Wpis opublikowany przez Lord Nargogh
1151 wyświetleń
Szczerze powiedziawszy, temat jest bardzo trudny, ale ten blog nie ma służyć za uniwersytecką encyklopedię dla studentów nauk ścisłych, ma raczej na celu pokazać zwykłym, nieinteresującym się na codzień fizyką śmiertelnikom, że można o trudnych zjawiskach mówić w sposób prosty, a także być może ciekawy. Nie będę ukrywał, że jako osoba zainteresowana tematem fizyki uznaję program nauczania na każdym etapie (od podstawówki, przez gimnazjum i liceum, po studia specjalistyczne) za źle sformułowany i zniechęcający do tematu. Czytaj: tak, to jest nudne i trudne nie tylko dla humanistów (jeśli źle przeprowadzone). Ale jak powiedział kredens do szafy, przejdźmy do rzeczy.
Na początek zadajmy sobie dwa pytania: Czym jest światło? Czym jest materia?
Uczeni dość mocno interesowali się tymi kwestiami na przełomie XIX i XX wieku. Niektórzy wysnuwali hipotezy oparte o matematyczne dowody, inni później je obalali bądź potwierdzali przy użyciu eksperymentu.
W związku ze światłem teorie były dwie:
1. Światło jest falą (elektromagnetyczną),
2. Światło składa się z cząstek (korpuskuł), zwanych fotonami.
Eksperymenty wykazały, że obie teorie są poprawne, bowiem światło wykazuje zarówno zachowania falowe, jak i korpuskularne. Omówmy krótko zjawiska, które potwierdzają tę teorię.
Dla czystej formalności - za falę uznajemy zaburzenie rozchodzące się w przestrzeni. Na przykład fala akustyczna jest rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem gęstości i ciśnienia ośrodka. Na chłopski rozum oznacza to po prostu zbliżanie się i oddalanie cząstek w miejscu przez które przechodzi fala, łatwo sobie to wyobrazić.
Na początek zjawiska potwierdzające falową naturę światła:
Przede wszystkim dyfrakcja i interferencja.
Dyfrakcja to zjawisko uginania się fal przechodzących w pobliżu przeszkody. Najprostszym układem w którym można zaobserwować dyfrakcję jest niewielka, pojedyncza szczelina przez którą przechodzi równoległa wiązka światła. Gdy takich szczelin jest bardzo wiele i znajdują się w stałych odległościach pomiędzy sobą, mamy do czynienia z siatką dyfrakcyjną.
Interferencja to w uproszczeniu zjawisko w którym dwie fale oddziałują ze sobą, na skutek czego ulegają w różnych miejscach wzmocnieniu lub wygaszeniu.
Przejdźmy teraz do przykładowych zjawisk potwierdzających korpuskularną (materialną) naturę światła - a bardziej po ludzku, potwierdzających że światło składa się z fotonów:
Efekt Comptona - zjawisko w którym foton na skutek zderzenia z elektronem zmienia swoją długość fali - czyli na przykład uderza zielony foton, a odlatuje czerwony. Jest to związane ze spadkiem częstotliwości fotonu, od której zależy wartość jego energii. Sytuacja przypomina zachowanie białej kuli bilardowej uderzającej w spoczywającą w miejscu kulę o innym kolorze.
Wyobrażenie na temat dwóch fotonów o różnych energiach. Obrazek pochodzi ze strony NASA.
Zjawisko fotoelektryczne jest bardzo podobne do efektu Comptona, a różnica pomiędzy tymi zjawiskami wynika z różnicy w energii lecącego fotonu (i pracy wyjścia elektronu, ale to nie jest istotne dla naszego przykładu. Bardziej energetyczny foton uderzając w elektron powoduje jego 'uwolnienie' z orbitalu atomu/cząsteczki. Wracając do analogii z bilardem, tym razem biała kula spowodowałaby swoim uderzeniem wylecenie innej kuli poza stół bilardowy.
Mamy zatem dwa przykłady na to, że światło zachowuje się jak fala oraz dwa przykłady na zachowanie światła jako cząstki. Jaki to ma związek z materią i w jaki sposób wynika z tego podobieństwo materii do światła? O tym postaram się napisać następnym razem.
-
13
11 komentarzy
Rekomendowane komentarze