Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #1 Światło, Fale i Mechanika kwantowa

W poprzednim odcinku zrobiliśmy sobie krótki wstęp do spektroskopii. Jeśli uważasz, że było nudno i temat jest ciężki, to nie czytaj dalej bo to rzeczywiście jest nudne i ciężkie. A mogę zapewnić, że będzie tylko gorzej. Osobiście odradzam dalszą lekturę treści których mam obowiązek przedstawić. Możesz zrobić wiele innych rzeczy, obejrzeć serial, pograć w grę, spotkać sie ze znajomymi lub popatrzeć jak trawa rośnie. Każda z tych czynności będzie przyjemniejsza niż lektura kolejnego odcinka SDKZ.

Zostaliście ostrzeżeni, zacznijmy więc.

Czym jest Światło? Zasadniczo jest to przeciwieństwo ciemności, w językach pierwszymi określeniami dotyczącymi kolorów był biały i czarny - jasność i mrok. Ale czym jest Światło w sensie fizycznym?

Jest to fala elektromagnetyczna z zakresu światła widzialnego. Takimi samymi falami będzie fala gamma z bomby atomowej czy fala radiowa. Różnią je jedynie parametry takie jak długość i częstość które to definiują własności danej fali.

No dobrze. ale co nam to mówi, że jest to fala elektomagnetyczna? No w zasadzie to nic. Musimy rozbić nazwę: Elektro-Magnetyczna

Oznacza to, że fala ma 2 składowe, elektryczną i magnetyczną. Są one prostopadłe do siebie i w idealnym dielektryku są sobie równe. W rzeczywistości są one różne , ale nie będzie to przedmiotem naszego zainteresowania. Zakładamy, że są sobie równe.
Źródło

Na grafice widzimy te dwie składowe i sposób w jaki się rozchodzą. Zaznaczona jest również długość fali. Warto zauważyć, że są prostopadłe i mają te same wartości. Przecinają się też w jednych punktach. Co istotne widać też, że fala nie może drgać w osi x (częsty błąd studentów).

Prędkość rozchodzenia się takiej fali w próżni jest równa prędkości światła (c). długość zaś wyznaczana jest przez odcinek drogi jaką zajmuje pełny okres (lambda - λ) . Stąd można wyznaczyć częstość, czyli liczbę pełnych okresów zachodzących w ciągu 1 sekundy. Jest to więc (długość fali/prędkość rozchodzenia) oznaczamy ją za pomocą litery v. Jednostką częstości jest Hz - Herc.

Często można się też spotkać z liczbą falową, odnosi się ona do liczby drgań w danym odcinku drogi czyli v/c i jest to wartość równa odwrotności długości fali. Liczby falowe używane są np. na wykresach promieniowanie IR, im mniejsza liczba falowa tym dłuższa jest fala.

W ramach ciekawostki warto dodać, że w przypadku ośrodków innych niż próżnia, częstość powoduje spowolnienie fali i zwiększenie współczynnika załamania promieniowania n

Jeśli czujecie się znużeni, to będzie jeszcze gorzej. Polecam zamknąć kartę i poczytać coś innego.

Oprócz tego wszystkiego istnieje jeszcze polaryzacja. Fala którą widzicie na obrazku jest falą spolaryzowaną liniowo co oznacza, że jest to tylko jedna z fal światła niespolaryzowanego która nie została zatrzymana na polaryzatorze. Światło naturalne posiada fale które drgają we wszystkich możliwych kierunkach prostopadłych do osi rozchodzenia się fali.

Teraz dorzucimy jeszcze bardziej. Kojarzycie pewnie okładkę okładkę Dark Side of the Moon? Przypatrzmy się jej

Źródło

Na okładce widzimy pryzmat. Grafik zastosował ciekawy zabieg, zastosował faktycznie istniejące zjawisko fizyczne jako środek wyrazu artystycznego. Co robi pryzmat wie każde dziecko, tak że jak poświecimy na niego to będą kolorki. No dobrze, ale to nam nic nie mówi. Otóż Światło naturalne jest nie dość, że niespolaryzowane, to jeszcze polichromatyczne. Zawiera zarówno wiązki odpowiedzialne za zieleń, czerwień, fiolet, niebieski jak i wiązki z nadfioletu czy podczerwieni. Mało tego, na okładce widzimy też całe, uwaga, spektrum. Od fioletu po czerwień, i nie jest to ułożenie przypadkowe.

Ok, możemy powiedzieć, że kwestię fal mamy rozwiązaną, ale wiecie co? To tylko połowa prawdy bo okazuje się, że światło możemy traktować też jak obiekt materialny. Teoria falowa jest dobra bo opisuje wiele zjawisk, ale nie tłumaczy wszystkiego. Sprawdza się w opisie np. dyfrakcji czy interferencji

Jej uzupełnieniem jest teoria korpuskularna która to z kolei jest uzupełniana przez falową. Światło jest więc opisywane przez dwie odmienne teorie, prawdziwe dla niektórych zjawisk.

Teraz wprowadzimy sobie pojęcie fotonu, bo dawno nie było jakiejś definicji którą koniecznie musicie pamiętać. Otóż foton jest to porcja energii (kwant) która może wejść w interakcje z obiektem materialnym. Żeby było zabawniej jest to porcja dokładnie taka jaka może oddziałać z materią. W zasadzie może być inna ale jeśli nie wejdzie w interakcję to nawet nie dowiemy się, że istniała.

Foton można uznać za bardzo małą cząstkę która posiada energię oraz pęd, jak ciało materialne. Stoi za tym np. efekt fotoelektryczny.

Jest to bardzo ważne, aby zrozumieć, że foton nie może mieć dowolnej energii uderzając w dany układ. Musi energią trafić dokładnie w punkt aby dokonać obserwowalnych zmian, bo tak jak wspomniałem, nie ma zmian - nie widzimy nic.

Oczywiście jest na to wzór do zapamiętania: E = hv gdzie h jest to stała Plancka, a v odnosi się do częstości. Mamy więc zręczny, a jako zręczny rozumiemy taki który łączy 2 teorie, wzór. Jest on też wykorzystywany w teorii de Broglie'a - Fal materii. Uważa on, że każdy obiekt ma naturę falową oraz korpuskularną. Tylko dla dużych obiektów fale są tak małe, że aż nie zauważalne, więc w zasadzie nie istnieją.

No dobra, ale to jest jeden foton, a co to jest jeden foton? No właściwie to nic. Cała wiązka fotonów, to już coś! Taka wiązka mogłaby mieć np. mol fotonów, Tylko jaką jednostkę miałaby energia równa molowi takich fotonów?

Czekałem na to cały odcinek: "Ajnsztajn Energii" - Nazwana, możliwe, że na cześć młodego Alberta Einsteina. Światło widzialne ma energię zbliżoną do energii wiązań chemicznych, przez to światło inicjuje bardzo dużo reakcji.

Mniejsze częstości raczej nie powodują takich efektów, ale tu też jest pułapka, bo jeśli wystawimy głowę na minutę na słońce to raczej nic się nam nie stanie, a jeśli włożymy ją do mikrofalówki, to prawdopodobnie umrzemy, chociaż w mikrofalówce fale są o mniejszej energii niż światło widzialne (ale o tym innym razem). W przypadku większych częstości, zajdą natomiast duże zmiany w materii, zarówno fizyczne jak i chemiczne. Tym silniejsze im krótsza jest fala.

Jednak aby w dobry sposób opisać makroskopowo promieniowanie musimy wziąć pod uwagę intensywność promieniowania, nie wystarczy bowiem obecność danego fotonu, musi być ich dostatecznie dużo w większości przypadków do zajścia zjawiska.

I Tym kończymy ten 1000 słowny wywód, W następnym odcinku zajmiemy się Mechaniką Kwantową czyli zasadą nieoznaczności i innymi nieciekawymi rzeczami. Stanowczo odradzam.