פאָטאָן קאָנצעפּט
דער פאָטאָן איז איינער פֿון די מערסט פֿונדאַמענטאַלע און באַדײַטנדיקע קאָנצעפּטן אין מאָדערנער פֿיזיק. דאָס טיילכל איז נישט נאָר קריטיש פֿאַר אונדזער פֿאַרשטאַנד פֿון ליכט און עלעקטראָמאַגנעטיזם, נאָר אויך פֿאַר אַ צאָל דערשיינונגען וואָס פּאַסירן אין דער וועלט. דער אַרטיקל וועט אויספֿאָרשן אין טיפֿקייט וואָס אַ פאָטאָן איז, ווי אונדזער פֿאַרשטאַנד דערפֿון האָט זיך אַנטוויקלט איבער צײַט, זײַנע אַפּליקאַציעס אין טעכנאָלאָגיע, און ווי דאָס קאָנצעפּט איז פֿאַרבונדן מיט אַנדערע פֿיזישע טעאָריעס.
הקדמה צו פאָטאָנען
פשוט געזאגט, פאטאנען זענען עלעמענטארע טיילכלעך וואס מאכן אויס די קוואנטן פון דעם עלעקטראמאגנעטישן פעלד. זיי זענען די יסודות'דיגע טרעגער פון אלע עלעקטראמאגנעטישע אינטעראקציעס. אין פשוטע ווערטער, פאטאנען זענען די טיילכלעך וואס דערקלערן ווי ליכט און אנדערע עלעקטראמאגנעטישע שטראלונג ווערן טראנסמיטירט. פאטאנען האבן נישט קיין רו-מאסע און פארן שטענדיג מיט דער שנעלקייט פון ליכט אין א וואקיום.
דער באַגריף פֿון פֿאָטאָן איז ערשט פֿאָרגעשטעלט געוואָרן דורך אַלבערט איינשטיין אין 1905 אין אַן אַרטיקל וועגן דעם פֿאָטאָעלעקטרישן עפֿעקט. אָבער, איידער מען דיסקוטירט עס ווייטער, איז וויכטיק צו פֿאַרשטיין דעם היסטאָרישן הינטערגרונט פֿון דעם באַגריף פֿון ליכט אַליין.
געשיכטע און עוואָלוציע פון פארשטאנד פון ליכט
די קלאַסישע תקופה און די כוואַליעס פון ליכט
פארן 20סטן יארהונדערט, איז ליכט געווען הויפטזעכליך פארשטאנען אלס א כוואליע. די כוואליע טעאריע פון ליכט איז באשטעטיקט געווארן דורך טאמעס יאנג'ס עקספערימענטן אויף ליכט אינטערפערענץ אין די פריע 1800ער יארן. דזשיימס קלארק מאקסוועלל האט שפעטער צוגעשטעלט א שטארקע טעארעטישע יסוד פאר כוואליע טעאריע מיט מאקסוועל'ס גלייכונגען, וואס האבן געוויזן אז ליכט איז אן עלעקטראמאגנעטישע כוואליע וואס פארשפרייט זיך דורך ספעיס.
דער פאָטאָעלעקטרישער עפֿעקט און די אויפֿקום פֿון קוואַנטום טעאָריע
אין די שפּעטע 19טע און פריע 20סטע יאָרהונדערטער, האָט אַ סעריע עקספּערימענטן אַנטפּלעקט עטלעכע דערשיינונגען וואָס מען קען נישט דערקלערן דורך דער קלאַסישער כוואַליע טעאָריע פון ליכט. איין אַזאַ דערשיינונג איז געווען דער פאָטאָעלעקטרישער עפֿעקט, אין וועלכן ליכט וואָס שלאָגט אַ מעטאַלענע אויבערפֿלאַך פֿאַראורזאַכט די אויסשטראַלונג פון עלעקטראָנען. קלאַסישע כוואַליע טעאָריע קען נישט דערקלערן פֿאַרוואָס נאָר ליכט פון אַ געוויסער פֿרעקווענץ (אָדער העכער) קען פֿאַראורזאַכן דעם עפֿעקט.
אין 1905, האט אלבערט איינשטיין דעמאנסטרירט אז די סיטואציע איז בעסער דערקלערט דורך דער הנחה אז ליכט באשטייט פון "קוואַנטאַ," אדער טיילכלעך מיט קוואַנטיזירטער ענערגיע. איינשטיין האט פארגעשלאגן אז די ענערגיע פון די טיילכלעך - שפּעטער באַקאַנט ווי פאָטאָנען - איז גלייך פּראָפּאָרציאָנעל צו זייער פרעקווענץ. די טעאָריע האט איינשטיין געגעבן דעם נאָבעל פרייז אין פיזיק אין 1921.
כוואַליע-פּאַרטיקל דואַליטעט
וויסנשאפטלער האבן שפעטער אנטדעקט אז פאטאנען האבן אייגנשאפטן וואס ווייזן אז זיי פירן זיך אויף ווי פארטיקלעך אין געוויסע עקספערימענטן, בשעת אין אנדערע זעען זיי אויס ווי כוואליעס. די דערשיינונג איז באקאנט אלס כוואליע-פארטיקל דואליטעט.
די דואַליטעט איז נישט יינציק צו ליכט; טיילכלעך פון מאַטעריע ווי עלעקטראָנען ווייַזן אויך כוואַליע-טיילכלעך אייגנשאַפטן. דעם גרונטפּרינציפּ ווערט דערקלערט דורך קוואַנטום טעאָריע, דעוועלאָפּעד דורך וויסנשאַפֿטלער אַרייַנגערעכנט נילס באָהר, לואי דע בראָגליע, און ווערנער הייזנבערג.
פאָטאָנען אין קוואַנטום מעכאַניק
אין דעם קאנטעקסט פון קוואנטן מעכאניק, איז א פאטאן א קוואנטום פון דעם עלעקטראמאגנעטישן פעלד. דאס מיינט אז אויף א מיקראסקאפישן פארנעם, מוזן אלע סארטן עלעקטראמאגנעטישע פעלדער (ווי ליכט) באטראכט ווערן אלס צוזאמענגעשטעלט פון גרונטלעכע, אומטיילבארע איינהייטן פון ענערגיע גערופן פאטאנען.
די ענערגיע \(E\) פון א פאטאן איז גלייך פראפארציאנעל צו דער פרעקווענץ \(f\) פון דער עלעקטראמאגנעטישער כוואליע, און די דאזיגע באציאונג ווערט געגעבן דורך פלאנק'ס גלייכונג:
\[ E = hf \]
וואו \(h\) איז פּלאַנקס קאָנסטאַנט. די כוואַליע \(\lambda\) פון ליכט און זיין אָפטקייט זענען אויך פֿאַרבונדן דורך דער גלייכונג:
\[c = \lambda f \]
וואו \(c\) איז די שנעלקייט פון ליכט אין א וואקיום.
אינטעראַקציע פֿון פֿאָטאָנען מיט מאַטעריע
פאָטאָנען אינטעראַקטירן מיט מאַטעריע דורך פֿאַרשידענע מעכאַניזמען, די דריי מערסטע פֿאַרשפּרייטע זענען אַבזאָרפּציע, עמיסיע און צעשפּרייטונג.
1. אַבזאָרפּציע: ווען אַ פאָטאָן ווערט אַבזאָרבירט דורך אַן אַטאָם אָדער מאָלעקול, ווערט די ענערגיע פון דעם פאָטאָן גענוצט צו הייבן דעם ענערגיע לעוועל פון אַן עלעקטראָן אין יענעם אַטאָם אָדער מאָלעקול. דער פּראָצעס איז די באַזע פון פילע דערשיינונגען, אַרייַנגערעכנט פאָטאָסינטעז און פאָטאָעלעקטריע.
2. עמיסיע: דער פּראָצעס איז די פארקערטע פון אַבזאָרפּציע. דאָ, קען אַן אויפֿגעריגטער אַטאָם אָדער מאָלעקול צוריקקומען צו אַ נידעריקער ענערגיע צושטאַנד דורך אויסשטראַלן אַ פאָטאָן. די עמיסיע קען פּאַסירן ספּאָנטאַן אָדער אין אַ סטימולירטן שטייגער.
3. צעשפּרייטונג: אין דעם פּראָצעס פון צעשפּרייטונג ווערן פאָטאָנען געשטערט דורך פּאַרטיקלען און טוישן זייער ריכטונג פון באַוועגונג, אָבער בלייבן אין דעם זעלבן פיזישן צושטאַנד. עס זענען דאָ צוויי הויפּט טיפּן פון צעשפּרייטונג: עלאַסטיש (ווי אין ריילי צעשפּרייטונג) און נישט-עלאַסטיש (ווי אין דעם קאָמפּטאָן עפֿעקט).
אַפּליקאַציעס פון פאָטאָן טעכנאָלאָגיע
פֿאָרשריט אין אונדזער פֿאַרשטאַנד פֿון פֿאָטאָנס האָבן געפֿירט צו אַ צאָל טעקנאַלאָגישע אַנטוויקלונגען, פֿון די זייער פּשוטע ביז די גאָר קאָמפּליצירטע.
אָפּטישע עלעקטראָניק און פֿיבער אָפּטיק
א פארשטאנד פון פאטאנען איז יסודות'דיג צו פיבער אפטישע טעכנאלאגיע, וואס ווערט ברייט גענוצט אין טעלעקאמוניקאציע און אינטערנעט קאמוניקאציע. אין דעם סיסטעם ווערן אולטרא-שנעלע ליכט סיגנאלן גענוצט צו טראנסמיטירן דאטן, און דערזעצן די עלעקטראנישע סיגנאלן אין קאנווענציאנעלע קופער קייבלען. די טעכנאלאגיע ערמעגליכט דאטן טראנסמיסיע מיט זייער הויכע שנעלקייטן און איבער לאנגע דיסטאנצן מיט מינימאלער אריינמישונג.
לאַזער
א לאַזער (ליכט פֿאַרשטאַרקונג דורך סטימולירטע עמיסיע פֿון ראַדיאַציע) איז אַ מיטל וואָס פּראָדוצירט העכסט קאָוכיסיוו און ריכטונגספֿעיִק ליכט דורך אויסנוצן די אינטעראַקציע פֿון פֿאָטאָנס מיט מאַטעריע דורך סטימולירטע עמיסיע. לאַזערס האָבן אַ ברייטע קייט פֿון אַפּליקאַציעס, אַרייַנגערעכנט מעדיצין, פֿאַבריקאַציע, וויסנשאַפֿטלעכע פֿאָרשונג און טעלעקאָמוניקאַציע.
זונ פּאַנעלן
פאָטאָנען פֿון זונשייַן ווערן גענוצט אין זונפּאַנעלן צו שאַפֿן עלעקטריע. ווען פאָטאָנען ווערן אַבזאָרבירט דורך דעם האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַל אין זונ-צעלן, עקסייטירן זיי עלעקטראָנען, שאַפֿנדיק אַן עלעקטרישן קראַנט. די טעכנאָלאָגיע איז קריטיש אין דער עפּאָכע פֿון רינואַבאַל ענערגיע.
ספּעקטראַסקאָפּי
ספּעקטראָסקאָפּיע איז אַ טעכניק וואָס ווערט גענוצט צו אַנאַליזירן די קאָמפּאָזיציע פון מאַטעריאַלן באַזירט אויף דעם ספּעקטרום פון ליכט וואָס זיי אַרויסלאָזן. די טעכניק איז זייער נוצלעך אין כעמיע, אַסטראָנאָמיע און פיזיק צו באַשטימען די קאָמפּאָזיציע און אייגנשאַפטן פון פֿאַרשידענע מאַטעריאַלן.
קעסימפּולאַן
דער באַגריף פֿון פֿאָטאָן האָט רעוואָלוציאָנירט אונדזער פֿאַרשטאַנד פֿון דער וועלט. פֿון פֿאַרשטיין ליכט ווי אַ קלאַסישע כוואַליע ביזן באַטראַכטן עס ווי אַ קוואַנטום טיילכל, שפּיגלט די קאָנצעפּטואַלע רייזע אָפּ באַמערקנסווערטן וויסנשאַפֿטלעכן פֿאָרשריט. פֿאָטאָנען שפּילן אַ צענטראַלע ראָלע אין פֿיל מאָדערנע פֿיזישע דערשיינונגען און טעכנאָלאָגיעס, און השפּעה האָבן אויף אַלץ פֿון קאָמוניקאַציע ביז באַנייבאַרער ענערגיע.
אונדזער פארשטאנד פון פאטאנען באפעסטיקט אויך דעם וועג פאר ווייטערדיגע פארשונג אין געביטן ווי קוואנטום קאמפיוטינג און קוואנטום טעלעפארטאציע, וועלכע האבן דעם פאטענציאל צו ענדערן ווי מיר אינטעראקטירן מיט דער וועלט אין דער צוקונפט. ווי טעכנאלאגיע און טעאריע גייען ווייטער פאראויס, בלייבן פאטאנען א הויפט פאקוס אין פיזיק, וואס צוזאגט נאך מער אויפריגענדע אנטדעקונגען און אנווענדונגען אין דער צוקונפט.
