Wróć do informacji o e-podręczniku Udostępnij materiał Wydrukuj
bg‑azure

Światło jest falą

Teoria określona jako dualizm korpuskularno‑falowy elektronu (dualizm = dwoistość, korpuskuła = cząstka) nie mogłaby powstać, gdyby nie pytania związane z naturą światła. Pierwszą próbę matematycznego opisu światła podjął Christiaan Huygens (czyt. họ̈ichəns). Twierdził, że światło jest falą kolistą, podobną do tej obserwowanej na powierzchni wody. W tym samym czasie Izaak Newton (czyt. nju:tn) założył z kolei, że światło jest strumieniem cząstek (korpuskuł), emitowanych przez źródło promieniowania. Cząstki te miały rozchodzić się liniowo w przestrzeni. „Wygrała” w końcu teoria zaproponowana przez Newtona i obowiązywała do momentu, aż francuz Augustin‑Jean Fresnel (czyt. frenẹl) oraz anglik Thomas Young (czyt. jaŋ) wykazali eksperymentalnie, że to właśnie Huygens miał rację i światło jednak jest falą.

Thomas Young badał zachowanie światła w eksperymencie z podwójną szczeliną (interferencjiinterferencja falinterferencji). W trakcie eksperymentu spodziewał się, że jeśli światło skrywa naturę korpuskularną, to na ekranie ujrzy dwa paski, leżące naprzeciwko szczelin. Jeśli jednak światło zachowuje się jak fala, to zobaczy wzór interferencyjny. Wynik eksperymentu pokazał na ekranie pojawienie się licznych prążków, co oznaczało, że – podobnie jak nakładające się fale na wodzie – światło ulega wzmocnieniu lub osłabieniu.

1

Ostateczne ugruntowanie teorii falowej przyniosły prace Maxwella (czyt. mạ̈ksuela) i Hertza (czyt. herca), którzy odkryli istnienie fal elektromagnetycznych oraz określili ich podstawowe właściwości. Wówczas przyjęto, że dwie niezależne grupy zjawisk (korpuskularne i falowe) mogą być opisane przez dwie niezależne teorie –  odpowiednio teorię Newtona oraz teorię Maxwella.

Wprowadzone przez Maxwella równania (określone w oparciu o teorię falową), opisujące fale elektromagnetyczne, przyczyniły się do wyjaśnienia wielu zjawisk, związanych nie tylko ze światłem, ale i elektrycznością czy polem magnetycznym.

1
bg‑azure

Światło składa się z cząstek

Niesamowity okazał się fakt, że światło składa się z cząstek, a energia kwantukwantkwantu może być wyrażona wzorem:

ε=hf

gdzie:

ε - energia fotonu (cząstki światła) [J];

f - częstotliwośćczęstotliwośćczęstotliwość fali świetlnej [Hz];

h - stała Plancka równa 6,625 ˑ 10Indeks górny -34 [J∙s].

Albert Einstein (czyt. ạinsztain) (najsławniejszy fizyk na świecie) wykazał, że światło nie tylko jest emitowane porcjami (w postaci kwantów), ale również rozchodzi się w przestrzeni jako zbiór cząstek (fotonów) i jest pochłaniane porcjami. Było to niezwykłe odkrycie, ponieważ do tej pory uważano, że światło to fala elektromagnetyczna, a wszystkie zjawiska optyczne doskonale wyjaśniała falowa teoria światła. To właśnie Einstein założył, że światłem są cząstki (nazwane później fotonami), za co w 1905 r. otrzymał nagrodę Nobla.

Pojęcie kwantu posłużyło Einsteinowi do wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznegozjawisko fotoelektrycznezjawiska fotoelektrycznego, a tym samym potwierdzenia korpuskularnej natury fali elektromagnetycznej. Podczas zachodzenia tego zjawiska, energię promieniowania wyrażono za pomocą równania:

ε=hf=W+Ekin

gdzie:

W - praca wyjścia elektronu z powierzchni metalu [J];

EIndeks dolny kin - maksymalna energia kinetyczna emitowanych elektronów [J].

R2wiNYRDHHCbh1
Zjawisko fotoelektryczne. Padające na metalową płytkę fotony (oznaczone symbolicznie czerwonymi strzałkami) wybijają znajdujące się w niej elektrony (żółte wektory symbolizują ruch elektronów).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Po dokonaniach Einsteina pojawiło się w fizyce pojęcie dualizmu korpuskularno‑falowego. Tym samym udało się wyjaśnić, dlaczego np. światło niebieskie niesie ze sobą więcej energii niż światło czerwone. Wynika to z faktu, że energia fotonu jest wprost proporcjonalna do jego częstotliwości.

ε=hf

Im wyższa częstotliwość fali świetlnej, tym wyższa energia kwantu. Jeśli spojrzymy na widmo fal elektromagnetycznych, zauważymy, że światło niebieskie ma wyższą częstotliwość niż światło czerwone. Tym samym światło niebieskie niesie więcej energii niż światło czerwone.

Przy omawianiu dualizmu korpuskularno‑falowego, za jeden z najistotniejszych przykładów podaje się zjawisko Comptona (czyt. kọmptəna), interpretowane jako sprężyste zderzenie fotonu z początkowo nieruchomym elektronem (rysunek poniżej). Podczas tego zjawiska zachowane są pęd i energia fali elektromagnetycznej. Zachowanie fali świetlnej wobec elektronu można tu porównać do zderzenia piłki ze ścianą. Po odbiciu fali elektromagnetycznej od elektronu następuje zwiększenie długości fali rozproszonego fotonu (tzw. przesunięcie Comptona), co jest zależne od kąta rozproszenia fotonu.

REobMqgvtHhEe
Schemat zjawiska Comptona:
λ – długość fali padającej;
λ' – długość fali rozproszonej;
θ – kąt rozproszenia fotonu.
Źródło: JabberWok, zmienione, Wikipedia, licencja: CC BY 3.0.

Z eksperymentu Comptona jasno wynika, że fala wykazuje naturę korpuskularną, czyli jest strumieniem cząstek zwanych fotonami. Jednocześnie, w tym samym doświadczeniu, pomiar energii (długości fali) rozproszonego promieniowania wykorzystuje falową naturę światła, a dokładnie – zjawisko dyfrakcjidyfrakcja faldyfrakcji.

A co z elektronem?

Zaskakujący był fakt, że dualizm korpuskularno‑falowy nie dotyczy tylko promieniowania elektromagnetycznego (bo tym w istocie jest światło), lecz wszystkiego (np. atomów, elektronów, protonów)! Louis de Broglie (czyt. bröj) wykazał, że ruch fotonów oraz cząstek, takich jak elektrony, protony, neutrony, ma charakter falowy podobnie jak światło, a ich energia jest opisana również relacją:

ε=hf

Tym samym uczony zasugerował, że pęd p obiektu związany jest z długością przypisanej mu fali następującą równością:

p=hλ

Połączenie cech korpuskularnych i falowych dało równanie opisujące długość fali (fali materii):

λ=hp

Równanie to oznacza, że w pewnych warunkach, poruszającą się cząstkę można traktować jak falę, którą nazywamy falą materii lub falą de Broglie’a, gdzie:

h - stała Plancka równa 6,62510Indeks górny -34 [J∙s];

p = mv - pęd cząstki [(kg∙m)/s].

Uzyskane w kolejnych latach wyniki doświadczalne stanowiły dowód na to, że cząstki materialne poruszają się zgodnie z prawami ruchu falowego. Po latach powtórzono eksperyment Younga z podwójną szczeliną, ale tym razem dla elektronów. Jako wynik otrzymano jaśniejsze i ciemniejsze prążki na ekranie.

RWCgGBDmB8r8w
Obraz interferencyjny elektronów
Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: pl.wikipedia.org.

Interferencja elektronów (a w innym doświadczeniu dyfrakcja) potwierdziły, że nie tylko promieniowanie wykazuje podwójny charakter, ale również cząstki w niektórych sytuacjach ujawniają swój charakter falowy i należy je traktować jak fale materii.

Co wynika z dualizmu? Czy jest to tylko teoria?

Powyższe rozważania skłaniają do wniosku, że zjawisk, które wyjaśnia teoria falowa (takich jak emisja czy pochłanianie światła), nie można zrozumieć na gruncie teorii kwantowej. I odwrotnie. Każda z tych teorii wyjaśnia innego rodzaju zjawiska. Gdyby twórcy obu teorii mogli się spotkać w tym samym miejscu i czasie, to na pewno mogliby wymienić uścisk dłoni i pogratulować sobie wspólnego dzieła, jakim jest dualizm korpuskularno‑falowy. Prowadzona przez lata batalia o naturę światła i materii nie była zbyteczna, pozwoliła bowiem na rozwój nauki i techniki, m.in. fotografii cyfrowej, która bez pojęcia dualizmu nie mogłaby powstać.

R16ybIBPNZvde1
Zastosowanie dualizmu korpuskularno-falowego w aparatach cyfrowych. Światło ugina się po przejściu przez soczewkę aparatu (natura falowa), a następnie, z uwagi na korpuskularny charakter, jest rejestrowane przez matrycę aparatu.
Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: www.pixabay.com.

Słownik

interferencja fal
interferencja fal

zjawisko wzmocnienia lub osłabienia dwóch lub więcej fal w zależności od sposobu ich nakładania się

kwant
kwant

(łac. quantum ,,ile’’) najmniejsza porcja, o jaką może się zmienić dana wielkość fizyczna określonego układu fizycznego

siatka dyfrakcyjna
siatka dyfrakcyjna

przyrząd do przeprowadzania analizy widmowej światła; tworzy ją układ równych, równoległych i jednakowo rozmieszczonych szczelin

zjawisko fotoelektryczne
zjawisko fotoelektryczne

zjawisko zachodzące w ciałach pod wpływem padającego na nie promieniowania elektromagnetycznego (z zakresu opt.); zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne odkryli, niezależnie od siebie, fizycy niem.: H. Hertz (1887) i W. Hallwachs (1888); jego wyjaśnienie na podstawie teorii kwantów podał 1905 r. A. Einstein

praca wyjścia
praca wyjścia

praca, jaką trzeba wykonać, aby wyprowadzić elektron przewodnictwa z wnętrza ciała stałego (metalu lub półprzewodnika) do miejsca, znajdującego się na zewnątrz ciała, tuż nad jego powierzchnią (ale w odległości dużej w skali atomowej)

dyfrakcja fal
dyfrakcja fal

ugięcie fal; zmiana kierunku rozchodzenia się fali po przejściu przez wąską szczelinę na brzegach nieprzezroczystych przesłon, a także na niejednorodnościach ośrodka, i to tym wyraźniej, im bardziej rozmiary przeszkód (otworów) są zbliżone do długości fali

częstotliwość
częstotliwość

wielkość fizyczna określająca liczbę cykli zjawiska okresowego występującego w jednostce czasu; w układzie SI jednostką częstotliwości jest herc [Hz]

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2004.

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1, Warszawa 2010.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa 2004.

Encyklopedia PWN

Compton A. H., A Quantum Theory of the Scattering of X‑rays by Light Elements,  „Physical Review” 1923, 21, s. 483.

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski W., Chemia 1. Podręcznik i zbiór zadań w jednym, Warszawa 2003.

Wróblewski A. K., Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2007, s. 463–466.

Usnalski W., Chemia w szkole średniej, Warszawa 1998.