Sarcina este cuantificată. Aceasta înseamnă că sarcina electrică vine în cantități discrete și există o cantitate cât mai mică de sarcină pe care o poate avea un obiect. În sistemul SI, această cantitate cea mai mică este e ≡ 1,602 × 10−19 C; nicio particulă liberă nu poate avea o sarcină mai mică decât aceasta, iar sarcina oricărui obiect - sarcina tuturor obiectelor - trebuie să fie un multiplu întreg al acestei cantități. Mărimea sarcinii este independentă de tip. Cea mai mică sarcină pozitivă posibilă este +1,602 × 10−19 C, iar cea mai mică sarcină negativă posibilă este -1,602 × 10−19 C; aceste valori sunt exact egale.
Sarcina este conservată. Sarcina nu poate fi nici creată, nici distrusă; ea poate fi transferată doar din loc în loc, de la un obiect la altul. Frecvent, vorbim de două sarcini de „care se anulează”; aceasta este expresia verbală. Dacă două obiecte cu sarcini egale și opuse sunt aproape unul de altul, forțele lor asupra unui alt obiect încărcat se anulează, rezultând o forță netă zero. Sarcinile nu dispar: conserved în sisteme închise. Fluxul de sarcină poate fi măsurat atunci când sistemul local nu este închis. Odată ce a devenit clar că materia era compusă din atomi, a devenit evident că constituenții atomului includ atât particule încărcate pozitiv, cât și particule încărcate negativ.
Atomul și distribuția sarcinilor au fost în focalizare în decursul istoricului. În 1897, J. J. Thomson a demonstrat că razele catodice erau alcătuite din particule încărcate negativ; a determinat raportul sarcină-masă al particulei, afirmând că masa acesteia era mult mai mică decât cea a oricărei alte particule cunoscute. Thomson a imaginat electronii încorporați într-un costum pozitiv, modelul „cozonacului cu stafide”. Însă Rutherford, în 1908, a arătat că sarcinile pozitive ale atomului sunt concentrate într-un nucleu mic, cu electronii în jurul lui, formând un nor încărcat negativ. În 1932, Chadwick a descoperit neutronul, adăugând o altă componentă importantă a nucleului atomic.
Fotonul reprezintă o particulă fără masă, fără sarcină electrică și cu viață stabilă. Un foton are două stări posibile de polarizare. În reprezentarea impulsului fotonului în teoria cuantică a câmpului, acesta este descris de vectorul de undă; lungimea de undă λ și direcția de propagare sunt determinate de acest vector. Fotonul este descris în mod obișnuit ca având vectori de undă fie în spațiu tridimensional, fie în conul de lumină în spațiul relativist; polarizarea circulară este asociată cu semnele diferite ale celor patru vectori, iar momentul angular de spin este ±ħ. Fotonul nu are sarcină și nu are masă, dar posedă energie și impuls conform E = pc, în vid, pentru un foton cu energie E și impuls p.
Conservarea impulsului și procesul de producere a fotonilor sunt legate de simetria translațională a spațiului. Pentru anihilarea unei particule cu antiparticula sa în spațiul liber, este necesară crearea a cel puțin doi fotoni, pentru a satisface conservarea impulsului total. Energia fotonilor poate fi calculată prin conservarea celor patru impulsuri. Producerea de perechi este mecanismul dominant pentru fotoni energetici în vid, iar fotonul poate fi văzut ca propria sa antiparticulă în anumite contexte. În toate acestea, impulsul fotonului este determinat de frecvența sa (sau lungimea de undă), care nu poate fi zero.
Energia și impulsul radiației electromagnetice pot fi reformulate în termeni fotonici. Fiecare foton are două forme distincte de impuls unghiular, iar momentul unghiular al luminii este întotdeauna +ℏ sau -ℏ. Dacă un foton este incident cu frecvență f, momentul său de spin poate fi +ℏ sau -ℏ; acest lucru este important pentru descrierile polarizării luminii. În general, lumina este descrisă prin vectorul său de undă, care determină lungimea de undă λ și direcția de propagare. Fotonii interacționează în multiple procese naturale: radiații sincrotronice când o sarcină este accelerată, emisii fotonice în tranziții moleculare, atomice sau nucleare de la un nivel energetic la altul.
Proprietățile fotonului în contextul câmpului electromagnetic sunt înrădăcinate în conceptul de iluminări cuantice. Observațiile despre energia radiantă, impuls și momentul unghiular relevă că fotonii sunt particule boson gauge pentru electromagnetism, iar toate alte numere cuantice ale fotonului (cum ar fi cele leptone sau baryonice) sunt zero. În cadrul unui atom, configurația subatomică implică electroni în norul electronic înconjurătorul nucleului, iar protonii și neutronii alcătuiesc nucleul. Progresia istorică a conceptelor despre structură atomică a fost marcată de noțiuni precum distribuția sarcinilor și neutralitatea electrică a atomului.
În figuri și exemple din literatura de specialitate, distribuția de sarcină în atomi și influența acesteia asupra câmpurilor electrice au fost studiate, iar exemplele istorice despre modelele atomice ilustrează cum sarcina pozitivă a nucleului este compensată de sarcina negativă a norului de electroni. De asemenea, există o legătură între sarcină și forțele Coulombice: Legea lui Coulomb stipulează că forța dintre două corpuri încărcate electric depinde de distanța dintre ele și de încărcăturile respective, fiind de atracție sau respingere în funcție de semnele încărcăturilor. Conservarea sarcinii rămâne o nevoie fundamentală în toate interacțiunile electrice, iar fenomenele respective pot explica modul în care obiectele neutre pot fi atrase de obiecte încărcate, prin inducția electrică a materialelor neutre.
În final, se poate observa că excitarea, emisia și interacțiunile fotonice sunt în centrul descrierii moderne a luminii și a radiației electromagnetice. Fotonii, ca particule de fundamental, au fost introduși în mod progresiv în înțelegerea noastră despre interacțiunile electrice și magnetice ale materiei, iar conceptele privind sarcina electrică, conservarea acesteia și natura fotonilor contribuie la înțelegerea ochiului teoretic al fizicii moderne.
Aspecte cheie despre sarcina electrică și foton
- Sarcina apare în unități discrete; 1 C este mult peste sarcina elementară, iar cantitatea minimă pozitivă/negativă este ±1.602×10−19 C.
- Sarcina este conservată în sisteme închise; nu poate fi creată sau distrusă, ci transferată.
- Fotonii sunt particule fără masă și fără sarcină; au energie, impuls și spin, cu două stări de polarizare.
- Energia fotonului se poate exprima ca E = hc/λ sau E = pc; impulsul fotonului este legat de frecvența sa.
- Legea Coulomb și forțele dintre obiecte încărcate sunt fundamentale pentru descrierea interacțiunilor electrice.
Structura atomică în linii generale
Ionizarea, distribuția sarcinilor în nucleu și norul de electroni conduc la neutralitate electrică în atomii neutri. Protonele din nucleu au sarcină +e, electronii au sarcină -e, iar neutronii au sarcină electrică nulă. Masa nucleului domină masa totală a atomului, iar electronii contribuie relativ puțin la masă totală. Modelul modern al atomului sugerează nucleul masiv, înconjurat de un nor de electroni, cu contribuții semnificative dincolo de imaginea clasică a electronilor în orbite exacte.
În contextul fotonilor, energia și impulsul sunt abordate din perspectiva radiantelor fotonice. Emisiile fotonice pot apărea în diferite tranziții energetice, iar fenomenologia fotonică privește proprietățile de spin și polarizare ale luminii. În librarele fizice, descrierile fotonice și interacțiunile cuantice se folosesc pentru a explica fenomene precum emisia sincrotronică sau producerea de perechi fotonice în anumite condiții.
What is Momentum ?
Este important să înțelegem că fotografiația fotonilor și descrierea lor în termeni de vectori de undă pot fi reprezentate în cadrul coneului de lumină; polarizarea fotonului, atât circulantă cât și liniară, se poate interpreta în funcție de starea sa de spin. În aplicații practice, fotonii joacă un rol central în radiatii, tehnologii optice, comunicații și spectroscopie, iar în teorie, ele sunt bosoni gauge pentru electromagnetism.
Conceptele finale despre sarcină și foton
- Definiția coulombului și semnificația unităților de sarcină pentru calculul forțelor dintre obiecte încărcate.
- Conservarea sarcinii în sisteme închise și implicațiile pentru procesele fizice ce pot transfera sarcină între obiecte.
- Caracterizarea fotonilor ca particule fără masă și fără sarcină; distribuția lor în spațiu, impuls și energie.
- Relația dintre impuls și energie în fotoni, E = pc, și rolul spinului în proprietățile optice ale luminii.
tags: #sarcina #electrica #a #fotonului