Wprowadzenie do chemii

Cel nauczania

Przedyskutuj jak powstaje ruch falowy i jego mierzalne właściwości, Zauważenie powiązań z eksperymentem Younga z podwójną szczeliną

Kluczowe punkty

Ruch falowy powstaje, gdy periodyczne zaburzenie pewnego rodzaju jest propagowane przez elastyczny ośrodek. Zmiany ciśnienia w powietrzu, ruchy poprzeczne wzdłuż struny gitary lub zmiany natężenia lokalnych pól elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni, znane jako promieniowanie elektromagnetyczne, są przykładami fal.
Istnieją trzy mierzalne właściwości ruchu falowego: amplituda, długość fali i częstotliwość.
Dokładnym eksperymentem był eksperyment Younga z podwójną szczeliną, który wykazał, że światło przeświecane przez dwie szczeliny w ekranie wykazuje wzór interferencyjny charakterystyczny dla fal świetlnych, a nie cząstek.
Faza związana z falą jest również ważna w opisie pewnych zjawisk.
Prędkość fali jest iloczynem długości fali i częstotliwości.

Terminy

amplitudaMaksymalna wartość zmiennej osiągana w dowolnym kierunku.
falaKształt, który na przemian zmienia się pomiędzy maksimum w dwóch przeciwnych kierunkach.
częstotliwośćLiczba drgań na sekundę.
długość faliDystans przebywany przez falę w pełnym okresie (1/częstotliwość).

W tym rozdziale skupimy się na falowych właściwościach światła. While you will later learn about wave/particle duality (how light behaves as both a wave and a particle at the same time), here we shall discuss the wave nature of light and the experimental effects of this behavior.

Introduction to Wave Motion

Wave motion arises when a periodic disturbance of some kind is propagated through a medium. Zmiany ciśnienia w powietrzu, ruchy poprzeczne wzdłuż struny gitary, czy zmiany natężenia lokalnych pól elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni, które tworzą promieniowanie elektromagnetyczne, są typowymi przykładami ruchu falowego. Dla każdego ośrodka istnieje charakterystyczna prędkość, z jaką przemieszcza się zaburzenie.

Fala sinusoidalnaTen obraz przedstawia anatomię krzywej sinusoidalnej: grzbiet jest szczytem każdej fali, a koryto jest doliną; amplituda jest odległością między grzbietem a osią x; a długość fali jest odległością między dwoma grzbietami (lub dwoma korytami).

Istnieją trzy mierzalne właściwości ruchu falowego: amplituda, długość fali i częstotliwość (liczba drgań na sekundę). Zależność między długością fali λ (grecka lambda) i częstotliwością fali ν (grecka nu) jest określona przez prędkość rozchodzenia się v, tak że

v= λ (grecka lambda)

Dla światła to równanie przyjmuje postać

λ = λ (grecka lambda)

gdzie c jest prędkością światła, 2,998 x 108 m/s.

Przy wykorzystaniu tych równań do określenia długości fali, częstotliwości lub prędkości przez manipulację równaniem, ważne jest, aby zauważyć, że długość fali jest wyrażona w jednostkach długości, takich jak metry, centymetry, nanometry, itp; a częstotliwość jest zwykle wyrażona jako megaherce lub herce (s-1).

Przykład

Jaka jest długość fali nuty muzycznej A = 440 hz, gdy rozchodzi się ona w powietrzu, w którym prędkość dźwięku wynosi 343 m s-1?

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

Doświadczenie Younga z podwójną lamą

Na początku XIX wieku angielski naukowiec Thomas Young przeprowadził słynne doświadczenie z podwójną lamą (znane również jako eksperyment Younga), które wykazało, że wiązka światła, po rozszczepieniu na dwie wiązki, a następnie ponownym połączeniu, wykaże efekty interferencyjne, które można wyjaśnić jedynie poprzez założenie, że światło jest zaburzeniem falowym. Gdyby światło składało się wyłącznie ze zwykłych lub klasycznych cząstek, a cząstki te byłyby wystrzeliwane w linii prostej przez szczelinę i uderzałyby w ekran po drugiej stronie, oczekiwalibyśmy, że zobaczymy wzór odpowiadający rozmiarowi i kształtowi szczeliny. Jednakże, gdy ten eksperyment z pojedynczą szczeliną jest rzeczywiście przeprowadzany, wzór na ekranie jest wzorem dyfrakcyjnym, w którym światło jest rozproszone. Im mniejsza szczelina, tym większy kąt rozproszenia.

Dwukrotny eksperyment szczelinowy YoungaGdyby światło było wyłącznie cząsteczką, nie wykazywałoby pokazanego tu wzoru interferencyjnego.

Podobnie, gdyby światło składało się wyłącznie z klasycznych cząsteczek i gdybyśmy oświetlali dwie równoległe szczeliny, oczekiwany wzór na ekranie byłby po prostu sumą dwóch wzorów pojedynczych szczelin. W rzeczywistości jednak wzór ten zmienia się na taki, który składa się z serii naprzemiennych jasnych i ciemnych pasm. Kiedy Thomas Young po raz pierwszy zademonstrował to zjawisko, wskazywało to, że światło składa się z fal, ponieważ rozkład jasności można wyjaśnić poprzez naprzemienną addytywną i subtraktywną interferencję fal. Eksperyment Younga, przeprowadzony na początku XIX wieku, odegrał istotną rolę w akceptacji falowej teorii światła, wypierając korpuskularną teorię światła zaproponowaną przez Isaaca Newtona, która była akceptowanym modelem rozchodzenia się światła w XVII i XVIII wieku. Prawie sto lat później, w 1905 roku, nagrodzone Nagrodą Nobla badania Alberta Einsteina nad efektem fotoelektrycznym wykazały, że światło w pewnych warunkach może zachowywać się tak, jakby było złożone z dyskretnych cząstek. Te pozornie sprzeczne odkrycia sprawiły, że konieczne stało się wyjście poza fizykę klasyczną i uwzględnienie kwantowej natury światła.