Introducere în chimie

Obiectiv de învățare

• Discutați modul în care apare mișcarea ondulatorie și proprietățile sale măsurabile, observând conluziile experimentului cu dublă fantă al lui Young

Termeni

• amplitudineValoare maximă a variabilei atinsă în oricare dintre direcții.
• undăO formă care variază alternativ între un maxim în două direcții opuse.
• frecvențăNumărul de vibrații pe secundă.
• lungime de undăDistanța parcursă de undă într-o perioadă completă (1/ frecvență).

În această secțiune, ne vom concentra asupra proprietăților ondulatorii ale luminii. În timp ce mai târziu veți învăța despre dualitatea undă/particulă (modul în care lumina se comportă ca undă și particulă în același timp), aici vom discuta despre natura ondulatorie a luminii și efectele experimentale ale acestui comportament.

Introducere la mișcarea ondulatorie

Mișcarea ondulatorie apare atunci când o perturbație periodică de un anumit tip se propagă printr-un mediu. Variațiile de presiune prin aer, mișcările transversale de-a lungul unei corzi de chitară sau variațiile de intensitate ale câmpurilor electrice și magnetice locale din spațiu, care constituie radiația electromagnetică, sunt exemple tipice de mișcare ondulatorie. Pentru fiecare mediu, există o viteză caracteristică cu care se deplasează perturbația.

Există trei proprietăți măsurabile ale mișcării undelor: amplitudinea, lungimea de undă și frecvența (numărul de vibrații pe secundă). Relația dintre lungimea de undă λ (greacă lambda) și frecvența unei unde ν (greacă nu) este determinată de viteza de propagare v, astfel încât

v=\nu \lambda

Pentru lumină, această ecuație devine

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

unde c este viteza luminii, 2,998 x 108 m/s.

Când se utilizează aceste ecuații pentru a determina lungimea de undă, frecvența sau viteza prin manipularea ecuației, este important de reținut că lungimile de undă sunt exprimate în unități de lungime, cum ar fi metri, centimetri, nanometri etc.; iar frecvența este exprimată de obicei în megahertzi sau hertzi (s-1).

Exemplu

Care este lungimea de undă a notei muzicale A = 440 hz atunci când aceasta se propagă prin aer în care viteza sunetului este de 343 m s-1?

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

Experimentul cu două fante al lui Young

La începutul secolului al XIX-lea, omul de știință englez Thomas Young a realizat faimosul experiment cu două fante (cunoscut și sub numele de experimentul lui Young), care a demonstrat că un fascicul de lumină, atunci când este împărțit în două fascicule și apoi recombinat, va prezenta efecte de interferență care pot fi explicate doar presupunând că lumina este o perturbație de tip undă. Dacă lumina ar fi alcătuită strict din particule obișnuite sau clasice, iar aceste particule ar fi trase în linie dreaptă printr-o fantă și ar fi lăsate să lovească un ecran de cealaltă parte, ne-am aștepta să vedem un model care să corespundă dimensiunii și formei fantei. Cu toate acestea, atunci când acest experiment cu o singură fantă este realizat efectiv, modelul de pe ecran este un model de difracție în care lumina este împrăștiată. Cu cât fanta este mai mică, cu atât mai mare este unghiul de împrăștiere.

În mod similar, dacă lumina ar fi compusă strict din particule clasice și am ilumina două fante paralele, modelul așteptat pe ecran ar fi pur și simplu suma celor două modele cu o singură fantă. În realitate, însă, modelul se transformă într-unul cu o serie de benzi luminoase și întunecate care alternează. Când Thomas Young a demonstrat pentru prima dată acest fenomen, a indicat faptul că lumina este formată din unde, deoarece distribuția luminozității poate fi explicată prin interferența alternativ aditivă și substractivă a fronturilor de undă. Experimentul lui Young, realizat la începutul anilor 1800, a jucat un rol esențial în acceptarea teoriei ondulatorii a luminii, înlocuind teoria corpusculară a luminii propusă de Isaac Newton, care fusese modelul acceptat de propagare a luminii în secolele al XVII-lea și al XVIII-lea. Aproape un secol mai târziu, în 1905, cercetările lui Albert Einstein, câștigător al Premiului Nobel pentru efectul fotoelectric, au demonstrat că, în anumite condiții, lumina se poate comporta ca și cum ar fi compusă din particule discrete. Aceste descoperiri aparent contradictorii au făcut necesară depășirea fizicii clasice și luarea în considerare a naturii cuantice a luminii.

.