De golfaard van licht

De aard van licht is al sinds de oudheid een onderwerp van onderzoek. Isaac Newton voerde in de zeventiende eeuw experimenten uit met lenzen en prisma's en kon aantonen dat wit licht bestaat uit de afzonderlijke kleuren van de regenboog samen. Newton legde zijn bevindingen op het gebied van de optica uit in termen van een ‘corpusculair’ beeld van licht, waarin licht was samengesteld uit stromen uiterst kleine deeltjes die met hoge snelheid voortbewogen volgens de bewegingswetten van Newton.

Anderen uit de zeventiende eeuw, zoals Christiaan Huygens, hadden aangetoond dat optische verschijnselen zoals reflectie en breking net zo goed konden worden verklaard in termen van licht als golven die met hoge snelheid door een medium reizen dat ‘lichtgevende ether’ wordt genoemd en waarvan men dacht dat het alle lichtgevende ethers doordrong. ruimte. In het begin van de negentiende eeuw demonstreerde Thomas Young dat licht dat door nauwe, dicht bij elkaar gelegen spleten viel, interferentiepatronen produceerde die niet verklaard konden worden in termen van Newtoniaanse deeltjes, maar wel gemakkelijk verklaard konden worden in termen van golven. Later in de negentiende eeuw, nadat James Clerk Maxwell zijn theorie over elektromagnetische straling ontwikkelde en aantoonde dat licht het zichtbare deel was van een enorm spectrum van elektromagnetische golven, raakte de deeltjesvisie van licht volledig in diskrediet.

Tegen het einde van de negentiende eeuw beschouwden wetenschappers het fysieke universum als een grofweg bestaande uit twee afzonderlijke domeinen: materie die bestaat uit deeltjes die bewegen volgens de bewegingswetten van Newton, en elektromagnetische straling die bestaat uit golven die vallen binnen de vergelijkingen van Maxwell. Tegenwoordig worden deze domeinen klassieke mechanica en klassieke elektrodynamica (of klassiek elektromagnetisme) genoemd. Hoewel er enkele natuurkundige verschijnselen waren die niet binnen dit raamwerk konden worden verklaard, hadden wetenschappers destijds zo veel vertrouwen in de algehele deugdelijkheid van dit raamwerk dat ze deze aberraties beschouwden als raadselachtige paradoxen die uiteindelijk op de een of andere manier binnen dit raamwerk zouden worden opgelost. Deze paradoxen leidden tot een eigentijds raamwerk dat deeltjes en golven nauw met elkaar verbindt op een fundamenteel niveau dat golf-deeltjes dualiteit wordt genoemd en dat de klassieke visie heeft achterhaald.

Zichtbaar licht en andere vormen van elektromagnetische straling spelen een belangrijke rol in de chemie, omdat ze kunnen worden gebruikt om de energieën van elektronen in atomen en moleculen af te leiden. Een groot deel van de moderne technologie is gebaseerd op elektromagnetische straling. Radiogolven van een mobiele telefoon, röntgenstralen die door tandartsen worden gebruikt, de energie die wordt gebruikt om voedsel in uw magnetron te bereiden, de stralingswarmte van gloeiend hete voorwerpen en het licht van uw televisiescherm zijn vormen van elektromagnetische straling die alle golfachtig gedrag vertonen.

Golven

Een golf is een oscillatie of periodieke beweging die energie van het ene punt in de ruimte naar het andere kan transporteren. Veelvoorkomende voorbeelden van golven zijn overal om ons heen te vinden. Door het uiteinde van een touw te schudden, wordt energie van je hand naar het andere uiteinde van het touw overgebracht, als je een steentje in een vijver laat vallen, rimpelen de golven langs het wateroppervlak naar buiten, en de uitzetting van de lucht die gepaard gaat met een blikseminslag genereert geluidsgolven (donder). die enkele kilometers naar buiten kunnen reizen. In elk van deze gevallen wordt kinetische energie overgedragen via materie (het touw, water of lucht), terwijl de materie in wezen op zijn plaats blijft.

Golven hoeven niet beperkt te worden tot het reizen door materie. Zoals Maxwell aantoonde, bestaan elektromagnetische golven uit een elektrisch veld dat oscilleert in de pas met een loodrecht magnetisch veld, die beide loodrecht staan op de voortbewegingsrichting. Deze golven kunnen door een vacuüm reizen met een constante snelheid van 2,998 x 108 m/s, de snelheid van het licht (aangegeven met c).

Alle golven, inclusief vormen van elektromagnetische straling, worden gekenmerkt door een golflengte (aangeduid met λ, de Griekse kleine letter lambda), een frequentie (aangeduid met ν, de Griekse kleine letter nu) en een amplitude.

De golflengte is de afstand tussen twee opeenvolgende pieken of dalen in een golf (gemeten in meters in het SI-systeem). Elektromagnetische golven hebben golflengten die binnen een enorm bereik vallen: er zijn golflengten van kilometers (103 m) tot picometers (10-12 m) waargenomen. De frequentie is het aantal golfcycli dat in een bepaalde tijdsduur een bepaald punt in de ruimte passeert (in het SI-systeem wordt dit gemeten in seconden). Een cyclus komt overeen met één volledige golflengte. De eenheid voor frequentie, uitgedrukt als cycli per seconde [s−1], is de hertz (Hz). Gemeenschappelijke veelvouden van deze eenheid zijn megahertz (1 MHz = 1 × 106 Hz) en gigahertz (1 GHz = 1 × 109 Hz).

De amplitude komt overeen met de grootte van de verplaatsing van de golf, en dit komt overeen met de helft van de hoogte tussen de pieken en dalen. De amplitude is gerelateerd aan de intensiteit van de golf, die voor licht de helderheid is, en voor geluid de luidheid. Het product van de golflengte (λ) van een golf en zijn frequentie (ν), λν, is de snelheid van de golf. Voor elektromagnetische straling in een vacuüm is de snelheid dus gelijk aan de fundamentele constante c:

Golflengte en frequentie zijn omgekeerd evenredig: naarmate de golflengte toeneemt, neemt de frequentie af. Het elektromagnetische spectrum is het bereik van alle soorten elektromagnetische straling.