Introduktion till kemi

Termer

• AmplitudenDet maximala värdet av variabeln som uppnås i endera riktningen.
• vågEn form som alternativt varierar mellan ett maximum i två motsatta riktningar.
• frekvensAntalet vibrationer per sekund.
• våglängdDen sträcka som vågen tillryggalägger under en hel period (1/frekvens).

I det här avsnittet kommer vi att fokusera på ljusets vågliknande egenskaper. Medan du senare kommer att lära dig om våg/partikel-dualitet (hur ljus beter sig som både en våg och en partikel på samma gång), kommer vi här att diskutera ljusets vågkaraktär och de experimentella effekterna av detta beteende.

Introduktion till vågrörelse

Vågrörelse uppstår när en periodisk störning av något slag fortplantar sig genom ett medium. Tryckvariationer genom luft, tvärgående rörelser längs en gitarrsträng eller variationer i intensiteten hos de lokala elektriska och magnetiska fälten i rymden, som utgör elektromagnetisk strålning, är alla typiska exempel på vågrörelse. För varje medium finns det en karakteristisk hastighet som störningen färdas med.

Det finns tre mätbara egenskaper hos vågrörelser: amplitud, våglängd och frekvens (antalet vibrationer per sekund). Förhållandet mellan en vågs våglängd λ (grekisk lambda) och frekvens ν (grekisk nu) bestäms av utbredningshastigheten v, så att

v=\nu \lambda

För ljus blir denna ekvation

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

där c är ljusets hastighet, 2,998 x 108 m/s.

När man använder dessa ekvationer för att bestämma våglängd, frekvens eller hastighet genom att manipulera ekvationen är det viktigt att notera att våglängder uttrycks i längdenheter, t.ex. meter, centimeter, nanometer osv. och att frekvensen vanligen uttrycks i megahertz eller hertz (s-1).

Exempel

Vad är våglängden för musiknoten A = 440 hz när den fortplantas genom luft där ljudets hastighet är 343 m s-1?

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

Youngs dubbelspaltsexperiment

I början av 1800-talet utförde den engelske vetenskapsmannen Thomas Young det berömda dubbelspaltsexperimentet (även känt som Youngs experiment), som visade att en ljusstråle, när den delas upp i två strålar och sedan kombineras på nytt, uppvisar interferenseffekter som endast kan förklaras genom att anta att ljuset är en vågliknande störning. Om ljuset enbart bestod av vanliga eller klassiska partiklar, och dessa partiklar avfyrades i en rak linje genom en spalt och fick träffa en skärm på andra sidan, skulle vi förvänta oss att se ett mönster som motsvarar spaltens storlek och form. Men när detta experiment med en enda spalt faktiskt utförs är mönstret på skärmen ett diffraktionsmönster där ljuset sprids ut. Ju mindre spalten är, desto större är spridningsvinkeln.

Samma sak, om ljuset enbart bestod av klassiska partiklar och vi belyste två parallella spalter skulle det förväntade mönstret på skärmen helt enkelt vara summan av de två enkelspaltsmönstren. I verkligheten ändras dock mönstret till ett mönster med en serie omväxlande ljusa och mörka band. När Thomas Young först demonstrerade detta fenomen visade det att ljuset består av vågor, eftersom fördelningen av ljusstyrka kan förklaras av den omväxlande additiva och subtraktiva interferensen av vågfronter. Youngs experiment, som utfördes i början av 1800-talet, spelade en avgörande roll för att vågteorin om ljuset accepterades och ersatte den korpuskulära teorin om ljuset som föreslogs av Isaac Newton och som hade varit den accepterade modellen för ljusets utbredning under 1600- och 1700-talen. Nästan ett sekel senare, 1905, visade Albert Einsteins Nobelprisbelönade forskning om den fotoelektriska effekten att ljuset under vissa förhållanden kan uppträda som om det bestod av diskreta partiklar. Dessa till synes motsägelsefulla upptäckter gjorde det nödvändigt att gå bortom den klassiska fysiken och ta hänsyn till ljusets kvantnatur.