Tanulási cél
- Tárgyaljuk a hullámmozgás keletkezését és mérhető tulajdonságait, vegye figyelembe a Young-féle kettős réskísérlet összefüggéseit
Kulcspontok
- A hullámmozgás akkor keletkezik, amikor egy rugalmas közegben valamilyen periodikus zavar terjed. A levegőn keresztül történő nyomásváltozások, a gitárhúr mentén történő keresztirányú mozgások, vagy a térben lévő helyi elektromos és mágneses mezők intenzitásának változásai, amelyeket elektromágneses sugárzásnak nevezünk, mind példák a hullámokra.
- A hullámmozgásnak három mérhető tulajdonsága van: amplitúdó, hullámhossz és frekvencia.
- Egy meghatározó kísérlet volt Young kettős réskísérlete, amely kimutatta, hogy a két résen átvilágított fény nem részecskékre, hanem fényhullámokra jellemző interferenciamintázatot mutat.
- A hullámhoz tartozó fázis is fontos bizonyos jelenségek leírásában.
- A hullám sebessége a hullámhossz és a frekvencia szorzata.
Fogalmak
- AmplitúdóA változó bármely irányban elért legnagyobb értéke.
- hullámEgy olyan alakzat, amely két ellentétes irányú maximum között váltakozva változik.
- frekvenciaA másodpercenkénti rezgések száma.
- hullámhosszA hullám által egy teljes periódus alatt megtett távolság (1/frekvencia).
Ebben a fejezetben a fény hullámszerű tulajdonságaira koncentrálunk. Míg később a hullám-részecske kettősségről (arról, hogy a fény egyszerre viselkedik hullámként és részecskeként is) fogsz tanulni, itt a fény hullámtermészetéről és e viselkedés kísérleti hatásairól lesz szó.
Bevezetés a hullámmozgásba
A hullámmozgás akkor keletkezik, amikor valamilyen periodikus zavart terjesztenek egy közegben. A levegőn keresztül történő nyomásváltozások, a gitárhúr mentén történő keresztirányú mozgások, vagy a térben lévő helyi elektromos és mágneses mezők intenzitásának változásai, amelyek az elektromágneses sugárzást alkotják, mind a hullámmozgás tipikus példái. Minden közegre jellemző az a sebesség, amellyel a zavar terjed.
A hullámmozgásnak három mérhető tulajdonsága van: az amplitúdó, a hullámhossz és a frekvencia (a másodpercenkénti rezgések száma). A hullám λ (görög lambda) hullámhossza és ν (görög nu) frekvenciája közötti kapcsolatot a v terjedési sebesség határozza meg, úgy, hogy
v=\nu \lambda
A fény esetében ez az egyenlet
\nu = \frac{c}{\lambda}
ahol c a fény sebessége, 2,998 x 108 m/s.
Amikor ezeket az egyenleteket felhasználjuk a hullámhossz, a frekvencia vagy a sebesség meghatározására az egyenlet manipulálásával, fontos megjegyezni, hogy a hullámhosszat hosszegységben fejezik ki, például méterben, centiméterben, nanométerben stb.; a frekvenciát pedig általában megahertzben vagy hertzben (s-1) fejezik ki.
Példa
Milyen hullámhosszú az A = 440 hz zenei hang, ha a hang olyan levegőben terjed, amelyben a hangsebesség 343 m s-1?
λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m
Young kettősrés-kísérlete
A 19. század elején Thomas Young angol tudós elvégezte a híres kettősrés-kísérletet (más néven Young-kísérlet), amely bebizonyította, hogy egy fénysugár két sugárra osztva, majd újra egyesítve olyan interferenciahatásokat mutat, amelyek csak azzal magyarázhatók, hogy a fényt hullámszerű zavarnak tekintjük. Ha a fény szigorúan közönséges vagy klasszikus részecskékből állna, és ezeket a részecskéket egyenes vonalban egy résen keresztül lőnénk ki, és hagynánk, hogy a másik oldalon egy képernyőre essenek, akkor azt várnánk, hogy a rés méretének és alakjának megfelelő mintázatot látnánk. Amikor azonban ezt az egyréses kísérletet ténylegesen elvégezzük, a képernyőn megjelenő minta egy diffrakciós minta, amelyben a fény szétterül. Minél kisebb a rés, annál nagyobb a szóródási szög.
Hasonlóképpen, ha a fény szigorúan klasszikus részecskékből állna, és két párhuzamos rést világítanánk meg, a képernyőn várható minta egyszerűen a két egyréses minta összege lenne. A valóságban azonban a minta egy olyanra változik, amelyben világos és sötét sávok váltakoznak. Amikor Thomas Young először mutatta ki ezt a jelenséget, ez arra utalt, hogy a fény hullámokból áll, mivel a fényerő eloszlása a hullámfrontok váltakozóan additív és szubtraktív interferenciájával magyarázható. Young 1800-as évek elején végzett kísérlete döntő szerepet játszott a fény hullámelméletének elfogadásában, felváltva az Isaac Newton által javasolt korpuszkuláris fényelméletet, amely a 17. és 18. században a fény terjedésének elfogadott modellje volt. Majdnem egy évszázaddal később, 1905-ben Albert Einstein Nobel-díjas kutató a fotoelektromos effektussal kapcsolatban bebizonyította, hogy a fény bizonyos körülmények között úgy viselkedhet, mintha diszkrét részecskékből állna. Ezek a látszólag ellentmondásos felfedezések szükségessé tették, hogy a klasszikus fizikán túllépve figyelembe vegyük a fény kvantumtermészetét.