21.3 Tvíeðli ljóss
21.3 Tvíeðli ljóss
Markmið kaflahluta
Lykilhugtök
Skriðþungi ljóseinda
Fylgja ljóseindir grundvallareiginleikum eðlisfræðinnar? Geta skammtar rafsegulorku fylgt sömu reglum og borðtenniskúla eða rafeind? Þótt það virðist undarlegt er svarið við báðum spurningum já.
Ljóseindir eru massalausar, en þær geta samt borið skriðþunga. Ljósröfun sýnir að ljóseindir geta slegið rafeindir út úr efni. Mynd 21.10 sýnir stórsæja vísbendingu um skriðþunga ljóseinda: hala halastjörnu.
Halar halastjarna vísa alltaf frá sólinni, ekki einfaldlega aftur eftir braut halastjörnunnar. Rykagnir í halanum ýtast frá sólinni þegar ljóseindir lenda á þeim og flytja hluta af skriðþunga sínum í árekstrum. Blái halinn verður hins vegar til vegna sólvinds, straums rafgass sem inniheldur einkum róteindir og rafeindir frá kórónu sólarinnar.
Comptonhrif og de Broglie-sambandið
Skriðþungi varðveitist í skammtafræði rétt eins og í afstæðiskenningu og sígildri eðlisfræði. Ein fyrstu beinu tilraunagögnin komu frá dreifingu röntgenljóseinda á rafeindum í efnum, fyrirbæri sem Arthur H. Compton uppgötvaði. Um 1923 sá Compton að röntgengeislar sem dreifðust frá efnum höfðu minni orku. Hann túlkaði það rétt sem árekstur milli tveggja einda: ljóseindar og rafeindar sem var í upphafi kyrrstæð í efninu.
Nákvæmar mælingar sýndu að bæði orka og skriðþungi varðveittust í árekstrinum. Fyrir þessa uppgötvun, sem nú kallast Comptonhrif, hlaut Compton Nóbelsverðlaunin árið 1929.
Skömmu eftir uppgötvun Compton-dreifingar ákvarðaði Louis de Broglie skriðþunga ljóseindar með sambandinu p = h/λ. Í de Broglie-sambandinu er h Plancksfasti og λ bylgjulengd ljóseindarinnar.
Skriðþungi ljóseindar er venjulega mjög lítill, bæði vegna þess að p = h/λ og vegna þess að Plancksfastinn er mjög lítill. Þess vegna tökum við yfirleitt ekki eftir skriðþunga ljóseinda; speglar hrökkva ekki sýnilega til baka þegar ljós endurkastast af þeim. Compton sá áhrifin vegna þess að hann notaði röntgengeisla, sem hafa stutta bylgjulengd og því tiltölulega mikinn skriðþunga, í víxlverkun við léttar rafeindir.
Unnið dæmi 21.12: Samanburður á skriðþunga rafeindar og ljóseindar
(a) Reiknaðu skriðþunga sýnilegrar ljóseindar með bylgjulengdina 500 nm. (b) Finndu hraða rafeindar með sama skriðþunga. (c) Hver er orka rafeindarinnar og hvernig ber hún saman við orku ljóseindarinnar?
Skriðþungi ljóseindar fæst með de Broglie-sambandinu p = h/λ. Með λ = 5,00 10−7 m fæst p = (6,63 10−34 J·s)/(5,00 10−7 m) = 1,33 10−27 kg·m/s.
Þessi skriðþungi er lítill og því má nota sígildu jöfnuna p = mv fyrir rafeind með sama skriðþunga. Þá fæst v = p/m = (1,33 10−27 kg·m/s)/(9,11 10−31 kg) = 1.459,9 m/s ≈ 1.460 m/s.
Hreyfiorka rafeindarinnar er KEₑ = 1/2 mv2 = 9,64 10−25 J = 6,02 10−6 eV. Orka ljóseindarinnar er E = hc/λ = 3,98 10−19 J = 2,48 eV. Orka ljóseindarinnar er því um fimm stærðargráðum meiri.
Þótt heildarskriðþungi ljóseinda sé lítill, getur hann skipt máli þegar margar ljóseindir verka á léttan hlut og ekkert hindrar hægt bakslag efnis. Halar halastjarna eru dæmi um þetta, og sama hugmynd liggur að baki sólseglum.
Finndu skriðþunga örbylgjuljóseindar með bylgjulengdina 4,00 cm.
Reiknaðu bylgjulengd ljóseindar sem hefur sama skriðþunga og róteind sem hreyfist með 1,00 prósenti af ljóshraða.
Sólsegl
Að ferðast um sólkerfið með engu nema krafti sólarinnar hefur lengi verið draumur vísindamanna og vísindaskáldsagnahöfunda. Compton, Einstein og Planck lögðu allir fram vísbendingar um að ljós gæti knúið hluti áfram, en tæknin til að nýta það í geimförum varð fyrst aðgengileg mun síðar.
Sólsegl þurfa að vera mjög létt. Ef seglin væru úr massameiri efnum ykist tregðan og skriðþungi ljóseindanna hefði minni áhrif á hreyfingu geimfarsins.
Tvíeðli ljóss
Við höfum lengi vitað að rafsegulgeislun hegðar sér eins og bylgja og getur sýnt samliðun og bylgjubeygju. Við sjáum nú líka að ljós má líkja við eindir: massalausar ljóseindir með skammtaða orku og skriðþunga. Þetta kallast tvíeðli ljóss, eða tvíeðli agna og bylgna.
Tvíeðli ljóss þýðir ekki að ljós velji milli þess að vera bylgja eða eind. Það merkir að mælingar okkar sýna stundum bylgjulíka eiginleika og stundum eindarlíka eiginleika. Við sjáum yfirleitt ekki bæði í sömu athugun, því smáatriðin á skammtastigi eru ekki hluti af venjulegri daglegri reynslu.
Þar sem ljóseindir hafa bæði bylgju- og eindareiginleika er eðlilegt að spyrja hvort efni geti einnig haft bylgjueiginleika. Svarið er já. Sú hugmynd hefur haft gríðarleg áhrif á eðlisfræði tuttugustu og tuttugustu og fyrstu aldar.