Μέρος 1 ο : Εισαγωγή στο φως

Transcript

1 Μέρος 1 ο : Εισαγωγή στο φως Το φως είναι η ευλογία του Θεού. Είναι γνωστό ότι κατά τη δημιουργία του κόσμου είπε: «καὶ εἶπεν ὁ Θεός γενηθήτω φῶς καὶ ἐγένετο φῶς. καὶ εἶδεν ὁ Θεὸς τὸ φῶς, ὅτι καλόν καὶ διεχώρισεν ὁ Θεὸς ἀνὰ μέσον τοῦ φωτὸς καὶ ἀνὰ μέσον τοῦ σκότους. και εχώρισεν ο Θεός το σκότος από το φως. καὶ ἐκάλεσεν ὁ Θεὸς τὸ φῶς ἡμέραν καὶ τὸ σκότος ἐκάλεσε νύκτα. καὶ ἐγένετο ἑσπέρα καὶ ἐγένετο πρωΐ, ἡμέρα μία». Πέραν αυτού όμως οι επιστήμονες, έχοντας κάνει τεράστιες ανακαλύψεις από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα δε σταματούν να μελετούν αυτό το φυσικό φαινόμενο από το μικρόκοσμο όπως η σχέση του φωτός με τα ηλεκτρόνια έως τα μακροσκοπικά δημιουργήματα όπως είναι η μεταφορά του φωτός από τον ήλιο στη γη. Σε αυτή την εργασία θα μιλήσουμε σύμφωνα με τις επιστημονικές μας δυνατότητες για αυτό το θαύμα που λέγεται φως, με εισαγωγικές έννοιες περί κυμάτων, την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και το φάσμα καθώς και τη σχέση του με την αναλυτική χημεία και τη φασματοφωτομετρία. Τα περιοδικά φαινόμενα Πριν αρχίσουμε να μιλάμε για το φως είναι απαραίτητο να δούμε κάποιες βασικές γνώσεις της φυσικής που θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τη φύση και τις ιδιότητές του. Έτσι ξεκινάμε από την έννοια «περιοδικά φαινόμενα». Αυτά είναι καταστάσεις της ύλης κατά τις οποίες ένα αντικείμενο σε ίσους χρόνους επαναλαμβάνει την ίδια κίνηση. Παραδείγματα είναι κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο, ο χτύπος της καρδιάς που μελετάται με το ηλεκτροκαρδιογράφημα. Αυτές οι κινήσεις μπορεί να διαδίδονται προς μια κατεύθυνση μέχρι τον τόπο προορισμού τους (όπως γίνεται με το φως) ή επαναλαμβάνονται γύρω από ένα σημείο ισορροπίας με ακραία σημεία όπως το εκκρεμές (ταλάντωση). Εμάς θα μας απασχολήσουν τα πρώτα τα οποία για να γίνουν κατανοητά πρέπει να γνωρίσουμε τα χαρακτηριστικά τους μεγέθη που είναι η περίοδος και η συχνότητα, καθώς και τη σχέση μεταξύ τους. Περίοδος (Τ) είναι ο χρόνος ο οποίος απαιτείται το προς μελέτη σώμα ή κάτι άπιαστο όπως η ακτινοβολία για να επαναλάβει μια ολοκληρωμένη φορά την κίνησή του. Μιας και η περίοδος είναι χρόνος μετριέται σε δευτερόλεπτα (s) και ανάλογα με το φαινόμενο και σε μεγαλύτερες μονάδες όπως η περίοδος περιστροφής της γης προς τον άξονά της σε 24 ώρες και γύρω από τον ήλιο σε 365 μέρες. Συχνότητα (f) είναι το φυσικό μέγεθος που μας δείχνει πόσες φορές (Ν) επαναλαμβάνεται η κίνηση του φαινομένου σε ένα συγκεκριμένο χρόνο δηλαδή ισούται με:

2 αριθμός των επαναλήψεων f = = N t t Η συχνότητα μετριέται όπως βγαίνει και από τον παραπάνω τύπο σε s -1 που ονομάζεται Hertz (Hz). Παραδείγματα της μέτρησης της συχνότητας είναι η περιστροφή του CD (8,33Hz) ή οι παλμοί (70/λεπτό ή 1,16Hz). Όταν έχουμε μία μόνο επανάληψη Ν=1 είναι προφανές ότι ο χρόνος γίνεται ίσος με την περίοδο Τ οπότε και η συχνότητα ισούται: f = 1 T Τα κύματα Τα κύματα είναι περιοδικά φαινόμενα και ακολουθούν τις αρχές και τα μεγέθη που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο. Κύμα είναι μια διαταραχή που διαδίδεται στο χώρο και στο χρόνο. H διάδοση μπορεί να γίνεται διαμέσου ενός υλικού όπως ο ήχος στον αέρα ή στο κενό (δηλαδή έξω από την ατμόσφαιρα της γης) όπως το φως. Για τη μελέτη και την κατανόηση των κυμάτων απαιτούνται η περίοδος και η συχνότητα και επιπλέον κάποια άλλα μεγέθη όπως το μήκος, το πλάτος και η ταχύτητα του κύματος καθώς και τη μορφή και τη φύση τους. Τα κύματα δημιουργούνται όταν εφαρμοστεί μία δύναμη στην αρχή του μέσου του οποίου εκτελεί την ταλάντωση που αναφέραμε προηγούμενα. Αυτό το μέσο μπορεί να είναι ένα σχοινί ή ένα ελατήριο ή σωματίδια όπως το φωτόνια που θα δούμε παρακάτω. Στην περίπτωση του ελατήριου που είναι πιο αντιληπτή σε μας όταν το τραβήξουμε από την άκρη του με συνεχή τρόπο μπρος πίσω ή αριστερά δεξιά (ή πάνω κάτω) βλέπουμε ότι δημιουργούνται κάποιες διακυμάνσεις στη μορφή του οι οποίες είναι ταλαντώσεις και κινούνται προς μία ευθύγραμμη διεύθυνση (για αντιδιαστολή σκεφτείτε το εκκρεμές που η διεύθυνσή του αλλάζει). Και στις δύο περιπτώσεις έχουμε τα κύματα για τα οποία και ξεκινήσαμε να μιλάμε που χωρίζονται σε δύο είδη: τα διαμήκη και τα εγκάρσια. Όταν η διεύθυνση της διάδοσης του κύματος είναι παράλληλη με την διεύθυνση της ταλάντωσης των συμμετεχόντων σωματιδίων λέγονται διαμήκη και δημιουργούν πυκνώματα και αραιώματα. Αυτά όμως δε θα μας απασχολήσουν περαιτέρω. Εμείς θα ασχοληθούμε με τα εγκάρσια κύματα που διεύθυνσή τους είναι κάθετη στη διεύθυνση της ταλάντωσης των συμμετεχόντων σωματιδίων.

3 Πειραματική παρουσίαση εγκάρσιων και διαμηκών κυμάτων (εξαίρετο): Εγκάρσια κύματα: Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η μορφή ενός τέτοιου κύματος που η επαναλαμβανόμενη κίνηση δημιουργεί τα όρη και τις κοιλάδες. Το μήκος μεταξύ δύο διαδοχικών ορέων ονομάζεται μήκος κύματος (λ) και μετριέται σε μέτρα ή άλλοτε και σε πολύ μικρότερες μονάδες, τα nm=10-9 m. Επίσης το ύψος ενός όρους μέχρι τον άξονα της διεύθυνσης ονομάζεται πλάτος κύματος. Ένας ολοκληρωμένος κύκλος του εγκάρσιου κύματος στο χρόνο μιας περιόδου φαίνεται παρακάτω. Η ταχύτητα του κύματος δίνεται από τη σχέση: u = λ f και εάν αντικαταστήσουμε την ταχύτητα με την ταχύτητα του φωτός (c) παίρνουμε: c = λ f ή f = c λ Αυτή η σχέση αποτελεί το θεμελιώδη νόμο της κυματικής. Από αυτή καταλαβαίνουμε ότι η συχνότητα και το μήκος κύματος είναι ποσά αντιστρόφως ανάλογα δηλαδή όσες φορές αυξάνεται το ένα τόσες φορές μειώνεται το άλλο. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα

4 Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα όπως λέει και η λέξη είναι μια σύζευξη ηλεκτρικών και μαγνητικών κυμάτων. Το ενδιαφέρον είναι πως γίνεται αυτό και ποια μορφή παίρνουν στο χώρο. Χαρακτηριστικό τους είναι όπως προαναφέρθηκε η κίνησή τους και στο κενό σε αντίθεση με τα μηχανικά κύματα. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δημιουργούνται από την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων. Κάθε φορτισμένο σωματίδιο δημιουργεί γύρω του ένα ηλεκτρικό πεδίο που είναι ένας χώρος στον οποίο ασκούνται ηλεκτρικές δυνάμεις σε οποιοδήποτε φορτίο πλησιάσει σε αυτόν. Όπως τώρα το φορτισμένο σωματίδιο κινείται (υπό τους κανόνες και τη μορφή του κύματος που ήδη είδαμε) όχι μόνο διατηρεί τις ιδιότητες που έχει μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο αλλά δημιουργεί και ένα μαγνητικό πεδίο που είναι κάθετο προς τη διεύθυνση της μεταφοράς του. Με αυτό τον τρόπο τα δύο κύματα αλληλοεπιδρούν. Αυτό γίνεται με το γεγονός ότι το επίπεδο διάδοσης του ενός είναι κάθετο με αυτό του άλλου και τα δύο κάθετα στη διεύθυνση. Έτσι το ηλεκτρικό κύμα είναι εγκάρσιο όπως και το μαγνητικό. Αυτά φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Πειραματικά η διάταξη παραγωγής ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου μαζί φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Παρατηρείστε ότι ο μαγνήτης είναι κάθετος στη δημιουργούμενο από τη μπαταρία ηλεκτρικό κύκλωμα.

5 Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όλοι ίσως νομίζουμε ότι είναι κάτι βλαβερό χωρίς κάτι τέτοιο να συμβαίνει. Αποτελεί τη μεταφορά ενέργειας που λαμβάνεται ή διαδίδεται ακόμη και στο κενό. Αυτή η μεταφορά ενέργειας γίνεται με πολύ μικρές διαβαθμισμένες οντότητες ή πακέτα, τα κβάντα (quanta) όπως είναι τα σκαλοπάτια μιας σκάλας και είναι η μονάδα κατά την οποία τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται. Έτσι προσπαθώντας οι επιστήμονες να εξηγήσουν τη διάδοση του φωτός όρισαν ένα τέτοιο κβαντο του φωτός, το φωτόνιο. Αυτά νοούνται με δύο φύσεις: του σωματιδίου και του κύματος. Η καθορισμένη ενέργεια Ε που έχουν τα φωτόνια ισούται με: Ε = h f Όπου h=η σταθερά Plank (6, m 2 kg/s) και f η συχνότητα της ακτινοβολίας Έτσι τα φωτόνια δε νοούνται με την κλασική μορφή της ύλης, εμπεριέχουν την έννοια του φωτός αλλά όμως δε μπορούν να συλληφθούν και κατανοηθούν με τις ανθρώπινες αισθήσεις και το νου. Προηγούμενα αναφέραμε την ταχύτητα του φωτός. Αυτή συμπίπτει με την ταχύτητα διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που πραγματοποιείται με εξαιρετική ακρίβεια στο ποσό των 299,792,458 m/s (με απλοποίηση km/s). Ένα γεγονός πραγματικά θαυμαστό αφού το φως χρειάζεται 8 λεπτά με την ιλιγγιώδη αυτή ταχύτητα να διανύσει την απόσταση των km της γης από τον ήλιο.