If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Светлина: Електромагнитни вълни, електромагнитен спектър и фотони

Свойства на електромагнитната радиация и на фотоните

Въведение в електромагнитните вълни

Електромагнитните вълни са един от многото начини, по които енергията пътува през пространството. Топлината от слънцето, рентгеновите лъчи в лекарския кабинет, както и енергията в микровълновата фурна, са все форми на електромагнитни вълни. Въпреки че тези енергии изглеждат различни, те са свързани от това, че имат свойства на вълна.
Ако можеш да плуваш, вече познаваш вълните. Вълните са просто колебания в определена физическа среда или поле, които се получават заради вибрации или трептения. Издигането на вълната в океана и следващото потъване е просто вибрация или колебание на водата на повърхността. Електромагнитните вълни са подобни, но се различават по това, че се състоят от 2 вълни, които трептят перпендикулярно една на друга. Едната от вълните е трептящо магнитно поле, а другата е трептящо електрично поле. Това може да се визуализира по следния начин:
Електромагнитните вълни може да се опишат като трептения в електромагнитно поле (трептения в равнината на страницата/екрана на компютъра) и перпендикулярни (в този случай трептене вън и вътре от страницата) трептения в магнитно поле. На оста Y е амплитудата, а на оста X е разстоянието в пространството.
Електромагнитните вълни се състоят от трептения в електричното поле с перпендикулярни трептения в магнитното поле. Image от UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
Макар че е добре да разбират основите на електромагнитните вълни, повечето химици не се интересуват толкова от това какво са електромагнитните вълни, а повече от това как тези вълни взаимодействат с материята. И по-точно химиците изучават как различните форми на електромагнитна радиация взаимодействат с атоми и молекули. От тези взаимодействия един химик може да получи информация за строежа на молекулата, както и за видовете връзки в нея. Преди да говорим за това трябва да поговорим още малко за физичните свойства на светлинните вълни.

Основни характеристики на вълните: Амплитуда, дължина и честота

Както може би вече знаеш, една вълна има минимум (най-ниската точка) и максимум (най-високата точка). Вертикалното разстояние между максимума и централната ос на вълната се нарича амплитуда. Това свойство е свързано с яркостта или интензитета на вълната. Хоризонталното разстояние между два последователни максимума или минимума се нарича дължина на вълната. Тази дължина може да се визулизира по следния начин:
Двуизмерно представяне на вълна. Амплитудата е разстоянието от централната ос (червената линия) до върха на дъгата. Дължината на вълната е разстоянието от най-висока до най-висока или от най-ниска до най-ниска точка.
Основните характеристики на една вълна, включително амплитуда и дължина. Image from UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3,0.
Запомни, че някои вълни (включително електромагнитните) трептят и в пространството, следователно трептят в дадена посока в течение на времето. Характеристиката, известна като честота на вълната, се отнася до броя на пълните дължини на вълната, които преминават през дадена точка в пространството за една секунда; единицата SI за честота е херц left parenthesis, start text, H, z, end text, right parenthesis, което е еквивалентно на "в секунда" left parenthesisзаписано като start fraction, 1, divided by, start text, s, end text, end fraction или start text, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, right parenthesis. Както може би предполагаш, дължината на вълната и честотата са обратно пропорционални: колкото по-малка е дължината на вълната, толкова по-висока е честотата и обратното. Това отношение е дадено от следното уравнение:
c, equals, lambda, \nu
където lambda (ламбда) е дължината на вълната (в метри, start text, m, end text) а \nu (ню) е честотата (в херци, start text, H, z, end text). Тяхното произведение е константата c, равна на скоростта на светлината, която е със стойност 3, comma, 00, dot, 10, start superscript, 8, end superscript, start text, space, m, slash, s, end text. Това отношение отразява един важен факт: електромагнитните вълни, без значение от дължината на вълната или нейната честота, пътуват със скоростта на светлината.
Нека да разгледаме пример, който илюстрира връзката между честотата и дължината на вълната.

Пример: Изчисляване на дължината на светлинна вълна

Дадена електромагнитна вълна има честота 1, comma, 5, dot, 10, start superscript, 14, end superscript, start text, space, H, z, end text.
Каква е дължината на тази вълна?
Можем да започнем с формулата, която свързва честота, дължина на вълната и скорост на светлината.
c, equals, lambda, \nu
След това преработваме уравнението, за да намерим дължината на вълната.
lambda, equals, start fraction, c, divided by, \nu, end fraction
Накрая заместваме дадените стойности и решаваме.
lambda, equals, start fraction, 3, comma, 00, dot, 10, start superscript, 8, end superscript, start fraction, start text, m, end text, divided by, start cancel, start text, s, end text, end cancel, end fraction, divided by, 1, comma, 5, dot, 10, start superscript, 14, end superscript, start fraction, 1, divided by, start cancel, start text, space, s, end text, end cancel, end fraction, end fraction, equals, 2, comma, 00, dot, 10, start superscript, minus, 6, end superscript, start text, space, m, end text
Проверка на знанията: Какво очакваш да се случи с честотата на една светлинна вълна, ако нейната дължина се увеличи 10 пъти?

Период

Последната характеристика, което ще разгледаме, е периодът на вълната. Период на вълната е времето, което отнема на една дължина на вълната да премине през дадена точка от пространството. Математически периодът (T) е реципрочната стойност на честотата на вълната (f):
T, equals, start fraction, 1, divided by, f, end fraction
Периодът се измерва в (start text, s, end text).
След като се запознахме с някои основни свойства на вълните, ще разгледаме различните видове електромагнитна радиация.

Електромагнитен спектър

Електромагнитните вълни могат да се класифицират и подредят според техните дължини и честоти; тази класификация се нарича електромагнитен спектър. На следващата таблица е показан този спектър, който се състои от всички видове електромагнитни вълни, които съществуват.
Електромагнитният спектър се състои от всички разновидности на радиацията във Вселената. Гама лъчите имат най-висока честота, а радио вълните - най-ниска. Видимата светлина е в средата на спектъра и заема малка част от него.
Електромагнитният спектър. Image from UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3,0
Тук виждаме, че видимият спектър - светлината, която можем да видим с очите си - съставя само малка част от различните видове радиация, които съществуват. Вдясно от видимия спектър са вълните, които са с по-малка честота (и по-голяма дължина на вълната) от видимата светлина. Тези видове включват инфрачервените (IR) лъчи (топлинни лъчи, отделяни от термални тела), микровълни и радио вълни. Тези видове вълни ни заобикалят постоянно и не са опасни, защото техните честоти са прекалено ниски. Както ще видим в секцията "фотони", вълните с по-ниска честота имат и по-малка енергия и така не са опасни за здравето.
В лявата част на видимия спектър имаме ултравиолетови (UV) лъчи, рентгенови (X) лъчи и гама лъчи. Тези видове радиация са опасни за живите организми заради високата си честота (и оттам висока енергия). По тази причина на плажа използваме слънцезащитни лосиони (които да блокират UV лъчите от слънцето), а техниците по рентгенови лъч поставят оловни екрани пред нас, за да попречат на лъчите да проникнат другаде освен на преглежданите части от тялото. Гама лъчите, които са с най-висока честота и най-висока енергия, са най-опасни. За щастие, нашата атмосфера абсорбира гама лъчите от космоса и по този начин ни предпазва от тях.
Сега ще разгледаме връзката между честотата на вълната и нейната енергия.

Квантуване на енергията и двойнствената природа на светлината

Вече описахме как светлината пътува през пространството като вълна. Това е добре известно от дълго време; всъщност холандският физик Кристиан Хюйгенс описва за първи път вълновата природа на светлината още в края на седемнайсети век. Около 200 години след Хюйгенс физиците смятат, че светлинните вълни и материята са съвсем различни неща. Според класическата физика материята се състои от частици, които имат маса и чиято позиция в пространството е известна; от друга страна за светлинните вълни се приема, че имат нулева маса, а позицията им в пространството не може да бъде определена. Тъй като се отнасят към различни категории, учените не разбират добре взаимодействията между светлината и материята. Това се променя през 1900 година, когато физикът Макс Планк започва да изучава черните тела - тела, които се загряват, докато започнат да излъчват светлина.
Разтопената лава действа като черно тяло, което излъчва електромагнитно лъчение във видимата част на спектъра при много високи температури.
Разтопена лава излъчва радиация на черно тяло. Image courtesy of the U.S. Geological Survey.
Планк е открил, че електромагнитните вълни, излъчени от черни тела, не може да се обяснят с класическата физика, която постулира, че материята може да абсорбира или да излъчи всякакво количество електромагнитни вълни. Планк наблюдава, че материята абсорбира или излъчва енергия само в целочислени кратни на стойността h, \nu, където h е константата на Планк, 6, comma, 626, dot, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text, а \nu е честотата на абсорбираната или излъчената светлина. Това откритие е било шокиращо, защото не съответства на схващането, че енергията е непрекъсната и може да се пренася в произволно големи или малки количества. В действителност, Планк открива, че енергията не е непрекъсната, а се състои от кванти - което означава, че може да се пренася на отделни "пакети" (или частици) с размер h, \nu. Всеки такъв пакет енергия е известен като квант (в множ. число - кванти).
Макар това да звучи объркващо, всъщност вече сме добре запознати с квантовите системи. Парите, които използваме ежедневно, са квантувани. Когато отидеш в магазин, няма да видиш нищо да се продава за лев и две стотинки и половина left parenthesis, 1, comma, 025, right parenthesis. Това е така, защото най-малката монетна единица е стотинка - не е възможно да платиш по-малко количество пари от това. Както не можем да платим на касиера половин стотинка, така енергията не може да се предаде под формата на нещо, което е по-малко от един квант. Можем да разглеждаме квантите като "стотинки" електромагнитна енергия - най-малките единици, с които енергията може да се пренася.
Откритието на Планк за това, че електромагнитното лъчение е във вид на кванти завинаги променя идеята, че светлината има поведение на вълна. В действителност светлината има двойнствена природа и има свойствата и на вълна, и на частица.

Фотон

Работата на Планк поставя основите за откриването на фотона. Фотонът е елементарна частица или квант светлина. Както ще видим скоро, фотонът може да се абсорбира или да се емитира от атоми и молекули. Когато се абсорбира фотон, неговата енергия се предава на атома или молекулата. Тъй като енергията се състои от кванти, цялата енергия на фотона се пренася (запомни, че не можем да пренасяме части от кванти, тъй като те са най-малките отделни "пакети" енергия). Обратният процес също е възможен. Когато атом или молекула губи енергия, той емитира фотон, който пренася енергия, равна на енергията, загубена от атома или молекулата. Тази промяна е право пропорционална на честотата на излъчения или абсорбиран фотон. Тази зависимост се изразява чрез уравнението на Планк:
E, equals, h, \nu
тук E е енергията на фотона, абсорбирана или излъчена (изразена в джаули start text, J, end text), \nu е честотата на фотона (изразена в херци, start text, H, z, end text), а h е константата на Планк, 6, comma, 626, dot, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text.

Пример: изчисляване на енергията на един фотон

Един фотон има честота 2, comma, 0, dot, 10, start superscript, 24, end superscript, start text, space, H, z, end text.
Каква е енергията на този фотон?
Първо можем да използваме уравнението на Планк.
E, equals, h, \nu
След това заместваме дадената в условието стойност за честотата, както и стойността на константата на Планк, h, и решаваме.
E, equals, left parenthesis, 6, comma, 626, dot, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start cancel, start text, s, end text, end cancel, right parenthesis, dot, left parenthesis, 2, comma, 0, dot, 10, start superscript, 24, end superscript, start cancel, start text, space, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, end cancel, right parenthesis, equals, 1, comma, 3, dot, 10, start superscript, minus, 9, end superscript, start text, space, J, end text
Проверка на знанията: Дължината на вълната на оранжевата светлина е около 590, minus, 635, start text, space, n, m, end text, а дължината на вълната на зелената светлина е около 520, minus, 560, start text, space, n, m, end text. Кой цвят има по-висока енергия - оранжевият или зеленият?
(Подсказка: Не забравяй, че вече учихме за връзката между дължина на вълната и честотата.)

Заключение

Електромагнитната радиация може да се опише със своята амплитуда (яркост), дължина на вълната, честота и период. От уравнението E, equals, h, \nu виждаме, че честотата и дължината на вълната са пропорционални на нейната енергия. В началото на 20 век откритието, че енергията е квантувана, води до заключението, че светлината не е само вълна, но може да се опише и като колекция от частици, наричани фотони. Фотоните носят дискретно количество енергия, наречена квант. Тази енергия може да се предаде на атомите и молекулите, когато абсорбират фотоните. Атомите и молекулите могат да загубят енергия, като излъчват фотони.