo de mudança de momento. Claro que também se pode dizer que é errado. E se tiver um próton a mover-se a 90% da velocidade da luz? Nesse caso, você não pode usar esta definição de momentum com o princípio do momentum. Em vez disso, você tem que usar este modelo:
isso é bom, certo? Algumas pessoas chamam isso de “momento relativista”. No entanto, gostaria de chamar a isto apenas um impulso simples., Mas o que isso tem a ver com dois modelos de luz? E se eu quisesse encontrar o impulso de um protão a 10% da velocidade da luz? Que modelo usaria? A resposta depende da rapidez com que pretende calcular isto e da precisão com que deseja que a sua resposta seja. Sim, eu sei que “Rápido” é relativo.
Aqui está um gráfico de momento de um próton em função da velocidade para os dois modelos.
pode ver que, a velocidades mais baixas, os dois modelos concordam., Quanto mais rápido o próton vai, menos os dois modelos concordam.gravidade. Todos conhecem o modelo da força gravitacional, certo? Você pode escrevê-lo assim:
No. Isso é errado. Esse modelo só funciona quando está perto da superfície da Terra. A força gravitacional é:
que ainda está errada, mas melhor. No entanto, muitas vezes não usamos o melhor modelo para a força gravitacional perto da superfície da Terra. Por quê? Porque o modelo mg funciona bem o suficiente., Além disso, os dois modelos concordam na superfície da Terra assim como as duas expressões para o momento do próton concordam para velocidades “lentas”.
Mecânica Quântica. Eu vou saltar muitos dos detalhes muito interessantes, mas deixe-me apenas dizer que eu posso usar o seguinte modelo o comportamento de uma partícula super minúscula em uma caixa. Aqui está um post mais antigo com a maioria da partícula em detalhes de caixa. Diverte-te com isso.,
Ou talvez você gostaria de escrever assim:
Esta é a equação de Schrodinger e Ψ é a chamada função de onda. Ele não lhe dá nada que você possa medir diretamente, mas a partir dele você pode obter a densidade de probabilidade – ou uma descrição de onde uma partícula é provável de ser encontrada (ou realmente, qualquer outra coisa que você possa saber sobre a partícula).mas espera! Há mais., E se usares a equação de Schrodinger para olhar para uma partícula numa caixa dimensional única? Porque fizeste isto? Porque é matematicamente simples e porque podemos usá-lo para explorar alguns dos resultados de um sistema quântico. Da equação de Schrodinger, você descobriria que a partícula só pode existir em certas energias discretas. Este é realmente um dos pontos-chave da mecânica quântica (é o quant no quantum).
minha analogia quântica favorita é uma escadaria. Para uma escadaria você pode estar em um passo ou no próximo passo, mas você realmente não pode estar entre degraus., Neste caso, pode-se dizer que a altura é quantizada. O mesmo é verdade para uma partícula em uma caixa ou um elétron em um átomo de hidrogênio. Existem apenas certos níveis de energia possíveis.este modelo de energia quântica concorda com a mecânica clássica? Sim. Se você olhar para uma bola de tênis balançando para trás e para a frente em uma sala de aula típica, você poderia calcular os níveis de energia quantizada. No entanto, estes níveis de energia estão tão próximos um do outro que você essencialmente nunca seria capaz de verificar experimentalmente que a bola só pode ter certos níveis de energia.,
apenas para ser claro: o modelo quântico de coisas é igual aos outros modelos acima. Ele lentamente dá um resultado diferente do modelo clássico de coisas.por que os livros de texto incluem o modelo de luz de fótons?foi muito paciente. Sei que queres falar sobre fotões, mas tive de tirar as coisas de modelo do caminho. Mas como eu disse, quase todos os livros de física introdutórios falam sobre fótons usando o efeito fotoelétrico como base para este modelo.há uma razão para isso., Albert Einstein ganhou o Prêmio Nobel em 1921, em parte por sua explicação do efeito fotoelétrico. Claro que o Einstein fez outras coisas fantásticas. In particular, the general and special theory of relativity. Mas o Prêmio Nobel não mencionou isso – apenas o efeito fotoelétrico. No entanto, durante o discurso de aceitação de Einstein para o Prêmio Nobel, ele falou sobre relatividade e não o efeito fotoelétrico.,
mas aqui está a parte louca( eu sei, você provavelmente pensa que todo este post é louco): o efeito fotoelétrico pode ser explicado com um modelo de onda clássica de luz, juntamente com um modelo quântico de matéria. A sério, pode., Ignorar os detalhes, deixe-me apenas dizer (e você pode procurar em seu mecânica quântica livro para verificar isso), se você tiver uma partícula com energia E1 e você deseja que ele transição para o nível de energia E2 você pode fazer isso adicionando diferentes potenciais, tais que:
Ei! Isso parece estranhamente similar à equação para a energia de um fóton. Sim. Se você quiser, você pode usar a luz com uma frequência de f para induzir a transição de um nível de energia para outro., Ainda melhor, não importa se esta transição é de um nível de energia mais alto para baixo ou mais baixo para um nível de energia mais elevado. Esta perturbação oscilante pode explicar tanto a absorção como a emissão de luz.e o efeito fotoelétrico? Bem, todos os resultados que você vê experimentalmente podem ser explicados se os elétrons no metal só podem existir em certos níveis de energia (modelo quântico de matéria) e a luz é uma onda. Na verdade, alguns dos livros antigos da mecânica quântica mostram isso como um problema de exemplo.
mas então por que o modelo de fóton está em livros?, Eu diria que é por causa da inércia educacional. Quem escreve os livros? Se você responder “pessoas”, então você está correto. Mas onde é que essas “pessoas” aprendem física? Se dissesses “livros didácticos”, seria uma boa resposta. As pessoas aprendem com livros que têm fotões. Em seguida, eles escrevem um livro, então claramente eles terão fótons em seus livros. Simples.
a luz é quantizada
meu ponto principal aqui é que o fóton não é o que você pensa que é. Não é uma pequena bola de luz. Não é luz como partícula. No entanto, a luz ainda é muito estranha., Há uma natureza quântica nos campos elétrico e magnético na luz (teoria quântica da radiação). Mas a maioria das coisas que você olha pode ser explicada usando um modelo de onda clássica de luz e um modelo quantizado para a matéria.
Appeal to Authority: I admit that sometimes, things get confusing. Caso algum dos meus argumentos não faça sentido, vou adicionar algumas opiniões de especialistas (ou seja, pessoas que sabem mais do que eu).,
“é mais do que tempo de desistir do uso da palavra ‘fóton’, e de um mau conceito que em breve terá um século de idade. A radiação não consiste de partículas e o clássico, isto é, o limite não quântico de QTR é descrito pelas equações de Maxwell para os campos EM, que não envolvem partículas.”
ou talvez você gostaria de uma citação do próprio Einstein?
“todos estes cinquenta anos de reflexão consciente não me trouxeram mais perto da resposta à pergunta, ‘O que são quanta de luz?, Hoje em dia, todos os Tom, Dick e Harry pensam que sabem, mas estão enganados.”
Albert Einstein, letter to Michael Besso 1954.
TL;DR
Sim, esta é longa. Aqui estão os pontos principais para que você não tenha que ler tudo.a luz é incrível.
pergunto-me se devo colocar o tl;dr no início. Bem…
comentários preventivos
não sei porquê, mas espero que algumas pessoas não estejam tão felizes com este post., Em geral, as pessoas têm uma das seguintes duas respostas a este tipo de argumento.
Agora, para alguns dos comentários que você possa ter.estás a dizer que Einstein estava errado? Se sim, você é louco. Na verdade, não. Você pode descrever o efeito fotoelétrico com partículas de luz. Não precisas de o fazer. Ok fine – Einstein estava errado sobre o efeito fotoelétrico. Ele ainda era um génio e talvez o segundo maior físico que conhecemos., Newton só o distrai porque quando precisava de matemática nova para a física, inventou-a. Quando Einstein precisava de matemática Nova, aprendeu com matemáticos.(isto é do meu irmão Neil, ele tem um comentário e uma pergunta) você odeia fótons como Steve Jobs odeia botões. Ainda podemos falar de torpedos fotônicos ou vai bani-los também? Não odeio fotões. Ódio é uma palavra forte. Mas sim, você ainda pode usar torpedos fotônicos-mas e “torpedos leves”? Isso funcionaria?e o momento do fóton?, A maioria dos livros introdutórios dão uma boa explicação de como uma onda eletromagnética pode empurrar matéria eletricamente carregada. Eu particularmente gosto da explicação em matéria e interações II (Wiley: Chabay e Sherwood). Na verdade, aqui está minha explicação anterior de como a luz pode empurrar a cauda de um cometa.e alguma outra coisa em particular que trate de fótons? Remeto-vos para este excelente trabalho de David Norwood. La. (The Use and Abuse of “photon” in Nanomechanics-pdf)
Hat Tip to David Norwood., A sério, a culpa é dele por eu estar a pensar nesta questão toda. No entanto, ele ofereceu algumas sugestões agradáveis para este post.