Μερικά «φωτεινά» φαινόμενα

Μερικά «φωτεινά» φαινόμενα. 1. Ανάκλαση του φωτός. Οι ακτίνες πρόσπτωσης, ανάκλασης, και η κάθετη στο σημείο πρόσπτωσης ανήκουν σε ένα επίπεδο. Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης. Η ανάκλαση του φωτός εξηγείται με τη σωματιδιακή θεωρία του Newton, όσο και με την κυματική θεωρία των Χόυχενς, Γιάνγκ.

2. Διάθλαση του φωτός. Το σπάσιμο της πορείας του φωτός όταν περνάει από το ένα οπτικό μέσο στο άλλο. Εξηγείται μερικά με την σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα, όσο και με την κυματική θεωρία τωνΧόυχενς – Γιάνγκ.

Ένα παράδειγμα περίθλασης – συμβολής κύματος. Από τα δύο ανοίγματα του κυματοθραύστη ξεκινούν δυο κύματα που διαδίδονται μέσα στο λιμάνι. Στη προκυμαία και στο μέσον, απέναντι από τα δύο ανοίγματα, ο κυματισμός είναι έντονος. Λέμε ότι στο σημείο αυτό τα κύματα από τα δύο ανοίγματα συμβάλλουν ενισχυτικά.Περίθλαση – συμβολή φωτός Το φως διερχόμενο από την σχισμή του πρώτου διαφράγματος

διαδίδεται προς όλες τις διευθύνσεις. Τα φωτεινά κύματα που ξεκινούν από τις δυο σχισμές του δεύτερου διαφράγματος, δίνουν τις φωτεινές και σκοτεινές ζώνες στο απέναντι πέτασμα.(Η Οπτική έχει δυο πρόσωπα , αυτό της Γεωμετρικής Οπτικής, που παρουσιάζει σημαντικές αναλογίες με την κλασσική Μηχανική, και εκείνο της Κυματικής Οπτικής, το οποίο τονίζει τον κυματικό χαρακτήρα του φωτός. Η γεωμετρική οπτική θεωρείται ως προσέγγιση της κυματικής οπτικής. Η γεωμετρική οπτική χρησιμοποιείται από τους κατασκευαστές οπτικών οργάνων, που σχεδιάζουν την πορεία των φωτεινών ακτίνων και ισχύει στην περίπτωση που οι διαστάσεις των οργάνων αυτών είναι μεγάλες σε σχέση με το μήκος κύματος του φωτός. Αντίθετα η κυματική οπτική χρησιμοποιείται όταν το φως συναντάει στην πορεία του εμπόδια ή ανοίγματα με διαστάσεις από λ/10 μέχρι 10λ, όπου λ το μήκος κύματος.)

Σωματιδιακή φύση του φωτός του Νεύτωνα. Κάθε φωτοβολούσα πηγή εκπέμπει σωματίδια που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα. Με τη θεωρία αυτή ο Newton, χρησιμοποιώντας την διατήρηση ενέργειας και ορμής εξήγησε τις ίσες γωνίες πρόσπτωσης και ανάκλασης του φωτός. Εξηγεί ακόμη την

ΕΚΦΕ Ιωαννίνων 2003 1

1

Μερικά «φωτεινά» φαινόμενα

ανάλυση του φωτός. Δεν εξηγεί καλά την διάθλαση του φωτός, και αγνοεί τα φαινόμενα συμβολής και περίθλασης του φωτός.

Κυματική φύση του φωτός (Χόυχενς - 1670, Γιάνγκ – 1803) Δέχεται ότι το φως είναι εγκάρσια κύματα. Ερμήνευσαν την ανάκλαση, την διάθλαση, την περίθλαση, την συμβολή, την πόλωση του φωτός. Παραδέχεται την ύπαρξη ενός υποθετικού μέσου διάδοσης τον «αιθέρα» που δεν υπάρχει.

Θεωρία του Μάξγουελ για το φως (1865)Το φως είναι εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Συνέδεσε την ταχύτητα διάδοσης του φωτός με τα πλάτη Εο, Βο, του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Δεν απαιτεί την ύπαρξη κάποιου μέσου διάδοσης σαν τον αιθέρα, αν και ο δεν είχε πεισθεί ότι δεν υπάρχει. Την ορθότητα της θεωρίας του απέδειξε πειραματικά ο Χέρτς το 1887,παράγοντας στο εργαστήριο για πρώτη φορά ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μακροσκοπικά μήκη κύματος. Χρειάσθηκε ο ενθουσιασμός και η ενεργητικότητα του Μαρκόνι και άλλων για να γίνει η επικοινωνία με ραδιοκύματα κάτι το συνηθισμένο στη καθημερινή ζωή. Η θεωρία για το φως του Μάξγουελ δεν μπόρεσε να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Σήμερα πλέον δεν μας εκπλήσσει η σχέση μεταξύ εο , μο, και c.

c = ε µ1

Μερικά σημαντικά χαρακτηριστικά για όλα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα1. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι εγκάρσιο. Το Ε και Β είναι κάθετα στη

κατεύθυνση διάδοσης του κύματος και επίσης κάθετα μεταξύ τους. 2. Σε κάθε σημείο οι εντάσεις Ε και Β αυξομειώνονται περιοδικά με τον χρόνο

με τον ίδιο τρόπο ταυτόχρονα.3. Η ταχύτητα διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος εξαρτάται από τη

φύση του μέσου διάδοσης. Στο κενό και στον αέρα η ταχύτητα διάδοσης είναι co = 3 108 m/s.

4. Δεν χρειάζεται κάποιο υλικό μέσο για να διαδοθούν. Αυτό που κυματίζει σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο.

Κβαντική θεωρία του Πλάνκ (1905).Το πρόβλημα που οδήγησε στη γέννηση της κβαντικής θεωρίας ήταν το συνεχές φάσμα φωτός που παράγεται όταν ένα στερεό ή υγρό θερμαίνεται μέχρι να πυρακτωθεί, όπως το σύρμα μιας λάμπας, ή το σπιράλ μιας ηλεκτρικής σόμπας.Υπέθεσε ότι η μετατροπή θερμότητας σε φως δεν συμβαίνει σε οποιαδήποτε ποσότητα. Όπως κάθε νόμισμα στον κόσμο έχει ένα πολύ μικρό κέρμα, η

μετατροπή της θερμότητας σε φως διαθέτει μια ελάχιστη μονάδα συναλλαγής. Το μέγεθος της μονάδας αυτής εξαρτάται από τη συχνότητα του παραγόμενου φωτός και κατέληξε να ονομάζεται κβάντο. Για φως συχνότητας f η μονάδα είναι:

ΕΚΦΕ Ιωαννίνων 2003 2

2

Μερικά «φωτεινά» φαινόμενα

E = h f που μαζί με το E = m c2 ταξινομείται στους πιο σημαντικούς τύπους του 20ου αιώνα.

Η σταθερά h του Πλάνκ h = 6,63 10-34 j s αποτελεί μαζί με τη σταθερά της βαρύτητας G και την ταχύτητα διάδοσης του φωτός c , έναν από τους θεμελιώδεις παράγοντες που καθορίζουν τη φύση του Σύμπαντος.Αλήθεια με ποιο άλλο φυσικό μέγεθος έχει ίδιες μονάδες η σταθερά h;

ΑΣΚΗΣΗ 3: Τι ορμή έχει ένα φωτόνιο με f=4,2 1014 Hz; Πόση η ισοδύναμη μάζα του;

ΑΣΚΗΣΗ 4: Το ερυθρό ή το κυανό φωτόνιο έχει μεγαλύτερη ενέργεια;

ΑΣΚΗΣΗ 5: Να συγκριθούν οι συχνότητες, τα μήκη κύματος, οι ενέργειες ενός υπέρυθρου και ενός υπεριώδους φωτόνιου.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενοΌταν φωτισθεί η ειδική μεταλλική επιφάνεια της καθόδου απελευθερώνονται ηλεκτρόνια που έλκονται, λόγω της διαφοράς δυναμικού στο θετικό ηλεκτρόδιο. Το κύκλωμα κλείνει και το αμπερόμετρο δείχνει κάποιο ρεύμα. Όσο ισχυρότερη η φωτεινή πηγή (περισσότερα φωτόνια στη μονάδα του χρόνου) τόσο περισσότερα τα ηλεκτρόνια που βγαίνουν. Κάτω από μια ορισμένη συχνότητα φωτός δεν παρατηρείται έξοδος ηλεκτρονίων. Η ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έγινε από τον Αϊνστάιν (1905) χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία του Πλάνκ.Για να απελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο από το μέταλλο, πρέπει να καταβληθούν ορισμένα «λύτρα» σε ενέργεια, που ονομάζονται έργο εξαγωγής ( w ).Η ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, και όχι η θεωρία της σχετικότητας ήταν ο λόγος για τον οποίο κέρδισε ο Αϊνστάιν το βραβείο Νόμπελ το 1921, αφού η σχετικότητα ήταν ακόμη αμφιλεγόμενη.

ΕΚΦΕ Ιωαννίνων 2003 3

3