Leerdoel
- Bespreken hoe golfbeweging ontstaat en de meetbare eigenschappen ervan, de conlcusies van het experiment met de dubbele spleet van Young opmerken
Kernpunten
- Golfbeweging ontstaat wanneer een periodieke verstoring van een bepaalde soort door een elastisch medium wordt voortgeplant. Drukvariaties door lucht, dwarse bewegingen langs een gitaarsnaar, of variaties in de intensiteit van de lokale elektrische en magnetische velden in de ruimte, bekend als elektromagnetische straling, zijn allemaal voorbeelden van golven.
- Er zijn drie meetbare eigenschappen van golfbeweging: amplitude, golflengte en frequentie.
- Een definitief experiment was het experiment met de dubbele spleet van Young, dat aantoonde dat licht dat op twee spleten in een scherm werd geschenen, een interferentiepatroon vertoonde dat kenmerkend is voor lichtgolven, en niet voor deeltjes.
- De fase die met een golf samenhangt, is ook belangrijk voor de beschrijving van bepaalde verschijnselen.
- De snelheid van een golf is het product van de golflengte en de frequentie.
Termen
- amplitudeDe maximale waarde van de variabele die in een van beide richtingen wordt bereikt.
- golfEen vorm die afwisselend varieert tussen een maximum in twee tegenovergestelde richtingen.
- frequentieHet aantal trillingen per seconde.
- golflengteDe afstand die door de golf in een volledige periode wordt afgelegd (1/frequentie).
In dit gedeelte zullen we ons richten op de golfachtige eigenschappen van licht. Terwijl u later zult leren over golf/deeltje dualiteit (hoe licht zich tegelijkertijd als golf en als deeltje gedraagt), zullen we hier de golfkarakteristiek van licht en de experimentele effecten van dit gedrag bespreken.
Inleiding tot golfbeweging
Golfbeweging ontstaat wanneer een periodieke verstoring van een of andere soort zich door een medium voortplant. Drukvariaties door de lucht, dwarse bewegingen langs een gitaarsnaar, of variaties in de intensiteit van de plaatselijke elektrische en magnetische velden in de ruimte, die elektromagnetische straling vormen, zijn allemaal typische voorbeelden van golfbeweging. Voor elk medium is er een karakteristieke snelheid waarmee de verstoring zich verplaatst.
Er zijn drie meetbare eigenschappen van golfbewegingen: amplitude, golflengte, en frequentie (het aantal trillingen per seconde). Het verband tussen de golflengte λ (Grieks lambda) en de frequentie van een golf ν (Grieks nu) wordt bepaald door de voortplantingssnelheid v, zodat
v=\nu \lambda
Voor licht wordt deze vergelijking
\nu = \frac{c}{\lambda}
waarbij c de snelheid van het licht is, 2,998 x 108 m/s.
Wanneer deze vergelijkingen worden gebruikt om golflengte, frequentie of snelheid te bepalen door manipulatie van de vergelijking, is het belangrijk op te merken dat golflengten worden uitgedrukt in lengte-eenheden, zoals meters, centimeters, nanometers, enz; en de frequentie wordt gewoonlijk uitgedrukt in megahertz of hertz (s-1).
Voorbeeld
Wat is de golflengte van de muzieknoot A = 440 hz wanneer deze zich voortplant door lucht waarin de geluidssnelheid 343 m s-1 bedraagt?
λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m
Young’s Double-Slit Experiment
In het begin van de 19e eeuw voerde de Engelse wetenschapper Thomas Young het beroemde double-slit experiment uit (ook bekend als Young’s experiment), waarmee werd aangetoond dat een lichtstraal, wanneer deze in twee stralen wordt gesplitst en vervolgens weer wordt samengevoegd, interferentie-effecten zal vertonen die alleen kunnen worden verklaard door aan te nemen dat licht een golfvormige verstoring is. Indien licht uitsluitend uit gewone of klassieke deeltjes bestond en deze deeltjes in een rechte lijn door een spleet werden afgevuurd en aan de andere kant een scherm konden raken, zou men verwachten een patroon te zien dat overeenkomt met de grootte en de vorm van de spleet. Wanneer dit experiment met een enkele spleet echter wordt uitgevoerd, is het patroon op het scherm een diffractiepatroon waarin het licht wordt verspreid. Hoe kleiner de spleet, hoe groter de spreidingshoek.
Zo ook, als licht louter uit klassieke deeltjes zou bestaan en we twee parallelle spleten zouden verlichten, zou het verwachte patroon op het scherm eenvoudigweg de som zijn van de twee enkelvoudige spleetpatronen. In werkelijkheid echter verandert het patroon in een patroon met een reeks afwisselend lichte en donkere banden. Toen Thomas Young dit verschijnsel voor het eerst demonstreerde, wees dit erop dat licht uit golven bestaat, aangezien de verdeling van helderheid kan worden verklaard door de afwisselend additieve en subtractieve interferentie van golffronten. Het experiment van Young, dat in het begin van de jaren 1800 werd uitgevoerd, speelde een essentiële rol in de aanvaarding van de golftheorie van licht en verdrong de corpusculaire lichttheorie van Isaac Newton, die in de 17e en 18e eeuw het geaccepteerde model van lichtvoortplanting was geweest. Bijna een eeuw later, in 1905, toonde Albert Einsteins Nobelprijswinnend onderzoek naar het foto-elektrisch effect aan dat licht zich onder bepaalde omstandigheden kan gedragen alsof het is samengesteld uit afzonderlijke deeltjes. Deze schijnbaar tegenstrijdige ontdekkingen maakten het noodzakelijk verder te gaan dan de klassieke natuurkunde en rekening te houden met de kwantumaard van licht.