Светлина: Електромагнитни вълни, електромагнитен спектър и фотони

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:

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.

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:

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 $(\text{Hz})$‍, което е еквивалентно на "в секунда" $($‍записано като ${\displaystyle \frac{1}{\text{s}}}$‍ или ${\text{s}}^{-1})$‍. 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:

където $\lambda$‍ (ламбда) е дължината на вълната (в метри, $\text{m}$‍) а $\nu$‍ (ню) е честотата (в херци, $\text{Hz}$‍). Тяхното произведение е константата $c$‍, равна на скоростта на светлината, която е със стойност $3,00\cdot {10}^8\text{ m/s}$‍. 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.

Дадена електромагнитна вълна има честота $1,5\cdot {10}^{14}\text{ Hz}$‍.

Можем да започнем с формулата, която свързва честота, дължина на вълната и скорост на светлината.

След това преработваме уравнението, за да намерим дължината на вълната.

Накрая заместваме дадените стойности и решаваме.

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 ($f$‍):

Периодът се измерва в ($\text{s}$‍).

След като се запознахме с някои основни свойства на вълните, ще разгледаме различните видове електромагнитна радиация.

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.

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.

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.

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, $\mathrm{6,626}\cdot {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍, 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 $(\mathrm{1,025})$‍. 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.

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:

тук $E$‍ е енергията на фотона, абсорбирана или излъчена (изразена в джаули $\text{J}$‍), $\nu$‍ е честотата на фотона (изразена в херци, $\text{Hz}$‍), а $h$‍ е константата на Планк, $\mathrm{6,626}\cdot {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍.

Един фотон има честота $2,0\cdot {10}^{24}\text{ Hz}$‍.

Първо можем да използваме уравнението на Планк.

След това заместваме дадената в условието стойност за честотата, както и стойността на константата на Планк, $h$‍, и решаваме.

(Подсказка: Не забравяй, че вече учихме за връзката между дължина на вълната и честотата.)

Електромагнитната радиация може да се опише със своята амплитуда (яркост), дължина на вълната, честота и период. От уравнението $E=h\nu$‍ 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.