6.1: Хвиля і частинки природи світла
Фізика електромагнітного випромінювання описується рівняннями Максвелла, рівняннями 1.6.3 - 1.6.6, і розглядається в розділах 1.6.1 і 4.4.1. Оптична енергія - це електромагнітна енергія з довжинами хвиль приблизно в діапазоні
400nm≲λ≲650nm.
Цей діапазон довжин хвиль відповідає діапазону частот
4.6⋅1014Hz≲f≲7.5⋅1014Hz.
Ми часто думаємо про електромагнітне випромінювання як поводиться як хвиля. Однак він має як хвилеподібну, так і частинкоподібну поведінку.
Один із способів зрозуміти світло - думати про нього як про нього, що складається з частинок, званих фотонами. Квант - це невеликий шматок, а фотон - квантовий невеликий шматок світла. Пов'язана величина - це фонон, який є квантами, або невеликим шматочком коливань решітки. Фонони ми обговоримо в більш пізньому розділі, і вони не стосуються світла. Хоча фонони можуть обурювати світло, і це є основою для акустооптичних пристроїв. Другий спосіб зрозуміти світло - думати про нього як про хвилю з довжиною хвилі,λ виміряною вnm. Біле світло має широку пропускну здатність, тоді як світло, вироблене лазером, має дуже вузьку пропускну здатність.
Ці два опису світла доповнюють один одного. Фотон - це найменша одиниця світла, і вона має певну довжину хвилі. Енергія фотона світла з довжиною хвиліλ задається
E=hf=hcλ.
Величинаh називається постійною Планка, і вона має крихітне значення,h=6.626⋅10−34J⋅s. Кількістьc - швидкість світла у вільному просторі,c=2.998⋅108ms.
В одиницях СІ енергія вимірюється в джоулі. Однак інші одиниці іноді використовуються інженерами-оптиками, оскільки енергія окремого фотона крихітна порівняно з джоулем. Ще одна одиниця, яка використовується - електронвольт, або еВ. Величина заряду електрона дорівнюєq=1.602⋅10−19C. Електронвольт - енергія, придбана зарядом такої величини при наявності різниці напруг в один вольт [68, с. 8]. Енергія в джоулі і енергія в еВ пов'язані коефіцієнтомq.
E[J]=q⋅E[eV]
Рівняння\ ref {6.1.1} і\ ref {6.1.2} можуть бути об'єднані, щоб зв'язати енергію фотона в еВ і відповідну довжину хвилі вnm.
1240λ[nm]=E[eV].
Іноді енергія задається в одиниці хвильового числаcm−1, яке представляє зворотну довжині хвилі відповідного фотона. Енергія в джоулі і енергія в хвильовому числі пов'язані
E[J]=hcλ
E[J]=6.626⋅10−34J⋅s⋅2.998⋅108ms⋅100cmmλ[cm]
E[J]=1.986⋅10−23E[cm−1].
Людське око може відчувати світло приблизно відλ=400nm доλ=650nm. Використовуючи вирази вище, ми можемо обчислити в різних одиницях енергетичний діапазон, на який може реагувати людське око. Індивідуальний червоний фотон зλ=650nm має енергію
Ered=3.056⋅10−19J=1.908eV=1.538⋅104cm−1
в різних одиницях. Аналогічно, індивідуальний синій фотон зλ=400nm має енергію
Eblue=4.966⋅10−19J=3.100eV=2.500⋅104cm−1.
Ми можемо обчислити енергію окремих фотонів електромагнітного випромінювання на радіочастотах, на мікрохвильових частотах або в інших діапазонах частот теж. Наприклад, радіостанція WEAX веде мовлення з частотоюf=88MHz. Це відповідає довжині хвиліλ=3.407m. Окремий фотон на цій частоті має енергію
E=5.831⋅10−26J=3.640⋅10−7eV.
Як інший приклад, wi-fi працює на частотахf=2.4GHz, біля яких відповідає довжина хвиліλ=0.125m. Кожен фотон на цій частоті має енергію
E=1.590⋅10−24J=9.927⋅10−6eV.
Ультрафіолетове світло має довжину хвилі трохи коротше синього світла. Фотон ультрафіолетового світла з довжиною хвиліλ=350nm, яка відповідає частотіf=8.57⋅1014Hz, має енергію
E=5.676⋅10−19J=3.543eV.
Рентгенівські промені працюють на довжині хвиль поблизуλ=10−10m. Рентгенівський фотон з довжиною хвиліλ=10−10m має енергію
E=1.986⋅10−15J=1.240⋅104eV.
Чому ми говоримо про радіохвилі, але не про радіочастинки, поки ми ставимося до світла як хвилеподібного, так і частиноподібного? Людина має висоту від 1,5 до 2 м. Довжина хвилі радіостанції, що транслюється в наведеному вище прикладі, була вλRF≈3.4m той час як довжина хвилі синього світла булаλbluelight≈400nm. Як радіочастотні, так і оптичні сигнали є електромагнітним випромінюванням. Обидва добре описані рівняннями Максвелла. Обидва мають хвилеподібні та частиноподібні властивості. Люди зазвичай говорять про хвилеподібну природу радіохвиль, оскільки вони знаходяться в масштабі, який ми можемо виміряти за допомогою метрової палиці. Однак за допомогою правильних інструментів ми можемо спостерігати як хвилеподібну, так і частинкоподібну поведінку світла.
Чому ультрафіолетове світло небезпечніше видимого світла? Чому рентгенівські знімки так небезпечні? Кожен фотон рентгенівського випромінювання має приблизно в тисячу разів більше енергії, ніж фотон зеленого світла. Цей тип випромінювання називається іонізуючим випромінюванням, оскільки кожен фотон має достатньо енергії, щоб вирвати електрон зі шкіри або м'язів. УФ-випромінювання також має достатньо енергії на фотон, щоб зірвати електрон, тоді як червоне світло та синє світло не мають достатньої кількості енергії. Фотони радіочастотного та мікрохвильового електромагнітного випромінювання не містять ніде достатньо енергії на фотон, щоб зробити цю шкоду. Ці типи випромінювання все ще можуть становити небезпеку для безпеки, якщо на шкіру потрапляє достатня кількість фотонів. Мікрохвильові печі використовуються для приготування їжі. Однак вони не становлять небезпеки іонізуючого випромінювання.