Oppimistavoite
- Keskustellaan aaltoliikkeen syntymisestä ja sen mitattavista ominaisuuksista, huomioiden Youngin kaksoisrakokokeen yhteydet
Kärkikohdat
- Aaltoliike syntyy, kun jonkinlainen jaksollinen häiriö etenee elastisen väliaineen läpi. Paineenvaihtelut ilmassa, poikittaisliikkeet kitarajousen varrella tai muutokset avaruuden paikallisten sähkö- ja magneettikenttien intensiteeteissä, joita kutsutaan sähkömagneettiseksi säteilyksi, ovat kaikki esimerkkejä aalloista.
- Aaltoliikkeellä on kolme mitattavissa olevaa ominaisuutta: amplitudi, aallonpituus ja taajuus.
- Määrääväksi kokeeksi muodostui Youngin kaksoissäleikokoe, joka osoitti, että kahdesta raosta seulan läpi säteilytettyyn valoon ilmestyy interferenssihäiriökuvio, joka on ominaista valon aalloille, ei niinkään hiukkasille.
- Aaltoon liittyvä vaihe on myös tärkeä tiettyjen ilmiöiden kuvaamisessa.
- Aallon nopeus on aallonpituuden ja taajuuden tulo.
Termit
- amplitudiMuuttujan suurin saavutettu arvo kumpaankin suuntaan.
- aaltoMuoto, joka vaihtelee vuorotellen maksimin välillä kahteen vastakkaiseen suuntaan.
- taajuusVärähtelyjen määrä sekunnissa.
- aallonpituusMatka, jonka aalto kulkee täydessä jaksossa (1/taajuus).
Tässä kappaleessa keskitytään valon aaltomaisiin ominaisuuksiin. Vaikka opit myöhemmin aalto-hiukkasdualismista (miten valo käyttäytyy samanaikaisesti sekä aaltona että hiukkasena), tässä keskustelemme valon aaltoluonteesta ja tämän käyttäytymisen kokeellisista vaikutuksista.
Esittely aaltoliikkeeseen
Aaltoliike syntyy, kun jonkinlainen jaksollinen häiriö etenee väliaineen läpi. Paineenvaihtelut ilmassa, poikittaisliikkeet kitarajousen varrella tai sähkömagneettisen säteilyn muodostavien paikallisten sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuden vaihtelut avaruudessa ovat kaikki tyypillisiä esimerkkejä aaltoliikkeestä. Kullekin väliaineelle on ominainen nopeus, jolla häiriö kulkee.
Aaltoliikkeellä on kolme mitattavaa ominaisuutta: amplitudi, aallonpituus ja taajuus (värähtelyjen määrä sekunnissa). Aallon aallonpituuden λ (kreik. lambda) ja taajuuden ν (kreik. nu) välinen suhde määräytyy etenemisnopeuden v mukaan siten, että
v=\nu \lambda
Valolle tämä yhtälö muuttuu
\nu = \frac{c}{\lambda}
jossa c on valon nopeus, 2,998 x 108 m/s.
Kun näitä yhtälöitä käytetään aallonpituuden, taajuuden tai nopeuden määrittämiseen yhtälöä manipuloimalla, on tärkeää huomata, että aallonpituus ilmaistaan pituusyksikköinä, kuten metreinä, senttimetreinä, nanometreinä jne. ja taajuus ilmaistaan tyypillisesti megahertseinä tai hertseinä (s-1).
Esimerkki
Mikä on musiikkisävelen A = 440 hz aallonpituus, kun se etenee ilmassa, jossa äänen nopeus on 343 m s-1?
λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m
Youngin kaksoisrakokoe
Englantilainen tiedemies Thomas Young suoritti 1800-luvun alussa kuuluisan kaksoisrakokokeen (tunnetaan myös nimellä Youngin koe), joka osoitti, että kun valonsäde halkaistaan kahdeksi säteeksi ja yhdistetään sitten uudelleen, havaitaan interferenssi-ilmiöitä, jotka voidaan selittää vain olettamalla, että valo on aaltomuotoinen häiriö. Jos valo koostuisi puhtaasti tavallisista tai klassisista hiukkasista ja nämä hiukkaset ammuttaisiin suorassa linjassa raon läpi ja niiden annettaisiin osua toisella puolella olevaan valkokankaaseen, odottaisimme näkevämme raon kokoa ja muotoa vastaavan kuvion. Kun tämä yhden raon koe kuitenkin todella suoritetaan, kuvaruudulla näkyvä kuvio on diffraktiokuvio, jossa valo leviää. Mitä pienempi rako on, sitä suurempi on leviämiskulma.
Jos valo koostuisi puhtaasti klassisista hiukkasista ja valaisisimme kahta samansuuntaista rakoa, odotettavissa oleva kuvio kuvaruudulla olisi yksinkertaisesti kahden yhden raon kuvion summa. Todellisuudessa kuvio muuttuu kuitenkin sellaiseksi, jossa on sarja vuorottelevia vaaleita ja tummia kaistoja. Kun Thomas Young ensimmäisen kerran osoitti tämän ilmiön, se osoitti, että valo koostuu aalloista, sillä kirkkauden jakautuminen voidaan selittää aaltorintamien vuorotellen additiivisella ja subtraktiivisella interferenssillä. Youngin 1800-luvun alussa tekemä koe vaikutti ratkaisevasti siihen, että valon aaltoteoria hyväksyttiin ja syrjäytti Isaac Newtonin esittämän korpuskulaarisen valoteorian, joka oli ollut hyväksytty malli valon etenemisestä 1600- ja 1800-luvuilla. Lähes sata vuotta myöhemmin, vuonna 1905, Albert Einsteinin Nobel-palkittu valosähköistä ilmiötä koskeva tutkimus osoitti, että valo voi tietyissä olosuhteissa käyttäytyä ikään kuin se koostuisi erillisistä hiukkasista. Nämä näennäisesti ristiriitaiset löydöt tekivät välttämättömäksi mennä klassista fysiikkaa pidemmälle ja ottaa huomioon valon kvanttiluonne.