Un fotón no es una bola sólida, es sólo un concepto abstracto que describe la forma de oscilación de las ondas electromagnéticas. Así como podemos utilizar el concepto de "ola de agua" para describir la oscilación de la "ola de agua".
2. ¿Cuál es la relación entre la frecuencia y longitud de onda de los fotones y la frecuencia y longitud de onda de las ondas electromagnéticas? La frecuencia y longitud de onda de los fotones son la frecuencia y longitud de onda de esta onda electromagnética, que son lo mismo. Unificamos la relación entre estos dos conceptos en la pregunta anterior. Entonces, la longitud de onda y la frecuencia de los fotones se refieren a la longitud de onda y la frecuencia de las ondas electromagnéticas transportadas por los fotones.
Una gran cantidad de fotones se mueven juntos, por lo que cada fotón puede existir en su propia frecuencia y longitud de onda. La luz del sol que vemos es en realidad lo que vemos cuando fotones de diferentes frecuencias y longitudes de onda entran en nuestros ojos al mismo tiempo. La luz monocromática contiene sólo una gran cantidad de fotones de la misma frecuencia.
Pero para no confundir las cosas, podemos decir que los fotones en sí son ondas electromagnéticas, en lugar de que muchos fotones se juntan para formar ondas electromagnéticas.
Arriba: La estructura espacio-temporal de los fotones es una longitud de onda (o período) de onda electromagnética completa.
3. ¿Por qué las microondas de alta potencia no pueden producir efectos de ionización? Para provocar la ionización, se necesita energía lo suficientemente alta como para "eliminar" los electrones de los átomos. Diferentes sustancias requieren diferente energía para la ionización, que es el umbral de energía del efecto fotoeléctrico.
Los electrones de la placa metálica tienen una determinada energía, que puede describirse como "función de trabajo". Más estrictamente definida como la energía necesaria para empujar un electrón infinitamente lejos del núcleo (es decir, energía de ionización). Podemos calcular fácilmente el número de átomos simples usando la ecuación de energía potencial, como esta función de trabajo para un átomo de hidrógeno:
Para cualquier átomo que no sea hidrógeno, la función de trabajo se vuelve demasiado compleja para calcularla. La energía de un electrón depende de la carga del núcleo, la carga del electrón y la distancia entre el núcleo y el electrón.
La teoría de la electrodinámica cuántica nos dice:
La frecuencia de la luz es inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz. En concreto,
Cuando la constante c es la velocidad de la luz, λ es la longitud de onda y V es la frecuencia.
Así que, volviendo a nuestra ecuación anterior, la energía de un fotón también es inversamente proporcional a la longitud de onda. De toda la luz visible, la luz roja tiene la longitud de onda más larga (y por lo tanto la energía más baja) y la luz azul tiene la longitud de onda más corta (y por lo tanto la energía más alta).
Arriba: fotones azules (longitud de onda = 475 nm) golpean una placa de metal, eliminando electrones. La luz azul tiene más energía que la mayoría de los dispositivos de luz visible.
Arriba: fotones verdes (longitud de onda = 510 nm) golpean la misma placa de metal. Debido a que la luz verde (cada fotón) tiene menos energía que la luz azul, los electrones son eliminados con menos energía, por lo que la velocidad también es menor.
Arriba: Un fotón rojo (longitud de onda = 650 nanómetros) golpeando una placa de metal. La luz roja tiene la longitud de onda más alta (la frecuencia más baja) y, por lo tanto, tiene la menor energía de toda la luz visible. En este caso, la energía del fotón es menor que la "función de trabajo". Por tanto, el electrón absorbe el fotón pero no gana suficiente energía para escapar a la placa de metal.
La energía de la luz no tiene nada que ver con la densidad de los fotones, sino que está relacionada con la frecuencia de la luz. En otras palabras, simplemente ajustar la intensidad de la luz fuerte no puede promover el efecto fotoeléctrico. Se debe ajustar el color de la luz. Es más probable que la luz azul cause ionización que la luz roja.
Por lo general, los metales son más fáciles de ionizar porque los electrones de la capa exterior del metal están relativamente libres y son expulsados con un poco de energía. El rango de frecuencia de ionización de los metales de uso común debe estar en el extremo azul de la banda de luz visible (generalmente por encima de la luz verde). La luz roja no puede causar el efecto fotoeléctrico, y mucho menos las microondas con frecuencias más bajas.
La frecuencia de las microondas es mucho menor que la frecuencia de la luz visible. No importa cuán alta sea la potencia de las microondas, la energía de los fotones sigue siendo muy baja. El aumento de la potencia de las microondas sólo aumenta el flujo de fotones por unidad de tiempo, no la energía de los fotones. Por lo tanto, las microondas casi no causan ionización.
Arriba: Diagrama esquemático del espectro electromagnético y longitudes de onda.
4. ¿Se puede considerar la inducción electromagnética y el efecto fotoeléctrico como esencialmente lo mismo (fuerza electromotriz generada por cambios en el flujo magnético = los fotones proporcionan energía a los electrones)? En cierto sentido, el efecto fotoeléctrico puede verse como el proceso de convertir la energía de las ondas electromagnéticas en energía cinética de los electrones. Pero parece que la inducción electromagnética que forma la fuerza de Lorentz está inherentemente conectada, pero no es rigurosa.
El efecto fotoeléctrico es un caso especial del modelo de niveles de energía, es decir, los electrones se excitan a un estado de energía de ionización y, como resultado, los electrones salen volando de los confines del núcleo atómico. Se puede decir que el proceso de excitación es la inducción entre fotones y electrones, pero la transición de niveles de energía es un efecto cuántico, que es un fenómeno cuántico del campo de energía potencial electrostático fuera del núcleo atómico.
La fuerza de Lorentz de la que hablamos macroscópicamente es en realidad la manifestación macroscópica de este fenómeno microscópico. Aunque lo llamamos inducción electromagnética, en realidad describe diferentes manifestaciones en diferentes escalas bajo el mismo principio. Básicamente se reduce a cambios en la energía cinética de los electrones, pero se manifiesta como diferentes fenómenos en diferentes escalas, uno se llama fuerza de Lorentz y el otro se llama efecto fotoeléctrico.
Arriba: Fuerza de Lorentz en campos electromagnéticos.
Para resumir, los fotones son ondas electromagnéticas, y las ondas electromagnéticas son fotones.
La pregunta central que preocupa al interrogador es: ¿son las ondas de radio y la luz lo mismo? Mucha gente piensa que es muy simple, pero en realidad no entienden los conceptos básicos en absoluto.
Las ondas de radio y la luz son diferentes tipos de ondas con diferentes propiedades. Las ondas de radio son ondas clásicas simples, es decir, ondas continuas ordinarias. No existe el concepto de partículas, ni de fotones, ni de dualidad. Los teléfonos móviles utilizan ondas de radio, no microondas, pero la frecuencia es la misma que la banda de frecuencia de las microondas.
Las ondas de luz y fotones son ondas complejas no clásicas, ondas cuánticas discontinuas y ondas de probabilidad de fotones. Dualidad onda-partícula. Las microondas también son ondas de luz, no ondas de radio.
Por lo tanto, las ondas electromagnéticas son un concepto amplio, que incluye ondas de oscilación electromagnética y ondas electromagnéticas de fotones. El primero se refiere a ondas de radio simples, mientras que el segundo se refiere a luz compleja.
No importa cuán educadas sean las personas, es un simple error pensar que la luz y las ondas de radio son esencialmente lo mismo.
Las ondas de la familia óptica son ondas discontinuas compuestas por fotones. El orden de frecuencia de menor a mayor es: microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X, rayos γ y rayos cósmicos.
¿Luz? Es el desempeño de la banda de frecuencia de las ondas electromagnéticas lo que permite que el nervio óptico absorba energía. La banda de frecuencia alrededor de 400A-650A, por debajo de 400A se llama infrarroja, el número de teléfono móvil es inferior a 1A y por encima de 650 es ultravioleta, por lo que esta banda de frecuencia de ondas electromagnéticas se llama ondas de luz y debido a que la propagación de ondas electromagnéticas es discontinua ¿Te gusta la superposición de segmentos? Por tanto, las partículas se llaman neutrones y las partículas y la luz se llaman fotones. No creas que las partículas tienen forma de manzana. ¿Por qué no hacer una nube blanca en el cielo?