6.1 Athari ya fotoumeme na mwangilio wa Compton

Nyumbani ／ Sura ya 6: Eneo la kwanta (V5.05)

Katika Nadharia ya Nyuzi za Nishati (EFT), mwanga ni kifurushi cha mawimbi: mkengeuko wa tenza (tensor) unaosafiri ndani ya “bahari ya nishati”. Mkengeuko huwa kifurushi thabiti tu unapovuka kizingiti cha tenza cha eneo husika; vivyo hivyo, kipokezi hunyonya nishati tu pale ambako muundo wake wenyewe unavuka kizingiti cha unyonyaji. Kwa hiyo “tabia ya chembe” inayoonekana haimaanishi mwanga kuwa mkondo wa punje; hutokea kwa sababu utoaji na unyonyaji hutekelezwa katika sehemu zisizogawanyika zinazowekwa na vizingiti, ilhali safari kati ya chanzo na kipokezi hufuata sheria za mawimbi—usambazaji, awamu na mwingiliano. Kwa muhtasari: wimbi linaonyesha njia, vizingiti vinaonyesha sehemu.

I. Utaratibu mmoja: vizingiti vitatu, hatua tatu za kidisiti

Tukio kamili la “kuwasili–kuondoka” kwa mwanga hugawanyika katika sehemu tatu. Pamoja, vinafafanua kwa nini ubadilishanaji wa nishati hutokea kwa sehemu.

• Kizingiti cha chanzo: kizingiti cha uundaji wa kifurushi
  Ndani ya chanzo, tenza na awamu hukusanyika na kubadilika. Kifikapo kizingiti cha kuachilia, nishati iliyohifadhiwa hutoka kama “bahasha” iliyoratibiwa—kifurushi kimoja kamili. Chini ya kizingiti hakuna “mnyunyizo wa polepole”; kwenye kizingiti, utoaji ni mzima. Hivyo utoaji huwa wa sehemu.
• Kizingiti njiani: kizingiti cha usambazaji
  Bahari ya nishati haimpi “mwanga wa kijani” kila mkengeuko. Ni miken­geuko iliyoratibiwa vya kutosha, iliyo ndani ya dirisha la uwazi la masafa, na inayolingana na njia yenye impedansi ndogo, ndiyo inayoenda mbali kama vifurushi thabiti. Mengine huwashwa joto, hutawanywa au huzama kwenye kelele ya mandharinyuma karibu na chanzo.
• Kizingiti cha kipokezi: kizingiti cha kufunga
  Kifaa cha kugundua au elektroni iliyofungwa lazima kipite lango la nyenzo ili unyonyaji/utoaji uhesabiwe kuwa umekamilika. Lango ni lisilogawanyika: aidha hakuna kinachotokea, au hufunga kwa sehemu moja kamili. Kwa hiyo ugunduzi na kubadilishana nishati hutokea “sehemu moja kwa wakati”.

Kwa sentensi moja: kizingiti cha uundaji wa kifurushi hufanya utoaji kuwa wa kidisiti, kizingiti cha usambazaji huchuja kinachoweza kufika mbali, na kizingiti cha kufunga hufanya unyonyaji kuwa wa kidisiti. Mnyororo huu wa vizingiti unaunganisha mwendo wa wimbi na uhasibu wa sehemu katika picha moja ya kifizikia.

II. Majaribio mawili ya kizamani chini ya mnyororo wa vizingiti

1. Athari ya fotoumeme: kizingiti cha rangi, hakuna kusubiri, ukali hubadili “idadi”
   Mtazamo wa kihistoria: Mwaka 1887, Hertz aliona mwanga wa urujuanimno kuendeleza cheche. Mwaka 1902, Lenard aliripoti sheria tatu: yapo kizingiti cha rangi (masafa); elektroni hujitokeza mara moja; ukali wa mwanga hubadili idadi ya elektroni, si nishati ya kila elektroni. Mwaka 1905, Einstein alieleza kwa sehemu za nishati za kidisiti; miaka ya 1914–1916, Millikan alithibitisha uhusiano kwa usahihi mkubwa.

Tafsiri katika Nadharia ya Nyuzi za Nishati:

• Kwa nini “moja baada ya moja”: Udisiti hutokea pande zote mbili: chanzo hutuma vifurushi kamili kwenye kizingiti cha uundaji, kipokezi hufunga sehemu kamili kwenye lango la nyenzo. Safari ni ya kima­wimbi; katika wakati wa muamala hu­hesabiwa sehemu.
• Ukali hubadili “mdundo”, si “kimo cha sehemu”: Ukali huamua ni vifurushi vingapi kwa muda vinavyotolewa, hivyo mkondo huongezeka kadiri ya ukali; nishati kwa sehemu hutegemea rangi, si ukali.
• Hakuna kusubiri kunakoonekana: Si mchakato wa kupanda taratibu; kifurushi kinachokidhi masharti kinapowasili, mkataba hufungwa papo hapo.
• Rangi ina kizingiti: Elektroni iliyofungwa lazima ipite lango la nyenzo ili ijikomboe. “Nguvu ya pigo” ya kifurushi kimoja huamuliwa na midundo ya chanzo—yaani rangi. Ikiwa rangi ni nyekundu kupita kiasi, sehemu moja haitoshi; kuongeza ukali hakusaidii.

2. Mwangilio wa Compton: sehemu moja, elektroni moja, tukio moja
   Mtazamo wa kihistoria: Mwaka 1923, Compton alisambaza miale ya X ya rangi moja kwa elektroni karibu huru na kubaini kuwa kadiri pembe inavyoongezeka, mwanga uliotawanywa huwa mwekundu zaidi (masafa ya chini). Alitafsiri kama muamala wa mmoja-kwa-mmoja na elektroni, na akapokea Tuzo ya Nobel mwaka 1927.

Tafsiri katika Nadharia ya Nyuzi za Nishati:

• Mawimbi bado huunda matokeo: Kabla na baada ya tukio, bahasha na awamu hufuata sheria za mawimbi; udisiti huonekana tu katika muda wa muamala.
• Matukio ya kutawanya ya kidisiti: Lango la kipokezi huhakikisha kuwa kila kufunga ni kwa sehemu moja kamili—hakuna kugawanya sehemu moja kwa elektroni kadhaa.
• Muamala wa sehemu moja: Kifurushi cha tenza “hushikamana” na miundo ndogo ya kielektroni inayoweza kufungua lango na hufunga mmoja-kwa-mmoja, kikitoa nishati na msukumo; mwanga uliotawanywa husogea kuelekea wekundu, na kwa pembe kubwa hutolewa nishati zaidi.

III. Madhara ya mnyororo wa vizingiti: si kila mkengeuko hufika mbali

Ishara nyingi huzimika kwenye chanzo au hubaki katika uwanja wa karibu kwa sababu ya kizingiti cha usambazaji:

• Uratibu hafifu (koherensi haitoshi): Bahasha huparaganyika tangu mwanzo, hivyo kifurushi thabiti hakijengwi.
• Dirisha lisilofaa: Masafa huangukia bendi za umezaji mkali za mazingira na kuzima kwa umbali mfupi.
• Njia isiyolingana: Hakuna njia yenye impedansi ndogo inayofaa au mwelekeo haufanani, na nishati hutawanyika haraka.

Ishara zinazofika mbali lazima zitimize kwa wakati mmoja masharti matatu: uundaji mzuri wa kifurushi, dirisha sahihi la uwazi, na ulinganifu wa njia.

IV. Uhusiano na nadharia zilizopo

• Inaoana na mekanika ya kwanta: Kauli “nishati ya kila sehemu ya kidisiti hupimika kwa masafa” bado ni sahihi. Nadharia ya Nyuzi za Nishati hutoa mizizi ya udisitii katika kizingiti cha uundaji (chanzo) na kizingiti cha kufunga (kipokezi) bila kuanzisha huluki mpya.
• Inalingana na elektrodinamiki ya kwanta: Utaratibu wa mahesabu unaochukulia mwanga kama kwanta za uga unabaki kutumika kama ulivyo. Nadharia ya Nyuzi za Nishati inaongeza mtazamo wa ki-substrati ulio bayana: bahari huweka mipaka ya usambazaji na awamu, huku nyuzi na nyenzo zikitoa vizingiti na kufunga.
• Thabiti na nadharia ya mawimbi ya kizamani: Mwingiliano na mviringo (difraksia) ni matukio ya kima­wimbi. Nadharia ya Nyuzi za Nishati inasisitiza: wimbi huunda njia; vizingiti huquantisha muamala—vipengele vyote viwili ni kweli kwa pamoja.

V. Vidokezo muhimu

• Mwanga hujionyesha kama vifurushi vya mawimbi vinavyosambaa na kuingiliana ndani ya bahari ya nishati kulingana na sheria za mawimbi.
• Udisiti (“sehemu moja baada ya nyingine”) hutokana na vizingiti: uundaji wa kifurushi kwenye chanzo na kufunga kwenye kipokezi hufanya utoaji na unyonyaji kuwa wa sehemu.
• Athari ya fotoumeme huonyesha kizingiti kigumu upande wa kipokezi: rangi huamua kama sehemu itavuka lango; ukali hubadili mdundo wa sehemu pekee, si nishati kwa sehemu.
• Mwangilio wa Compton hufichua jiometri ya sehemu moja–elektroni moja: pembe kubwa → nishati zaidi hutolewa → mwelekeo mkubwa zaidi kuelekea wekundu.
• Si kila mkengeuko hugeuka kuwa “mwanga wa umbali mrefu”: ni vifurushi vilivyoundwa vyema, vilivyo katika dirisha sahihi, na vilivyolingana na njia ndivyo hufika mbali; vingine huzima karibu na chanzo.