Indledning til kemi

Læringsmål

Diskutere, hvordan bølgebevægelser opstår, og hvilke egenskaber de kan måles, idet de noterer sig sammenhængene i Young’s dobbeltspalteeksperiment

Nøglepunkter

Bølgebevægelse opstår, når en periodisk forstyrrelse af en eller anden art spredes gennem et elastisk medium. Trykvariationer gennem luft, tværgående bevægelser langs en guitarstreng eller variationer i intensiteten af de lokale elektriske og magnetiske felter i rummet, kendt som elektromagnetisk stråling, er alle eksempler på bølger.
Der er tre målbare egenskaber ved bølgebevægelser: amplitude, bølgelængde og frekvens.
Et afgørende eksperiment var Youngs dobbeltspalteforsøg, som viste, at lys, der skinnede gennem to spalter i en skærm, viser et interferensmønster, der er karakteristisk for bølger af lys, snarere end partikler.
Den fase, der er forbundet med en bølge, er også vigtig i beskrivelsen af visse fænomener.
En bølges hastighed er produktet af bølgelængden og frekvensen.

Termer

AmplitudeDen maksimale værdi af variablen, der nås i en af retningerne.
bølgeEn form, der alternativt varierer mellem et maksimum i to modsatte retninger.
frekvensTallet af vibrationer pr. sekund.
bølgelængdeDen afstand, som bølgen tilbagelægger i en hel periode (1/frekvens).

I dette afsnit vil vi fokusere på lysets bølgelignende egenskaber. Mens du senere vil lære om bølge/partikel-dualitet (hvordan lys opfører sig som både en bølge og en partikel på samme tid), vil vi her diskutere lysets bølgenatur og de eksperimentelle virkninger af denne opførsel.

Indledning til bølgebevægelse

Bølgebevægelse opstår, når en periodisk forstyrrelse af en eller anden art forplanter sig gennem et medium. Trykvariationer gennem luft, tværgående bevægelser langs en guitarstreng eller variationer i intensiteterne af de lokale elektriske og magnetiske felter i rummet, som udgør elektromagnetisk stråling, er alle typiske eksempler på bølgebevægelse. For hvert medium er der en karakteristisk hastighed, hvormed forstyrrelsen bevæger sig.

Sinusformet bølgeDette billede viser anatomien af en sinuskurve: toppunktet er toppen af hver bølge, og lavningen er dalen; amplituden er afstanden mellem toppunktet og x-aksen; og bølgelængden er afstanden mellem to toppunkter (eller to lavninger).

Der er tre målbare egenskaber ved bølgebevægelser: amplitude, bølgelængde og frekvens (antallet af vibrationer pr. sekund). Forholdet mellem en bølges bølgelængde λ (græsk lambda) og frekvens ν (græsk nu) er bestemt af udbredelseshastigheden v, således at

v=\nu \lambda

For lys bliver denne ligning

\nu = \frac{c}{\lambda}

hvor c er lysets hastighed, 2,998 x 108 m/s.

Når man anvender disse ligninger til at bestemme bølgelængde, frekvens eller hastighed ved manipulation af ligningen, er det vigtigt at bemærke, at bølgelængder udtrykkes i længdeenheder, såsom meter, centimeter, nanometer osv., og at frekvensen typisk udtrykkes som megahertz eller hertz (s-1).

Eksempel

Hvad er bølgelængden for musiknoten A = 440 hz, når den udbreder sig gennem luft, hvor lydhastigheden er 343 m s-1?

λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m

Youngs dobbeltspalteeksperiment

I begyndelsen af 1800-tallet udførte den engelske videnskabsmand Thomas Young det berømte dobbeltspalteeksperiment (også kendt som Youngs eksperiment), som viste, at en lysstråle, når den deles op i to stråler og derefter samles igen, vil vise interferensvirkninger, som kun kan forklares ved at antage, at lys er en bølgelignende forstyrrelse. Hvis lyset udelukkende bestod af almindelige eller klassiske partikler, og disse partikler blev affyret i en lige linje gennem en spalte og fik lov til at ramme en skærm på den anden side, ville vi forvente at se et mønster, der svarer til spaltens størrelse og form. Men når dette eksperiment med en enkelt spalte faktisk udføres, er mønsteret på skærmen et diffraktionsmønster, hvor lyset spredes ud. Jo mindre spalten er, jo større er spredningsvinklen.

Youngs dobbeltspalteforsøgHvis lyset udelukkende var en partikel, ville det ikke udvise det her viste interferensmønster.

Sådan ville det forventede mønster på skærmen, hvis lyset udelukkende bestod af klassiske partikler, og vi belyste to parallelle spalter, simpelthen være summen af de to enkeltspalte-mønstre. I virkeligheden ændres mønsteret imidlertid til et mønster med en række vekslende lyse og mørke bånd. Da Thomas Young først påviste dette fænomen, viste det, at lyset består af bølger, da fordelingen af lysstyrken kan forklares ved skiftevis additiv og subtraktiv interferens af bølgefronter. Youngs eksperiment, der blev udført i begyndelsen af 1800-tallet, spillede en afgørende rolle for accepten af bølgeteorien om lys, som afløste den korpuskulære teori om lys, der blev foreslået af Isaac Newton, og som havde været den accepterede model for lysets udbredelse i det 17. og 18. århundrede. Næsten et århundrede senere, i 1905, viste Albert Einsteins nobelprisbelønnede forskning i den fotoelektriske effekt, at lys under visse betingelser kan opføre sig som om det består af diskrete partikler. Disse tilsyneladende modstridende opdagelser gjorde det nødvendigt at gå ud over den klassiske fysik og tage hensyn til lysets kvantemæssige natur.