Cíl výuky
- Probírat vznik vlnění a jeho měřitelné vlastnosti, všímat si souvislostí s Youngovým dvojštěrbinovým experimentem
Klíčové body
- Vlnový pohyb vzniká, když se pružným prostředím šíří periodická porucha určitého druhu. Změny tlaku ve vzduchu, příčné pohyby podél kytarové struny nebo změny intenzity lokálních elektrických a magnetických polí v prostoru, známé jako elektromagnetické záření, jsou příklady vlnění.
- Existují tři měřitelné vlastnosti vlnového pohybu: amplituda, vlnová délka a frekvence.
- Definitivním experimentem byl Youngův dvojštěrbinový pokus, který prokázal, že světlo prosvícené dvěma štěrbinami v obrazovce vykazuje interferenční obrazec charakteristický pro světelné vlny, nikoliv částice.
- Fáze spojená s vlněním je také důležitá při popisu některých jevů.
- Rychlost vlnění je součin vlnové délky a frekvence.
Termíny
- amplitudaMaximální hodnota veličiny dosažená v obou směrech.
- vlnaTvar, který se střídavě mění mezi maximem ve dvou protilehlých směrech.
- frekvencePočet kmitů za sekundu.
- vlnová délkaDálka, kterou vlna urazí za celou periodu (1/frekvence).
V této části se zaměříme na vlnové vlastnosti světla. Zatímco později se dozvíte o dualismu vlna/částice (jak se světlo chová jako vlna i částice zároveň), zde probereme vlnovou povahu světla a experimentální důsledky tohoto chování.
Úvod do vlnového pohybu
Vlnový pohyb vzniká, když se prostředím šíří periodická porucha nějakého druhu. Typickými příklady vlnového pohybu jsou změny tlaku ve vzduchu, příčné pohyby podél kytarové struny nebo změny intenzit lokálních elektrických a magnetických polí v prostoru, které představují elektromagnetické záření. Pro každé prostředí existuje charakteristická rychlost, kterou se porucha šíří.
Existují tři měřitelné vlastnosti vlnění: amplituda, vlnová délka a frekvence (počet kmitů za sekundu). Vztah mezi vlnovou délkou λ (řecky lambda) a frekvencí vlnění ν (řecky nu) je určen rychlostí šíření v, takže
v=\nu \lambda
Pro světlo tato rovnice zní
\nu = \frac{c}{\lambda}
kde c je rychlost světla, 2,998 x 108 m/s.
Při použití těchto rovnic k určení vlnové délky, frekvence nebo rychlosti manipulací s rovnicí je důležité si uvědomit, že vlnová délka se vyjadřuje v jednotkách délky, jako jsou metry, centimetry, nanometry atd. a frekvence se obvykle vyjadřuje v megahertzech nebo hertzech (s-1).
Příklad
Jaká je vlnová délka hudebního tónu A = 440 hz, když se šíří vzduchem, v němž je rychlost zvuku 343 m s-1?
λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m
Youngův dvojštěrbinový experiment
Na počátku 19. století provedl anglický vědec Thomas Young slavný dvojštěrbinový experiment (známý také jako Youngův experiment), který prokázal, že světelný paprsek, je-li rozdělen na dva paprsky a poté opětovně spojen, bude vykazovat interferenční jevy, které lze vysvětlit pouze za předpokladu, že světlo je vlnový rozruch. Pokud by se světlo skládalo výhradně z obyčejných nebo klasických částic a tyto částice by byly vystřeleny v přímce skrz štěrbinu a mohly by dopadat na stínítko na druhé straně, očekávali bychom, že uvidíme obrazec odpovídající velikosti a tvaru štěrbiny. Když se však tento jednoštěrbinový experiment skutečně provede, obrazec na obrazovce je difrakční obrazec, v němž je světlo rozptýleno. Čím menší je štěrbina, tím větší je úhel rozptylu.
Podobně, pokud by se světlo skládalo čistě z klasických částic a osvětlovali bychom dvě rovnoběžné štěrbiny, očekávaný obrazec na obrazovce by byl jednoduše součtem obou jednoštěrbinových obrazců. Ve skutečnosti se však obrazec změní na jeden s řadou střídajících se světlých a tmavých pásů. Když Thomas Young tento jev poprvé demonstroval, naznačil tím, že světlo se skládá z vlnění, neboť rozložení jasu lze vysvětlit střídavě aditivní a subtraktivní interferencí vlnoploch. Youngův experiment provedený na počátku 19. století sehrál zásadní roli při přijetí vlnové teorie světla, která nahradila korpuskulární teorii světla navrženou Isaacem Newtonem, jež byla v 17. a 18. století uznávaným modelem šíření světla. Téměř o sto let později, v roce 1905, prokázal Albert Einstein svým výzkumem fotoelektrického jevu, za který získal Nobelovu cenu, že světlo se za určitých podmínek může chovat, jako by se skládalo z diskrétních částic. Tyto zdánlivě protichůdné objevy způsobily, že bylo nutné překročit rámec klasické fyziky a vzít v úvahu kvantovou povahu světla.