Hãy tưởng tượng một tia nắng vàng chiếu qua cửa sổ. Theo vật lý lượng tử, chùm ánh sáng này bao gồm những đốm sáng nhỏ gọi là photon truyền trong không khí. Nhưng chính xác thì photon là gì?
Định nghĩa
Photon là lượng tử hay lượng tử rời rạc nhỏ nhất của bức xạ điện từ. Nó là đơn vị cơ bản của tất cả ánh sáng.
Các photon luôn chuyển động và di chuyển với vận tốc không đổi trong chân không qua tất cả các chiều có thể quan sát được là 2.998 x 108 m/s. Điều này thường được gọi là tốc độ ánh sáng và được ký hiệu là chữ c.
Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, năng lượng của một photon bằng tần số dao động của nó nhân với hằng số Planck. Einstein đã chứng minh rằng ánh sáng là một dòng photon, năng lượng của các photon này là độ cao của tần số dao động của chúng và cường độ ánh sáng tương ứng với số lượng photon. Về cơ bản, ông đã giải thích cách các dòng photon hành xử giống như sóng và hạt.
Tính chất của photon
Các đặc tính cơ bản của photon:
- Chúng có khối lượng bằng không và năng lượng nghỉ bằng không. Chúng chỉ tồn tại dưới dạng các hạt chuyển động.
- Mặc dù chúng không có khối lượng nghỉ nhưng chúng là hạt cơ bản.
- Họ không tính phí.
- Chúng ổn định.
- Chúng là những hạt có spin 1 khiến chúng trở thành boson.
- Năng lượng và động lượng mà chúng mang theo phụ thuộc vào tần số.
- Chúng có thể tương tác với các hạt khác như electron, chẳng hạn như hiệu ứng Compton.
- Chúng có thể bị phá hủy hoặc tạo ra bởi nhiều quá trình tự nhiên, chẳng hạn như khi bức xạ được hấp thụ hoặc phát ra.
- Trong chân không, chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng.
- Không chỉ ánh sáng được tạo thành từ các photon mà tất cả năng lượng điện từ (tức là vi sóng, sóng vô tuyến, tia X) đều được tạo thành từ các photon.
- Khái niệm ban đầu về photon được đề xuất bởi Albert Einstein. Tuy nhiên, nhà khoa học Gilbert N. Lewis là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “photon” để mô tả nó.
- Lý thuyết cho rằng ánh sáng hành xử như sóng và hạt được gọi là lý thuyết lưỡng tính sóng-hạt.
- Photon luôn trung hòa về điện. Họ không có phí.
- Photon không tự hủy.
Lịch sử
Bản chất của ánh sáng—dù bạn coi nó là hạt hay sóng—là một trong những cuộc tranh luận khoa học lớn nhất. Trong nhiều thế kỷ, các triết gia và nhà khoa học đã tranh luận về những vấn đề vẫn chưa được giải quyết cách đây một thế kỷ.
Các môn đệ của vaishedhika, một nhánh của triết học Ấn Độ vào thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên, có một trực giác vật lý đáng kinh ngạc về ánh sáng. Giống như người Hy Lạp cổ đại, họ từng tin rằng thế giới được xây dựng trên các “nguyên tử” của đất, không khí, lửa và nước. Người ta cho rằng bản thân ánh sáng được tạo thành từ các nguyên tử chuyển động rất nhanh gọi là tia bức xạ. Điều này rất giống với lý thuyết hiện đại của chúng ta về ánh sáng và các photon cấu thành của nó, một thuật ngữ được đặt ra hàng ngàn năm sau vào năm 1926 bởi một nhà hóa học và nhà vật lý quang học tên là Gilbert Lewis. Tìm hiểu tên frithiof sói.
Sau đó, vào khoảng năm 300 trước Công nguyên, nhà vật lý Hy Lạp cổ đại Euclid đã tạo ra một bước đột phá lớn khi chứng minh rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng. Euclid cũng mô tả các định luật phản xạ, được bổ sung một thế kỷ sau bởi Ptolemy với công trình của ông về khúc xạ. Tuy nhiên, mãi đến năm 1021, các định luật khúc xạ mới chính thức được thiết lập trong kitab al-manazir của ibn al-haytham, hay sách về quang học.
Thời kỳ Phục hưng sẽ mở ra một kỷ nguyên khoa học mới về bản chất của ánh sáng. Đáng chú ý là sự tham gia của rené descartes trong một bài báo năm 1637 có tên la dioptrique, trong đó ông chỉ ra rằng ánh sáng do xung tạo ra sẽ lan truyền ngay lập tức khi tiếp xúc với một “quả bóng” trong môi trường. Sau đó, trong tạp chí traité de la lumière xuất bản năm 1690, Christiaan Huygens xem ánh sáng như một sóng nén trong một môi trường đàn hồi, chẳng hạn như sóng áp suất âm thanh. Huygens đã chỉ ra cách phản xạ, khúc xạ và lọc sóng ánh sáng và giải thích hiện tượng lưỡng chiết.
Cho đến nay, các nhà khoa học rơi vào hai phe cố thủ. Một bên cho rằng ánh sáng là sóng, còn bên kia cho rằng ánh sáng là hạt hay phân tử. Người ủng hộ cái gọi là “nhà khoa học toán học” không ai khác chính là Isaac Newton, được nhiều người coi là nhà khoa học vĩ đại nhất mọi thời đại. Newton không thích thuyết sóng vì nó có nghĩa là ánh sáng có thể truyền đi quá xa trong bóng tối.
Trong phần lớn thế kỷ 18, thuyết phân tử thống trị các cuộc tranh luận về tính chất của ánh sáng. Nhưng sau đó, vào tháng 5 năm 1801, Thomas Young đã giới thiệu với thế giới về thí nghiệm hai khe nổi tiếng hiện nay của mình, trong đó ông chứng minh được sự giao thoa của sóng ánh sáng.
Trong phiên bản thử nghiệm đầu tiên, Young thực tế không sử dụng hai khe cắm mà là một chiếc thẻ mỏng. Các nhà vật lý chỉ cần che cửa sổ bằng một tờ giấy có một lỗ nhỏ để tạo ra một chùm ánh sáng mỏng. Young cầm một tấm thẻ trên tay và chứng kiến chùm tia chia đôi như thế nào. Ánh sáng đi qua một mặt của tấm thiệp cản trở ánh sáng từ mặt kia của tấm thiệp, tạo ra các vệt có thể nhìn thấy trên bức tường đối diện. Young sau đó đã sử dụng dữ liệu này để tính toán bước sóng của các màu ánh sáng khác nhau và đã tiến rất gần đến các giá trị hiện đại. Cuộc biểu tình sẽ cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng ánh sáng là sóng chứ không phải hạt.
Trong khi đó, lần này ở Pháp, chuyển động của các hạt ánh sáng đã được tăng cường sau khi những phát triển gần đây cho thấy sự phân cực của ánh sáng là do sự bất đối xứng nhất định giữa các hạt gây ra. Họ đã thất bại thảm hại dưới bàn tay của Augustin Fresnel, người đã chỉ ra vào năm 1821 rằng sự phân cực có thể được giải thích nếu ánh sáng là sóng ngang mà không có dao động dọc. Trước đó, Fresnel cũng đã đề xuất lý thuyết đúng về hiện tượng nhiễu xạ sóng.
Cho đến nay, những người theo thuyết Newton có rất ít cơ sở ổn định để tranh luận. Có vẻ như ánh sáng là một làn sóng và không có gì hơn. Vấn đề là, ether huyền thoại – môi trường bí ẩn cần thiết để củng cố trường điện từ và tạo ra định luật lan truyền của Fresnel – bị mất tích, bất chấp mọi nỗ lực tìm kiếm của mọi người. Chưa có ai thực sự làm được điều này.
Năm 1861, James Clerk Maxwell đã tạo ra bước đột phá khi ông cô đọng kiến thức lý thuyết và thực nghiệm của mình về điện từ thành 20 phương trình. Maxwell dự đoán một “sóng điện từ” sẽ tự duy trì ngay cả trong chân không không có dòng điện bình thường. Điều này có nghĩa là không cần ether để ánh sáng đi qua! Hơn nữa, ông dự đoán tốc độ của sóng là 310.740.000 ms-1 – chỉ bằng một vài phần trăm giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng.
Maxwell đã viết vào năm 1865: “Sự thống nhất của các kết quả cho thấy rằng ánh sáng và từ tính được gây ra bởi cùng một vật chất, và rằng ánh sáng là một nhiễu loạn điện từ lan truyền trong một trường tuân theo các định luật điện từ”.
Kể từ ngày đó, lần đầu tiên khái niệm ánh sáng được thống nhất với khái niệm điện và từ.
Ngày 14 tháng 12 năm 1900, Max Planck đã chứng minh rằng bức xạ nhiệt được phát ra và hấp thụ trong các gói năng lượng lượng tử rời rạc. Sau đó, Albert Einstein đã chỉ ra vào năm 1905 rằng điều này cũng áp dụng cho ánh sáng. Einstein đã sử dụng thuật ngữ lichtquant, hay lượng tử ánh sáng. Bây giờ, vào đầu thế kỷ 20, một cuộc cách mạng mới trong vật lý học sẽ lại xoay quanh bản chất của ánh sáng. Lần này, nó không chỉ là vấn đề của phân tử hay sóng. Đó là, một chút của cả hai.
Lý thuyết hiện đại về ánh sáng và photon
Einstein tin rằng ánh sáng là một hạt (photon) và dòng photon là sóng. Nhà vật lý người Đức sau khi phát hiện ra hiệu ứng quang điện, ông cho rằng ánh sáng có bản chất hạt, hiệu ứng quang điện là các êlectron bay ra khỏi bề mặt kim loại bị ánh sáng chiếu vào. Nếu ánh sáng là một làn sóng, điều đó sẽ không xảy ra. Một câu hỏi khó hiểu khác là làm thế nào các quang điện tử tái tạo khi ánh sáng mạnh chiếu vào chúng. Einstein đã sử dụng “bản thân ánh sáng là một hạt” để giải thích hiệu ứng quang điện và đã giành được giải thưởng Nobel Vật lý cho điều này.
Ý chính của thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein là năng lượng của ánh sáng có liên quan đến tần số dao động của nó. Ông đề xuất rằng năng lượng của một photon bằng “tần số dao động thời gian không đổi Planck”, năng lượng photon này là độ cao của tần số dao động và cường độ ánh sáng tương ứng với số lượng photon. Ánh sáng là sóng điện từ có các tính chất khác nhau do tác động của các hạt nhỏ gọi là photon mà mắt thường không nhìn thấy được.
Einstein suy đoán rằng khi các electron bên trong một chất va chạm với các photon, thì photon trước sẽ lấy năng lượng của photon kia và bay ra ngoài, đồng thời tần số rung động và năng lượng của photon va chạm càng cao thì càng nhiều electron bay ra nhiều. Một số bạn đã chứng minh ý tưởng này trong chính ngôi nhà của mình – các tấm pin mặt trời! Tóm lại, ông ấy đang nói rằng ánh sáng là một dòng photon, năng lượng của những photon này là mức tần số dao động của chúng, và cường độ ánh sáng có liên quan đến số lượng photon.
Einstein đã có thể chứng minh lý thuyết của mình bằng cách rút ra hằng số Planck từ các thí nghiệm của ông về hiệu ứng quang điện. Các tính toán của ông cho ra hằng số Planck là 6,6260755 x 10-34, đây là giá trị mà Max Planck đạt được vào năm 1900 từ nghiên cứu của ông về sóng điện từ. Rõ ràng, điều này cho thấy rằng có một mối quan hệ chặt chẽ giữa tính chất dao động và tần số của ánh sáng dưới dạng sóng với tính chất và động lượng của ánh sáng với tư cách là hạt. Sau đó, vào những năm 1920, nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger đã xây dựng thêm những ý tưởng này bằng phương trình hàm sóng lượng tử của mình để mô tả sóng trông như thế nào.
Hơn một trăm năm sau khi Einstein chứng minh tính chất kép của ánh sáng, các nhà vật lý Thụy Sĩ tại EPFL đã chụp được ảnh chụp nhanh đầu tiên về hành vi kép này. Một nhóm do Fabrizio Carbone đứng đầu đã thực hiện một thí nghiệm khéo léo vào năm 2015, trong đó tia laze được chiếu vào một dây nano, khiến các electron dao động. Ánh sáng di chuyển theo hai hướng có thể dọc theo đường mỏng này, giống như một chiếc ô tô trên đường cao tốc. Khi các sóng truyền ngược chiều nhau gặp nhau, chúng tạo thành một sóng mới dường như đứng yên. Tại đây, sóng dừng này trở thành nguồn sáng cho thí nghiệm, phát ra xung quanh dây nano. Chùm tia phát ra một dòng electron mới để tạo ra hình ảnh sóng dừng của ánh sáng, một dấu vết về bản chất sóng của ánh sáng. Kết quả sẽ được hiển thị dưới đây.
Photon là gì?
Bạn đã bao giờ thắc mắc photon có hình dạng như thế nào chưa? Các nhà khoa học đã cân nhắc câu hỏi này trong nhiều thập kỷ, và cuối cùng, vào năm 2016, các nhà vật lý Ba Lan đã tạo ra hình ảnh ba chiều đầu tiên của một hạt ánh sáng. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Warsaw đã tạo ra ảnh ba chiều bằng cách bắn đồng thời hai chùm ánh sáng vào một bộ tách chùm làm bằng tinh thể canxit. Bộ tách chùm giống như một ngã tư đèn giao thông, vì vậy mỗi photon có thể đi thẳng hoặc rẽ. Khi một photon đứng một mình, mỗi đường đi có khả năng như nhau, nhưng khi có nhiều photon hơn tham gia, chúng tương tác và tỷ lệ chênh lệch thay đổi. Nếu bạn biết hàm sóng của một trong các photon, bạn có thể tính toán hình dạng của hạt thứ hai từ nơi tia sáng xuất hiện trên máy dò. Hình ảnh thu được trông hơi giống chữ thập tiếng Malta, giống như hàm sóng được dự đoán từ phương trình Schrödinger.
Có thể nhìn thấy ảnh ba chiều
của một photon đơn lẻ được tái tạo từ các phép đo thô ở bên trái so với hình dạng photon được dự đoán theo lý thuyết ở bên phải. Nguồn: fuw
Sự thật về photon
Hóa dầu
Nguồn: zmescience
