Svar:
Hej Ali! Bra fråga! Formeln för fotonens energi

E = hv (av konvention använder man oftast v [grekiska ny] för fotonens frekvens)

är ju så djupt rotad i den moderna fysiken att man kanske glömmer vad den kommer ifrån.

När det gäller fysikaliska samband uppkommer de typiskt på ett av två sätt:

1 ett experimentellt uppmätt samband eller lag

2 ett antagande som leder till andra samband som kan verifieras experimentellt

eller en kombination av 1 och 2

När det gäller fotonens energi är det till att börja med fall 2: Max Planck (Max_Planck) gjorde antagandet att energin var proportionell mot frevensen för att härleda ett fungerande uttryck för den den experimentellt observerade fördelningen hos temperaturstrålning (1900), se Plancks strålningslag, speciellt fråga [12397] och Planck's_law (den senare på engelska).

Bilden nedan från Wikimedia Commons Ultraviolet_catastrophe) visar uppmätt temperaturstålning för tre olika temperaturer (nedre kurvorna). Den övre, svarta kurvan visar den klassiska förutsägelsen (Rayleigh–Jeans law). Som synes avviker den senare mycket från den observerade fördelningen, speciellt för korta våglängder.

Plancks uttryck representerade uppmätta data mycket bra även för korta våglängder. Plancks antagande att energin var given av strålningens frekvens var en avvikelse från den klassiska teorin där energin gavs av amplituden hos strålningen. Utan att veta det förebådade Planck den kommande kvantmekaniken.

Einstein var i sin artikel om fotoelektriska effekten (1905) mycket tydlig med kvantiseringen, och införde begreppet foton för en "ljus-partikel". I fråga [2931] visas data för fotoelektriska effekten som visar proportionaliteten mellan energi och frekvens.

Det mest direkta beviset kom genom Bohrs atommodell (1913). Man kunde bygga upp energidiagram där skillnaden i energin mellan två tillstånd var lika med energin hos fotonen som utsändes vid en övergång. Man kunde mäta våglängden och med hjälp av det generella sambandet mellan vågens utbredningshastighet c, våglängden l och frekvensen v

c = lv

verifiera proportionaliteten mellan energi och frekvens. Senare infördes namnet Plancks konstant h för denna proportionalitetskonstant.

År 1923 verifierade Arthur Compton sambandet återigen genom sitt experiment att sprida fotoner på elektroner, se comptonspridning.

Länk 1 är en intressant artikel om Max Planck och länk 2 beskriver den historiska utvecklingen av atomteorin.

/fa

/Peter E 2010-02-23

Svar:
Ali! Det var många svåra frågor. Låt oss börja med partikel-egenskaper. Jag tycker inte man skall föreställa sig en foton varken som en partikel eller en våg. En foton är en foton som lånat egenskaper både från partiklar och vågor.

Fotonens massa: Fotonen har energin E=hv. Eftersom energi och massa är ekvivalenta (E=mc²), så har fotonen massa. Man kan emellertid inte tala om fotonens vilomassa eftersom begreppet en stillastående foton saknar mening.

Experimentella bevis för att fotonen saknar vilomassa kommer bland annat från det faktum att den elektrostatiska kraften (Coulombs lag, som ju förklaras genom ett utbyte av virtuella fotoner) varierar som 1/r² En utbytespartikel med ändlig vilomassa hade givit ett annat avståndsberoende.

Se fråga [16939] för mer om historien bakom fotonbegreppet och länk 1 för en mer detaljerad framställning. Wikipedia-artikeln Photon är mycket bra, medan den svenska versionen är OK men inte särskilt omfattande: Foton.

Fotoner påverkas på två sätt av gravitationsfält:

1 Avböjning, t.ex. vid passage nära solen. Detta har behandlats ganska detaljerat i fråga [16021].

2 Gravitationell rödförskjutning.

Till skillnad från avböjning så kräver faktiskt en tillfredsställande behandling av gravitationell rödförskjutning bara enkel klassisk fysik och speciella relativitetsteorins E=mc². Börja med att studera den enkla animeringen under länk 2!

Den potentiella energin hos elektronerna i övre läget är (mgh)

2m_egH

Om vi förlänger med c² får vi

2m_ec²(gH/c²) = E_foton(gH/c²)

Vi får det relativa skiftet för höjdskillnaden 22.5 m (ref. ¹):

DE_foton/E_foton = gH/c² = 9.80322.5/(2.99810⁸)² = 2.454 10^-15

Det relativa skiftet har uppmätts (ref. ¹) med hjälp av mössbauerspektroskopi (se nedan) för 14.4 keV fotoner från ⁵⁷Co-sönderfall. Det uppmätta resultatet 2.451 10^-15 (med c:a 1% osäkerhet) är i bra överensstämmelse med detta.

Observera att det enda antagande vi gör är energins bevarande, vilket är en av fysikens grundläggande och mest etablerade lagar.

Observera även att man kan se skiftet till större våglängd (och därmed lägre frekvens) när fotonerna går uppåt är ekvivalent med att klockan går långsammare i ett starkare gravitationsfält.

Liknande experiment med hjälp av satelliter som sänder ut en mycket välbestämd frekvens har bekräftat Einsteins teori med en noggranhet bättre än 1 del på 10⁴.

Se vidare General_relativity, Gravitational_redshift och Pound-Rebka_experiment.

Se även http://fy.chalmers.se/~f1xjk/FysikaliskaPrinciper/FOREL.lp2/F16/F16.html

Mössbauerspektroskopi

Mössbauer-effekten är rekylfri emission och absorption av gammastrålning från atomkärnor. När en atomkärna utsänder ett gammakvantum förloras i en del av energin till kärnans rekyl liksom vid absorption i en absorberande kärna. Detta eftersom både energi och rörelsemängd måste bevaras i processen.

I mössbauereffekten elimineras förlusterna dels genom att de radioaktiva kärnorna sitter i en kristall som tar upp rekylen, så att emission och absorption kan ske vid samma energi och dels genom att man kan kompensera energiförlusten genom att låta den utsändande kärnan röra sig.

Eftersom rekylen är mycket liten räcker det med en mycket måttlig hastighet på några mm/sekund, se nedanstående bild där det lilla diagrammet är en plot av ett mössbauerspektrum med hastighet på den horisontella axeln och observerad intensitet på den vertikala. Dippen i spektrum reflekterar det exciterade tillståndets vidd DE. Vidden är relaterad till tillståndets livslängd enligt Heisenbergs obestämdhetsrelation:

DE·Dt = h / 4p ~ 10^-34 Js

Se vidare Mössbauer_spectroscopy och mössbauer-effekten. Se även fråga [14685].
____________________________________________________________

¹ Pound and Snider, Physical Review Letters Vol 13, 18 (1964) 539

/Peter E 2010-03-15

Svar:
Filippa! Jag skulle föredra att säga fördröjning, se fråga [171].

Ändringen i ljushastigheten i ett medium medför ljusbrytning (refraktion), se fråga [2417]. Brytningsindex n ges av c/v, där c är ljushastigheten i vakuum och v är ljusets hastighet i mediet (se fråga [16048]). Se Refractive_index för mer om brytningsindex.

"Normala" media har brytningsindex i intervallet 1-4 (se List_of_refractive_indices). Kisel, med n=4, är det mest extrema materialet.

Med hjälp av speciella knep kan man faktiskt bromsa upp ljuset så det står stilla (betyder i princip att brytningsindex är oändligt), se fråga [17060].

Nedanstående animation från Wikimedia Commons visar hur hastigheten hos vågen påverkar riktningen hos vågfronten (refraktion). Figurtexten lyder:

Wavefronts from a point source in the context of Snell's law. The region below the gray line has a higher index of refraction, and so light traveling through it has a proportionally lower phase speed than in the region above it.

/Peter E 2010-09-22

Svar:
Ulrika! Min favorifråga, varför? Svaret är som alltid: så är naturlagarna! Det är helt enkelt en egenskap hos glas att det är transparent för synligt ljus och för närliggande UV-A medan det absorberar de mer kortvågiga UV-B och UV-C. Genom att titta på problemet i ett mikroskopiskt perspektiv kan man emellertid säga lite om varför.

Vad är det som gör att ett material absorberar elektromagnetisk strålning av en viss energi? Fria atomer absorberar bara vissa våglängder (spektrallinjer), se fråga [176]. Vilka våglängder som absorberas beror på energinivåerna i atomerna och dessa beror på atomstrukturen. Atomstrukturen i sin tur beror på hur atomen är sammansatt, dvs kärnans laddning (som bestämmer vilket grundämne det är frågan om) och kvantmekanikens lagar.

Om det absorberande materialet är molekyler får man absorptionsband i stället för linjer. Orsaken är att man för molekyler även kan ha vibrations- och rotationstillstånd.

I vätskor och fasta ämnen är atomerna mycket nära varandra vilket medför att energinivåerna blandas ihop så man får kontinuerliga band av absorption. Det är detta som orsakar att olika material har olika färger (se t.ex. fråga [10888]).

Det finns ju många olika sortes glas, en del som är färgade och alltså innehåller atomer som absorberar i synligt ljus. Fönsterglas är emellertid transparent för våglängder ned till och med UV-A, se nedanstående figur. Orsaken är helt enkelt att de tillgängliga energinivåerna ligger så högt i energi att det krävs kortvågig strålning (UV-B eller kortare) för att excitera nivåerna. Kortvågig strålning innebär ju stor energi enligt uttrycket

E = hv = hc/l

där E är strålningens energi, h och c konstanter och l är våglängden.

För mer om UV-ljus, speciellt om hur människan påverkas, se fråga [12865].

/Peter E 2010-11-11

Svar:
Filippa! Därför att filmmakarna inte kan fysik :-). Du menar antagligen varför hörs inget? Ljudet transporteras genom tryckvariationer i luften. I rymdens vakuum (tomrum) finns inga molekyler, och följaktligen inga tryckvariationer. Nedanstående video visar detta tydligt.



Här finns dokumenterat att ljud kräver ett medium: LjudFysiska_egenskaper
/Peter E 2011-02-10

Svar:
Brytningsindex (Refractive_index, brytningsindex) n eller optisk täthet hos ett medium definieras som ljushastigheten i vakuum dividerat med ljusets hastighet i mediet v: n = c/v.

I ett medium med brytningsindex n>1 har olika våglängder olika hastighet. Hastigheten är c/n där c är ljushastigheten i vakuum. Observera emellertid att hastigheten i vakuum är c för alla våglängder eftersom n=1.

Ja det är korrekt att ju långsammare ljuset går (ju större n) desto mer brytning får man, se fråga [17367] och [3302].

Eftersom ljushastigheten i vakuum alltid är densamma så uppkommer inte problemet att vi ser olika tider i olika våglängder. Om rymden mellan jorden och solen varit av glas, så hade vi sett rött ljus snabbare är blått.

Den klassiska förklaringen för ljusbrytning (refraktion, Refraktion) är en rad soldater som marscherar snett in mot en rak gränslinje till en leråker. Soldaternas marschhastighet minskar när de kommer till leråkern. För att bevara den snygga räta linjen med
soldater bredvid varandra, så måste de ändra riktning lite mot normalens riktning. Om vi sedan har en rad med kortbenta soldater som har ännu mindre hastighet
i leråkern, så behöver dessa avvika ännu mer från utgångsvinkeln. (Vi vill bara inte tänka på vad som skulle hända om vi blandade långbenta och kortbenta soldater i en rad :-).)

OK med soldater som kan bestämma att de behöver avvika från rakt fram, men hur vet ljuset hur det skall avvika? Helt enkelt genom att vågor i oordning tenderar att släcka ut varandra (interferens). I alla riktningar utom den som specificeras av brytningslagen släcks alltså ljuset ut. Se bilden nedan.

Din sista fråga finns behandlad i fysik, förståelse av.

Huvudpunkterna är:

• Utgå från observationer - fysik är inte matematik utan en empirisk (erfarenhetsbaserad, Empiri) vetenskap
  
• "Varför?" kan vi aldrig besvara eftersom det implicerar avsikt (och i så fall, vems avsikt). Man kan emellertid besvara "hur?" och ge samband mellan olika fysikaliska fenomen
  
• En del av den teoretiska fysiken är helt enkelt svår att förstå, så vi får lita på vad våra vänner teoretikerna säger åtminstone vad gäller väl etablerade fenomen
  

Man kan heller inte begära att en lärare skall kunna besvara allt. Även jag, med 40 års erfarenhet av fysik, går bet på en del frågor (ofta de som verkar triviala till att börja med). Jag kan emellertid oftast förstå när jag slår upp ett fenomen, men att göra det lättbegripligt för var och en kan vara svårt eller omöjligt. Det är en del i läroprocessen att man med tiden och erfarenheten förhoppningsvis får en allt djupare förståelse för fysik - allt kan inte komma på en gång! Det är lätt
att lära sig att Gustav II Adolf dog en novemberdag 1632 på ett fält nära Lützen, men kanske lite längre att förstå vad han hade där att göra!

Se en avancerad framställning av problemet i länk 1.

En kommentar om förståelse av fysik (Jocelyn_Bell):

(Jocelyn Bell är en av upptäckarna av pulsarer.)

Jocelyn Bell was born in Belfast, Northern Ireland, where her father was an architect who helped design the Armagh Planetarium. She was encouraged to read and drawn to books on astronomy. She lived in Lurgan as a child and attended Lurgan College where she was one of the first girls there who was permitted to study science. Previously, the girls' curriculum had included such subjects as cross-stitching and cooking.

At age eleven, she failed the 11+ exam and her parents sent her to the Mount School, York, a Quaker girls' boarding school. There she was impressed by a physics teacher, Mr. Tillott, who taught her:

You don't have to learn lots and lots ... of facts; you just learn a few key things, and ... then you can apply and build and develop from those ... He was a really good teacher and showed me, actually, how easy physics was.

/Peter E 2011-02-17

Svar:
Vid speciella förhållanden kan man excitera en exciterad atom, dvs se en absorptionslinje som inte börjar i grundtillståndet, se fråga [15042]. Vad som behövs är hög temperatur och inte alltför låg densitet eller ett stort flux av strålning. En del atomer kommer då exciteras av kollisioner eller absorption av strålning. Dessa kan sedan i sin tur exciteras genom absorption.

I solspektrum finns t.ex. balmerlinjerna i absorption, se t.ex. fråga [17523] där man kan se H-gamma i absorption. H-gamma är övergången mellan tillstånd 2 och 5 i väte.

Bilden nedan (från länk 1) visar hela solspektrum.

/Peter E 2011-03-02

Svar:
Bra fråga Jenny! Det kan tyckas konstigt att infrarött kommer ut som lila - det hade varit mer naturligt med rött som är grannfärgen. Det beror helt enkel på hur kameran är konstruerad. För att detektera färger har man tre CCDer i varje bildpunkt med ett rött, grönt och ett blått filter. Dessa filter fungerar bra i synligt ljus, så att färgåtergivningen blir korrekt. Det är uppenbarligen så att det är det röda och det blå filtren som släpper in mest infrarött, så att resultatet blir lila, se nedanstående bild.

Se även CCD_cameraArchitecture och länk 1 sidan 29.

/Peter E 2011-05-17

Svar:
Intressant fråga - det går naturligtvis inte! Autofokus för kikare är bara en marknadsföringsploj, se länk 1. I själva verket är kikarna med autofokus konstruerade så att de fokuserar på oändligt avstånd och har stort skärpedjup. Till en del kan även ögats egna autofokusering korrigera för ändligt avstånd genom att ögonlinsen ändrar form.

För att åstadkomma riktigt autofokus behöver systemet ha en inbyggd detektor. I elektroniska kameror finns ju detta. Det finns flera sätt att åstadkomma autofokus. Det enklaste är att maximera kontrasten - gränslinjen mellan ljust och mörkt är skarpast om man har korrekt fokusering. En annan metod är att använda ultraljud eller infrarött ljus. Se vidare Autofocus och länk 2.
/Peter E 2013-09-12

Svar:
Hawkingstrålning är en mycket svag strålning som Stephen Hawking hypotetiserat (ej bevisat) att svarta hål avger. Mekanismen utgörs av de partikel-antipartikel-par som kontinuerligt uppstår och försvinner i tomma rymden enligt kvantfysiken (se vakuumfluktuationer i fråga [11001]). I normala fall förintas alltid dessa par omedelbart efter bildandet. Dock, om paret bildas precis på randen till det svarta hålet, vid händelsehorisonten, kan det hända att antipartikeln (eller partikeln) försvinner in i hålet, samtidigt som partikeln (antipartikeln) lyckas ta sig loss. (Hawkingstrålning)

Jag antar att vad du menar är varför partiklar men inte fotoner kan tunnla ut från ett svart hål.

Det finns ingen allmän teori som omfattar elektromagnetism (QED) och gravitation. Skillnaden mellan en partikel och en foton är att partikeln har vilomassa medan fotonen inte har det. En foton som försöker ta sig ut ur ett svart hål kommer att dopplerförskjutas mot längre våglängder så att den vid det svarta hålets händelsehorisont har oändlig våglängd, dvs energin noll. Det betyder att den inte längre existerar. Partikeln har emellertid åtminstone sin vilomassa, varför små svarta hål kan förlora energi genom hawkingstrålning, dvs genom att partiklar tunnlar genom gravitationsbarriären.

Se även spekulationer (inte nödvändigtvis korrekta) under länk 1 och Photon_sphere.
/Peter E 2013-10-07