Fotonu enerģija

- Mēs esam uzskatījuši gaismu par vilni,

un esam to zīmējuši kā viļņveidīgu nepārtrauktu ritmu

ar svārstīgiem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem,

kas pārvietojas kādā virzienā.

Un kāpēc gan mums nevajadzētu to uzskatīt par vilni?

Ja tu to izlaistu caur mazu atvērumu,

šis elektromagnētiskais starojums izplestos,

Notiktu difrakcija, un tieši tā uzvedas viļņi.

Vai arī, ja tu ļautu tam pārklāties pašam ar sevi,

ja tev būtu kāds vilnis kādā apgabalā,

un tas perfekti sakristu

ar kādu citu elektromagnētisko vilni,

tu iegūtu konstruktīvo interference.

Ja tas būtu pretfāzē, tu iegūtu destruktīvo interference.

Tieši tā uzvedas viļņi.

Kāpēc gan mums nevajadzētu saukt elektromagnētisko starojumu par vilni?

Un tieši tā visi domāja.

Bet 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā

fiziķi atklāja kaut ko satricinošu.

Viņi atklāja, ka gaisma,

un jebkurš elektromagnētiskais starojums,

var izrādīt arī daļiņai līdzīgu uzvedību.

Un es nedomāju tikai lokalizāciju kādā telpas apgabalā.

Viļņi var būt lokalizēti.

Ja tu šeit ievadītu kādu vilni, kas būtu viļņa impulss,

nu, šis viļņa impulss ir diezgan lokalizēts.

Kad tas pārvietojas caur šejieni, tas izskatīsies

gandrīz kā daļiņa.

Tas nav īsti tas, ko mēs domājam.

Mēs domājam kaut ko dramatiskāku.

Mēs domājam to, ko fiziķi atklāja par gaismu,

ka gaisma un gaismas daļiņas

var nodot tikai noteiktu enerģijas daudzumu,

tikai diskrētus enerģijas daudzumus.

Pastāv noteikts enerģijas apjoms, ko gaisma var nodot,

ne mazāk par to.

Tieši tāpēc to sauc par kvantu mehāniku.

Tu esi dzirdējis par kvantu lēcienu.

Kvantu mehānika nozīmē diskrētu lēcienu, ne mazāk par to.

Un kā mēs saucam šīs gaismas daļiņas?

Mēs tās saucam par fotoniem.

Kā mēs tos zīmējam?

Tas ir nedaudz sarežģītāk.

Mēs tagad zinām, ka gaisma var uzvesties gan kā vilnis, gan kā daļiņa,

tāpēc mēs dažreiz izvēlamies vidusceļu.

Dažreiz tu to redzēsi šādi,

kur tas ir kā viļņveidīga daļiņa.

Lūk, fotons, un šeit ir cits fotons.

Būtībā, tā ir problēma.

Šī ir galvenā problēma ar viļņu-daļiņu duālismu,

kā to sauc.

Fakts, ka gaisma, un vispār viss pārējais,

var uzvesties tādā veidā, kas parāda viļņveidīgas īpašības,

var parādīt daļiņām līdzīgas īpašības,

tam nav klasiska analoga.

Mēs nevaram savā prātā iztēloties neko, ko esam jebkad redzējuši,

kas var to darīt, kas var uzvesties gan kā vilnis,

gan kā daļiņa.

Tātad būtībā ir neiespējami

uzzīmēt kādu vizuālu attēlojumu,

bet, zini, vienmēr ir labi kaut ko uzzīmēt.

Tāpēc mēs zīmējam savus fotonus šādi.

Un tātad, ko es patiesībā saku, ir tas,

ja tev šeit būtu detektors

kas varētu izmērīt gaismas enerģiju, ko tas saņem

no kāda gaismas avota, es saku, ka

ja šis detektors būtu pietiekami jutīgs,

tu vai nu nesaņemtu gaismas enerģiju, vai vienu lēcienu,

vai nekādu gaismas enerģiju, vai, hop, tu absorbēji vēl vienu fotonu.

Tu nevarētu dabūt kaut ko pa vidu.

Ja kvantu lēciens būtu trīs enerģijas vienības...

Es negribu vēl dot tev konkrētu vienību, bet, teiksim,

trīs enerģijas vienības tu varētu absorbēt,

ja tas būtu enerģijas daudzums šim fotonam,

ja šie fotoni nestu trīs enerģijas vienības,

tu vai nu varētu neabsorbēt nekādu enerģiju

vai absorbēt visas trīs.

Tu nevari absorbēt pusi no tā.

Tu nevari absorbēt vienu enerģijas vienību vai divas enerģijas vienības.

Tu vai nu vari absorbēt visu vai neko.

Tāpēc tā ir kvantu mehānika.

Tu iegūsti šo gaismas diskrēto uzvedību,

nododot visu savu enerģiju kā daļiņa,

vai vispār neko.

Cik daudz enerģijas?

Nu, mums ir formula tam.

Enerģijas daudzums vienā fotonā

tiek noteikts ar šo formulu.

Un pirmais tajā ir Planka konstante.

H ir burts, ko mēs izmantojam Planka konstantei,

reiz f.

Tas ir viss.

Tā ir vienkārša formula.

F ir frekvence.

Kas ir Planka konstante?

Nu, Planks būtībā bija kvantu mehānikas tēvs.

Planks bija pirmais, kurš noskaidroja,

kāda ir šī konstante un piedāvāja,

ka gaisma var nodot savu enerģiju tikai diskrētos daudzumos.

Planka konstante ir ārkārtīgi maza; tā ir

6,626 reiz 10 mīnus 34. pakāpē džouli reiz sekundes.

10 mīnus 34. pakāpē?

Fizikā nav daudz citu skaitļu, kas būtu tik mazi.

Reiz frekvence -- tā ir parastā frekvence.

Tātad frekvence, svārstību skaits sekundē,

mērīts hercos.

Tātad tagad mēs varam mēģināt saprast,

kāpēc fiziķi to nekad agrāk neatklāja?

Un iemesls ir tas, ka Planka konstante ir tik maza,

ka šo fotonu enerģija ir ārkārtīgi maza.

Šī diskrētā enerģijas daudzuma graudainība,

kas tiek nodota, ir tik maza,

ka tā izskatās vienmērīga.

Tu nevari pateikt, ka pastāv mazākais daudzums,

vai vismaz to ir ļoti grūti pateikt.

Tā vietā, lai vienkārši teiktu 'trīs vienības',

būsim konkrētāki.

Violetajai gaismai, kāda ir viena violetā fotona enerģija?

Nu, violetās gaismas frekvence ir

7,5 reiz 10 14. pakāpē herci.

Tātad, ja tu reizini šo skaitli ar Planka konstanti,

6,626 reiz 10 mīnus 34. pakāpē,

tu iegūsi, ka viena violetā fotona enerģija

ir aptuveni pieci reiz 10 mīnus 19. pakāpē džouli.

Pieci reiz desmit mīnus 19. pakāpē,

tas ir ārkārtīgi maz.

To ir grūti ieraudzīt.

To ir grūti pamanīt,

ka enerģija nāk šādā diskrētā daudzumā.

Tas ir kā ar ūdeni.

Es domāju, ūdeni no tava krāna.

Ūdens, kas tek no tava krāna, izskatās nepārtraukts.

Mēs zinām, ka patiesībā tur ir diskrētas ūdens molekulas,

un ka tu vari dabūt tikai vienu ūdens molekulu,

nevienu ūdens molekulu, 10 ūdens molekulas,

diskrētus daudzumus šo ūdens molekulu,

bet to ir tik daudz un tās ir tik mazas,

ka ir grūti pateikt, ka tas nav pilnīgi nepārtraukts.

Tas pats notiek ar šo gaismu.

Šī enerģija ir ārkārtīgi maza.

Katram violetajam fotonam ir ārkārtīgi mazs enerģijas daudzums,

ko tas dod.

Patiesībā, ja tu gribētu zināt, cik tas ir mazs,

beisbola bumbiņa, profesionāls beisbola spēlētājs,

metot bumbiņu ātri, zini,

tā ir aptuveni 100 džoulu enerģija.

Ja tu gribētu zināt, cik šo fotonu,

cik šo violeto fotonu būtu vajadzīgs,

lai būtu vienāda enerģija ar vienu beisbola bumbiņu,

mestu ar profesionāla līmeņa ātrumu?

Būtu vajadzīgi aptuveni divi miljoni triljonu

šo fotonu, lai būtu vienāda enerģija

ar mestu beisbola bumbiņu.

Tāpēc mēs to neredzam makroskopiskā mērogā.

Visiem praktiskiem nolūkiem, cik mums rūp,

makroskopiskā līmenī gaisma būtībā ir nepārtraukta.

Tā var nodot jebkādu enerģiju,

jo mērogs šeit ir tik mazs.

Bet ja tu skaties tuvumā,

gaisma var nodot tikai diskrētus daudzumus.

Tagad, es nedomāju, ka gaisma var nodot tikai

mazus daudzumus.

Gaisma var nodot milzīgu enerģijas daudzumu,

bet tā to dara gabalos.

Tātad padomā par to šādi...

Izdzēsīsim visu šo.

Padomā par to šādi:

pieņemsim, ka tev ir detektors, kas reģistrēs

cik daudz enerģijas tas absorbē,

un mēs to attēlosim grafikā.

Mēs grafikā attēlosim, ko šis detektors izmērīs,

enerģijas daudzumu laikā, ko tas mēra.

Tātad mēs iegūsim enerģijas daudzumu laikā.

Tu vari absorbēt milzīgus enerģijas daudzumus.

Un uz detektora, makroskopiskā mērogā,

tas varētu izskatīties šādi.

Zini, tu saņem arvien vairāk gaismas enerģijas.

Tu absorbē arvien vairāk un vairāk enerģijas,

savāc arvien vairāk un vairāk enerģijas.

Bet es saku, ka mikroskopiskā līmenī,

ja tu uz to paskaties,

kas notiek ir tas, ka tu esi absorbējis vienu fotonu šeit.

Tu absorbēji vēl vienu,

absorbēji vēl vienu,

absorbēji veselu kaudzi.

Tu turpini absorbēt kaudzi šo fotonu.

Tu vari uzkrāt daudz enerģijas.

Tas ir labi.

Vienkārši, ja tu skatītos pietiekami tuvu,

tev ir šis pakāpienveida raksts,

kas absorbē fotonus pa vienam,

noteiktu skaitu no tiem.

Varbūt tas absorbē trīs vienā brīdī,

četrus citā brīdī.

Bet tu nevari absorbēt neko pa vidu.

Tas nevar būt pilnīgi nepārtraukts.

Tam ir jābūt diskrētam viss-vai-nekas brīdim

enerģijas absorbcijai, kas makroskopiskā mērogā

izskatās vienmērīgs, bet mikroskopiskā mērogā izceļas

ar to, ka gaismas enerģija nāk diskrētos gabalos,

ko apraksta šis vienādojums,

kas dod tev individuālu gaismas fotonu enerģiju.