Photon hay quang tử là một loại hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng cũng như mọi dạng bức xạ điện từ khác. Nó cũng là hạt tải lực của lực điện từ. Các hiệu ứng của lực điện từ có thể dễ dàng quan sát ở thang vi mô lẫn thang vĩ mô do photon không có khối lượng nghỉ và điều này cũng cho phép các tương tác cơ bản xảy ra ở khoảng cách lớn. Cũng như mọi hạt cơ bản khác, photon được miêu tả bởi cơ học lượng tử và biểu hiện lưỡng tính sóng hạt - chúng thể hiện các tính chất giống như của sóng và hạt. Ví dụ: một hạt photon có thể bị khúc xạ bởi một thấu kính hoặc thể hiện sự giao thoa giữa các sóng, nhưng nó cũng biểu hiện như một hạt khi chúng ta thực hiện phép đo định lượng về động lượng của nó.
Hình 1: Các hạt photon được phát ra bởi chùm tia laze màu lục lam phía bên ngoài, còn bên trong canxit là chùm tia laze màu cam và huỳnh quang của nó
Tính chất vật lý
.png)
Biểu đồ Feynman mô tả electron và positron trao đổi photon (còn gọi là tán xạ Bhabha).
Photon là hạt phi khối lượng, không có điện tích và không bị phân rã tự phát trong chân không. Một photon có hai trạng thái phân cực và được miêu tả chính xác bởi ba tham số liên tục: các thành phần vector sóng của nó, xác định lên bước sóng \(\lambda\) và hướng lan truyền của photon. Photon là một boson gauge của trường điện từ và do vậy mọi số lượng tử khác đều 0.
Các photon được phát ra từ rất nhiều quá trình trong tự nhiên. Ví dụ, khi một hạt tích điện bị gia tốc, nó sẽ phát ra bức xạ synchrotron. Trong quá trình một phân tử, nguyên tử hoặc hạt nhân trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn, các photon với năng lượng khác nhau sẽ bị phát ra, từ bức xạ hồng ngoại cho đến tia gamma. Photon cũng được phát ra khi một hạt và phản hạt tương ứng hủy lẫn nhau (ví dụ như sự hủy cặp hạt electron và positron).
Công thức tương đối tính
$$E^2=p^2c^2+m^2c^4$$
Năng lượng và động lượng của photon chỉ phụ thuộc vào tần số \(\nu\)
$$E=\hbar\omega=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$$
$$\textbf{p}=\hbar\textbf{k}$$
trong đó \(\textbf{k}\) là vector sóng và \(\hbar=\dfrac{h}{2\pi}\) là hằng số Planck rút gọn.
Lưỡng tính sóng hạt và nguyên lí bất định
Photon, giống như các đối tượng lượng tử, biểu hiện cả hai tính chất giống hạt và giống sóng. Bản chất lưỡng tính sóng-hạt của chúng khó có thể hình dung được. Photon biểu thị rõ ràng tính chất sóng trong các hiệu ứng như nhiễu xạ và giao thoa đối với các bước sóng đủ lớn. Ví dụ, một photon đi qua các khe trong thí nghiệm hai khe và biểu hiện trên màn chắn hiệu ứng giao thoa chỉ khi chúng ta không thực hiện một đo đạc nào liên quan đến photon khi nó đi qua hai khe. Sự giải thích hiện tượng này theo quan điểm của hạt ánh sáng gọi là phân phối xác suất nhưng lại biểu hiện theo phương trình Maxwell. Tuy nhiên, các thí nghiệm cũng xác nhận rằng photon không phải là một xung ngắn của bức xạ điện từ; nó không dải rộng ra khi lan truyền, và cũng không bị chia ra khi đi đến một gương bán mạ. Hơn nữa, photon dường như là một hạt điểm do nó bị hấp thụ hoặc phát xạ một cách toàn bộ bởi một hệ nhỏ tùy ý, những hệ nhỏ hơn bước sóng của nó, như hạt nhân nguyên tử (đường kính \(\approx 10^{-15}m\)) hoặc thậm chí bởi hạt điểm như electron. Mặt khác, photon cũng không là một hạt điểm có quỹ đạo với hình dạng mang tính xác suất bởi trường điện từ, như được Einstein và những người khác nhận thức là vậy; và rằng giả thuyết cũng bác bỏ lại các thí nghiệm tương quan-photon đã trích dẫn ở trên. Theo như sự hiểu biết hiện tại của chúng ta, trường điện từ tự nó cũng sản sinh ra các photon, điều đó được suy ra từ đối xứng gauge định xứ và các định luật của lý thuyết trường lượng tử (xem các phần Lượng tử hóa lần hai và Boson gauge bên dưới).
Một trong những nền tảng của cơ học lượng tử đó là nguyên lý bất định của Heisenberg, nó không cho phép thực hiện được các đo đạc đồng thời về vị trí và động lượng của một hạt trong cùng một hướng.
Vị trí của electron có thể được xác định trong phạm vi của độ phân giải kính hiển vi, được cho bởi công thức của quang học cổ điển
$$\Delta x\sim \dfrac{\lambda}{\sin\theta}$$
Do photon có thể bị tán xạ theo mọi hướng bên trong góc mở, nên độ bất định động lượng của photon bằng
\[\Delta p\sim p_{photon}\sin\theta =\dfrac{h}{\lambda}\sin\theta\]
Từ đó tích của chúng là
\[\Delta x \Delta p\sim h\]
đây chính là nguyên lí bất định của Heisenberg. Từ đó, toàn bộ thế giới bị lượng tử hoá; cả vật chất và các trường phải tuân theo những tập hợp các định luật cơ học lượng tử.
Mô hình Bose-Einstein về chất khí photon
Năm 1924, Satyendra Nath Bose suy ra định luật bức xạ vật đen Planck mà không sử dụng tới lý thuyết điện từ, mà bằng cách sửa đổi cách đếm các hạt của không gian pha. Einstein đã chứng minh rằng sự thay đổi này là tương đương nếu giả sử rằng các photon hoàn toàn giống nhau và hàm ý một "tương tác phi cục bộ bí ẩn", và bây giờ các nhà vật lý hiểu như là một sự đòi hỏi cho trạng thái cơ lượng tử đối xứng. Nghiên cứu này dẫn đến khái niệm trạng thái đồng pha và là cho sự phát triển của laser. Trong cùng các bài báo trên, Einstein đã mở rộng phương pháp của Bose cho các hạt vật chất (các boson) và ông đã tiên đoán rằng chúng có thể ngưng tụ lại thành một trạng thái lượng tử có mức năng lượng thấp nhất tại những nhiệt độ đủ thấp; và ngưng tụ Bose–Einstein đã được quan sát bằng thực nghiệm vào năm 1995. Quan điểm hiện đại về các photon là, chúng là các hạt ảo với spin nguyên, các boson (ngược với các fermion với spin bán nguyên). Theo định lý spin-thống kê, mọi boson đều tuân theo thống kê Bose–Einstein (trong khi mọi fermion tuân theo thống kê Fermi-Dirac).
Phát xạ kích thích và tự phát
Hiệu ứng phát xạ kích thích (trong đó các photon "tự nhân bản") do Einstein tiên đoán đầu tiên trong phân tích động học chất khí photon, và dẫn đến sự phát triển của laser. Suy luận của Einstein thúc đẩy việc nghiên cứu tính chất lượng tử của ánh sáng phát triển rộng hơn, mở ra cách giải thích thống kê của cơ học lượng tử.
Photon là boson gauge
Trường điện từ là trường chuẩn (trường gauge), hay là một trường mà có phép đối xứng gauge độc lập tại mỗi vị trí trong không thời gian. Đối với trường điện từ, đối xứng gauge này là nhóm đối xứng Abelian \(U(1)\) của số phức, phản ánh tính thay đổi pha của số phức mà không làm ảnh hưởng đến biến quan sát hay hàm giá trị thực với biến số phức, như năng lượng hay Lagrangian.
Lượng tử của một trường chuẩn Abelian (trường gauge) phải không có khối lượng, hay đối xứng không bị phá vỡ; từ đây, lý thuyết tiên đoán photon là hạt không có khối lượng và không có điện tích cũng như spin nguyên. Dạng đặc biệt của tương tác điện từ khiến cho spin của photon phải là ±1; do đó tính xoắn (helicity) của nó bằng \(\pm \hbar\). Hai thành phần spin này tương ứng với khái niệm cổ điển về sự phân cực tròn trái và phân cực tròn phải của ánh sáng. Tuy vậy, các photon ảo trung gian của điện động lực học lượng tử còn có thêm các trạng thái phân cực phi vật lý.
Trong mô hình chuẩn, photon là một trong bốn boson chuẩn (hay boson gauge) của tương tác điện yếu; ba boson khác ký hiệu là \(W^+, W^−\) và\(Z^0\) tham gia vào tương tác yếu. Không như photon, những boson chuẩn (gauge) này có khối lượng, như được tiên đoán bởi cơ chế Higgs thông qua phá vỡ nhóm đối xứng chuẩn \(SU(2)\). Tương tác yếu thống nhất photon với các boson gauge \(W\) và \(Z\) nhờ công trình của các nhà vật lý Sheldon Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg, và giải Nobel Vật lý 1979 đã trao cho họ nhờ những đóng góp này. Tư tưởng thống nhất các tương tác cơ bản cũng được các nhà vật lý mở rộng trong lý thuyết thống nhất lớn; thống nhất bốn boson gauge với tám boson gluon của lý thuyết sắc động lực học lượng tử; tuy nhiên, một trong những tiên đoán chìa khóa của lý thuyết này là sự phân rã của proton vẫn chưa được quan sát bằng thực nghiệm.
Photon trong vật chất
Ánh sáng truyền trong môi trường trong suốt với vận tốc nhỏ hơn \(c\), là tốc độ ánh sáng trong chân không. Ngoài ra, ánh sáng cũng bị tán xạ hay hấp thụ. Có những hiện tượng mà sự truyền nhiệt qua môi trường chủ yếu là bức xạ, bao gồm sự phát xạ và hấp thụ photon trong nó. Ví dụ như trong lõi của Mặt Trời. Năng lượng photon phải mất khoảng một triệu năm mới tới được bề mặt. Tuy nhiên, hiện tượng này khác so với sự bức xạ tán xạ đi qua môi trường vật chất, vì nó liên quan đến cân bằng địa phương giữa bức xạ và nhiệt độ. Do vậy, thời gian ở đây là thời gian vận chuyển năng lượng, chứ không phải thời gian hành trình của chính photon. Trong không gian vũ trụ, photon chỉ mất \(8,3\) phút đi từ Mặt Trời đến Trái Đất. Hệ số mà tốc độ ánh sáng giảm đi khi đi trong môi trường vật chất gọi là chiết suất của vật liệu. Trong cơ học sóng cổ điển, sự chậm đi này có thể giải thích bằng sự phân cực điện của vật liệu khi ánh sáng đi vào, vật liệu phân cực phát ra ánh sáng mới, và ánh sáng mới này giao thoa với ánh sáng đi vào tạo nên sự chậm trễ ánh sáng trong vật chất. Trong mô hình hạt ánh sáng, sự chậm đi này được mô tả là do quá trình kết hợp của photon với trạng thái kích thích lượng tử của vật chất (các giả hạt như phonon và exciton) để tạo ra dạng polariton; polariton này có khối lượng hiệu dụng khác không, và do đó nó không thể chuyển động với vận tốc bằng \(c\).
Ngoài ra, photon cũng có thể coi là luôn luôn chuyển động với tốc độ c, ngay cả trong môi trường vật chất, nhưng nó có sự dịch chuyển pha (trễ hay nhanh) phụ thuộc vào tương tác với nguyên tử: điều này làm thay đổi bước sóng và động lượng của nó, nhưng không làm thay đổi tốc độ. Một sóng ánh sáng cấu tạo từ những photon này lan truyền với tốc độ nhỏ hơn tốc độ ánh sáng. Theo quan điểm này các photon là "trần trụi", và bị tán xạ và dịch chuyển pha, trong khi quan điểm ở đoạn trước coi các photon là "che kín" bởi tương tác của chúng với vật chất, và lan truyền không bị tán xạ hay dịch chuyển pha, nhưng với tốc độ nhỏ hơn.
Ánh sáng với tần số khác nhau lan truyền trong vật chất với tốc độ khác nhau; hay gọi là sự tán sắc ánh sáng. Trong một số trường hợp, hiệu ứng này làm chậm tốc độ ánh sáng trong môi trường vật liệu. Sự tương tác của photon với các giả hạt khác có thể được quan sát trực tiếp trong tán xạ Raman và tán xạ Brillouin.
Hạt nhân, nguyên tử và phân tử cũng hấp thụ photon, và chuyển dịch mức năng lượng của chúng. Một ví dụ cổ điển là sự chuyển dịch phân tử của anđêhít retinal C20H28O, phân tử chịu trách nhiệm cho khả năng quan sát của mắt, do nhà hóa sinh và Nobel Y học George Wald cùng đồng nghiệp phát hiện ra năm 1958. Sự hấp thụ gây ra một đồng phân cis-trans, và khi nó kết hợp với những chuyển tiếp khác, sẽ biến đổi thành xung thần kinh. Quá trình hấp thụ photon cũng làm bẻ gãy một số liên kết hóa học, như trong hiện tượng quang ly của clo, được nghiên cứu trong lĩnh vực quang hóa. Tương tự, tia gamma trong một số tình huống có thể làm phân ly hạt nhân nguyên tử trong quá trình gọi là quang phân rã.
Tài liệu tham khảo
- Wikipedia tiếng Việt. Photon. Xem tại đây
- Wikipedia tiếng Anh. Photon. Xem tại đây
- Symmetry Magazine. What is a photon?. Xem tại đây
- Department of Energy. DOE Explains...Photons. Xem tại đây
- ResearchGate. Photon as a quantum particle. Xem tại đây
- ScienceDirect. Photon energy and photon behavior discussions. Xem tại đây
- AIP Publishing. Invited Review Article: Single-photon sources and detectors. Xem tại đây
- Nature. Quantum double-double-slit experiment with momentum entangled photons. Xem tại đây
- Physical Review D. Photon topology. Xem tại đây
- Phys.org. New theory reveals the shape of a single photon. Xem tại đây
- AIP Publishing. On the quantum-mechanics of a single photon. Xem tại đây
- Scientific & Academic Publishing. Photon as a Basic Unit. Xem tại đây
- Nature. Photon bound state dynamics from a single artificial atom. Xem tại đây
- Colgate Domains. Photon Quantum Mechanics. Xem tại đây
- ScienceDirect Topics. Photon - an overview. Xem tại đây
- Physics Forums. What is a photon? - Physics Basics Explained. Xem tại đây
- Nature. Experimental demonstration of separating the wave‒particle duality. Xem tại đây
- Scientific American. What is a photon really?. Xem tại đây
- ScienceDirect. On the quantum physics of a single photon. Xem tại đây
- Nature. Twisted photons: new quantum perspectives in high dimensions. Xem tại đây
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét