7.1: Волновая природа света
Природа света была предметом исследования с древности. В семнадцатом веке Исаак Ньютон проводил эксперименты с линзами и призмами и смог продемонстрировать, что белый свет состоит из отдельных цветов радуги, Объединенных вместе. Ньютон объяснил свои оптические выводы с точки зрения “корпускулярной” природы света,причём свет был представлен потоками крайне мелких частиц, перемещающихся на высоких скоростях в соответствии с законами движения Ньютона.
Другие учёные в семнадцатом веке, такие как Кристиан Гюйгенс, показали, что такие оптические явления, как отражение и преломление, могут быть в равной степени хорошо объяснены с точки зрения света, как волны, перемещающие с высокой скоростью через среду, называемую «светоносным эфиром», который, как считалось, проникает во все пространство. В начале девятнадцатого века Томас Янг продемонстрировал, что свет, проходящий через узкие, близко расположенные прорези, произвел помехи, которые нельзя объяснить с точки зрения ньютоновских частиц, но их можно легко объяснить волнами. Позднее в девятнадцатом веке, после того как Джеймс Клерк Максвелл разработал свою теорию электромагнитного излучения и показал, что свет является видимой частью обширного спектра электромагнитных волн, точка зрения частиц на свет была полностью дискредитирована.
К концу девятнадцатого века ученые рассматривали физическую вселенную как состоящую из двух отдельных областей: вещества, состоящие из частиц, движущихся в соответствии с законами движения Ньютона, и электромагнитного излучения, состоящего из волн, управляемых уравнениями Максвелла. Сегодня эти области называют классической механикой и классической электродинамикой (или классическим электромагнетизмом). Хотя было несколько физических явлений, которые нельзя было объяснить в рамках этой теории, ученые в то время были настолько уверены в общей надежности этой парадигмы, что рассматривали эти аберрации как загадочные парадоксы, которые в конечном итоге каким-то образом разрешатся в рамках этой структуры. Эти парадоксы привели к современной теории, которая тесно связывает частицы и волны на фундаментальном уровне, называемом дуальностью волна-частица, которая вытеснила классический взгляд.
Видимый свет и другие формы электромагнитного излучения играют важную роль в химии, так как их можно использовать для передачи энергии электронов в атомах и молекулах. Большая часть современных технологий основана на электромагнитном излучении. Например, радиоволны с мобильного телефона, рентгеновские лучи, используемые стоматологами, энергия, используемая для приготовления пищи в микроволновой печи, тепловое излучение от красных горячих предметов и свет с экрана телевизора являются формами электромагнитного излучения, которые все проявляют волнообразное поведение.
Волны
Волна — это колебание или периодическое движение, которое может транспортировать энергию из одной точки в пространстве в другую. Вокруг нас есть масса примеров волн. Встряхивание конца каната переносит энергию от руки к другому концу каната, при падении гальки в пруд волны будут распространяться в стороны вдоль поверхности воды, а расширение воздуха, сопровождающее удар молнии, создает звуковые волны (гром), которые могут перемещаться в направлении на несколько миль. В каждом из этих случаев кинетическая энергия передается через вещество (канат, воду или воздух), в то время как вещество остается в силе.
Волны не обязательно должны быть ограничены в прохождении через материю. Как показал Максвелл, электромагнитные волны состоят из электрического поля, качающегося в шаге с перпендикулярным магнитным полем, оба из которых перпендикулярны направлению движения. Эти волны могут проходить через вакуум с постоянной скоростью 2.998 × 108 м/с, скоростью света (обозначается буквой c).
Все волны, в том числе формы электромагнитного излучения, характеризуются длиной волны (обозначаемой λ, строчной греческой буквой лямбда), частотой (обозначаемой ν, строчной греческой буквой nu) и амплитудой.
Длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками или ложбинами в волне (измеряется в метрах в системе СИ). Электромагнитные волны имеют длины волн, которые находятся в пределах огромного диапазона длин волн от километров (103 м) до пикометров (10-12 м). Частота — это количество циклов, которые проходят через определенную точку в пространстве за определенный промежуток времени (в системе СИ это измеряется в секундах). Цикл соответствует одной полной длине волны. Единица измерения частоты, выраженная в циклах в секунду [s-1], — герц (Гц). Наиболее распространенными кратными единицей являются мегагерц (1 МГц = 1 × 106 Гц) и гигагерц (1 ГГц = 1 × 109 Гц).
Амплитуда соответствует величине смещения волны, и это соответствует половине высоты между пиками и ложбинами. Амплитуда связана с интенсивностью волны, которая для света является яркостью, а для звука — громкостью. Произведение длины волны (λ) и ее частоты (ν), λν, является скоростью волны. Таким образом, для электромагнитного излучения в вакууме скорость равна основной константе, c:
Длина волны и частота обратно пропорциональны: По мере увеличения длины волны частота уменьшается. Спектр электромагнитного излучения — это диапазон всех типов электромагнитного излучения.
Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 6.1: Электромагнитная энергия.
