Siden de tidligste undersøgelser af lys, har der været en uenighed omkring, om lys består af partikler, som Newton troede, eller bølger (en bølge er en forstyrrelse, der bevæger sig fra et punkt til et andet). I 1873, lod det til at den skotske astronom James Clerk Maxwell (1831 – 1879) stedte denne kontrovers til hvile, ved at vise at lys er en form for elektromagnetisk bølge. En af Maxwells mange bedrifter, var hans introduktion af konceptet, at elektricitet og magnetisme, faktisk bare er to sider af det samme fysiske fænomen. En elektrisk kraft, er en skubben eller trækken, mellem elektrisk ladede partikler, som for eksempel protoner og en elektroner, opstået på grund af deres elektriske ladninger. Modsatte ladninger tiltrækker og ens ladninger frastøder. En magnetisk kraft, er på den anden side en kraft mellem elektrisk ladede partikler, der opstår på grund af deres bevægelse.
For at beskrive elektriske og magnetiske kræfter, introducerede Maxwell koncepterne elektrisk felt og magnetisk felt. En ladet partikel, danner et elektrisk felt der peger væk fra ladningen hvis den er positiv (se figur 4.2a) eller mod ladningen hvis den er negativ. Fordi det elektriske felt, peger direkte væk fra ladningen (eller direkte mod en negativ ladet partikel), er kraften som den anden ladning føler, enten direkte mod eller direkte væk fra den første ladede partikel. Eksperimenter viser, at hvis en ladet partikel () flyttes, der ikke nogen øjeblikkelig ændring i den kraft som en anden ladet partikel (q2) mærker (Figur 4.2b). Først senere, mærker den anden partikel ændringen af den første partikels placering (Figur 4.2c).
Situationen er magen til det der sker, hvis du holder i enden af et langt reb og en ven holder den anden ende. Når du bevæger din ende op og ned, mærker din ven ikke resultatet af din bevægelse med det samme. I stedet starter din bevægelse en puls – en bølge – der bevæger sig på langs af rebet. Din ven, bemærker først din bevægelse, når bølgen ankommer i hans ende. Det samme gør sig gældende når en ladet partikel flytter sig. Information omkring ændringen, bevæger sig udad gennem rummet, som en bølge i det elektriske felt. Andre ladede partikler, påvirkes ikke af dem første partikels bevægelse, før bølgen når frem til dem.
Maxwell sammenfattede de elektriske og magnetiske felters adfærd, i fire elegante ligninger. Blandt andre ting siger disse ligninger, at ændring i et elektrisk felt forårsager et magnetisk felt, og ændring i et magnetisk felt forårsager et elektrisk felt. En ændring i bevægelsen af en ladet partikel, forårsager en forandring i det elektriske felt, der igen forårsager et forandret magnetfelt, som forårsager en ændring i det elektriske felt, og så videre. Når processen først er startet, bevæger en selvopretholdende procession af oscillerende elektriske og magnetiske felter sig ud i alle retninger gennem rummet. Med andre ord, en accelererende ladet partikel, forårsager en elektromagnetisk bølge (se figur 4.3). Disse elektromagnetiske bølger, og de accelererende ladninger der genererer dem, er kilder til elektromagnetisk stråling. En elektrisk ladning, der derimod bevæger sig med en konstant hastighed, er stationær i sin inertireferenceramme, så den danner ikke elektromagnetiske bølger.
Ud over at forudsige at elektromagnetiske bølger skulle eksistere, forudsiger Maxwells ligninger også, hvor hurtigt forstyrrelsen i det elektriske og magnetiske felt bevæger sig – det vil sige, den hastighed, hvormed den elektromagnetiske bølge bevæger sig med. Da Maxwell foretog denne beregning, opdagede han, at elektromagnetiske bølger skulle bevæge sig med 3 · 108 m/s – der er den målte hastighed af lyset (c). Denne overensstemmelse betød, at Maxwell viste, at lys er en elektromagnetisk bølge.
Maxwells bølgebeskrivelse af lys, giver os også en idé om, hvordan lys har sin oprindelse, og hvordan det interagerer med stof. Forestil dig en vask fyldt med stillestående vand. En dråbe falder fra hanen ned i vasken, hvilket medfører en forstyrrelse eller bølge, der bevæger sig udad som en krusning på vandets overflade (se figur 4.4a). På samme måde, vil en oscillerende (altså accelererende) elektrisk ladning, forårsage en forstyrrelse, der bevæger sig udad gennem rummet, som en elektromagnetisk bølge (se figur 4.4b).
Forestil dig nu, at der flyder en sæbeboble i vasken (se figur 4.5a). Boblen forbliver stationær, indtil bølgen fra den dryppende hane, rammer den. Som bølgerne passerer, forårsager den hævende og sænkende bevægelse af vandet, at boblen hæver og sænker sig. Tilsvarende, forårsager et oscillerende elektrisk felt for en elektromagnetisk bølge, en oscillerende kraft på enhver ladet partikel som bølgen møder, og denne kraft bevirker, at partiklen også bevæger sig (se figur 4.5b). Det kræver energi, at danne en elektromagnetisk bølge, og den energi, børes gennem rummet af bølgen. Stof, langt fra kilden til bølgen, kan absorbere denne energi. På denne måde, bliver noget af den energi der blev tabt af partiklerne der dannede den elektromagnetiske bølge, overført til andre ladede partikler. Udsendelse og absorption af lys fra stof, er resultatet af interaktionen mellem elektriske og magnetiske felter, og elektrisk ladede partikler.
Bølger er karakteriseret ved amplitude, hastighed, frekvens og bølgelængde
I denne bog, vil du lære om bølger af forskellig art, herunder elektromagnetiske bølger der passerer gennem det enorme univers og jordskælv der rejser gennem Jorden. Bølger, er generelt karakteriseret ved fire egenskaber: amplitude, hastighed, frekvens og bølgelængde (se figur 4.6). Amplituden af bølgen, er højden af bølgen over ligevægtsstillingen. I tilfældet med lys, er amplituden en indikation af intensiteten eller lysstyrken af strålingen. Alle typer af bølger, bevæger sig med en bestemt hastighed, og lysbølger som vi allerede har vist, bevæger sig med 300.000 km/s i vakuum.
Antallet af bølgetoppe, der passerer et punkt i rummet hvert sekund, kaldes bølgens frekvens, ƒ. Enheden for frekvens, er cyklusser per sekund, der kaldes hertz (forkortet Hz), efter fysikeren Heinrich Hertz (1857 – 1894), der var den første til eksperimentelt, at bekræfte Maxwells forudsigelser om elektromagnetisk stråling. Den tid det tager at gennemføre en komplet cyklus, kaldes perioden, P, der måles i sekunder. Den afstand en bølge bevæger sig under en hel svingning, kaldes dens bølgelængde. Bølgelængden er afstanden fra en bølgetop til den næste, eller afstanden fra en bølgedal til den næste. Bølgelængden er normalt betegnet med det græske bogstav lambda, λ.
Der er en klar sammenhæng mellem frekvensen af en bølge og dens periode. Hvis varigheden af en bølge er et ½ sekund – det vil sige, hvis det tager et ½ sekund for en bølge at passerer fra top til top – så vil to bølger passerer på et sekund. Så en bølge med en periode på et ½ sekund per cyklus, har en frekvens på to cyklusser per sekund (eller 2 Hz). Tilsvarende, hvis en bølge har en periode på 1/100 sekund per cyklus, så vil 100 bølger passere hvert sekund, og den bølge har en frekvens på 100 Hz. Mere generelt, er frekvensen på en bølge lig med 1 divideret med dens periode:
eller:
Der er også en forbindelse mellem perioden af en bølge og dens bølgelængde. Perioden for en bølge, er tiden mellem ankomsten af en bølgetop til den næste. I dette tidsrum, bevæger bølgen sig en bølgelængde. Husk på, at afstand er lig med hastighed ganget den tid det tager at tilbagelægge den afstand. Ved at ændre ”afstanden” til en bølgelængde og skifte ”den tid det tager” ud med perioden, viser at bølgelængden af en bølge er lig med den hastighed, hvormed den bølge bevæger sig, ganget med bølgens periode:
Som tidligere nævnt, repræsenterer bogstave1 c lysets hastighed, så:
Ved at bruge forholdet mellem perioden og frekvensen vi netop har vist, kan du også skrive ligningen sådan her
eller:
Derfor, hvis du kender hastigheden på en bølge, og værdien af en af dens andre tre egenskaber – dens bølgelængde, periode eller frekvens – kan du bestemme værdierne af de resterende to egenskaber (se Matematiske værktøjer 4.1 senere i kapitlet).
Dette forhold viser, at jo længere længden af en bølge er, jo længere er der mellem bølgetoppene, og jo lavere er frekvensen af bølgen. En kortere bølgelængde betyder kortere afstand mellem bølgetoppene, hvilket betyder en kortere ”ventetid” på at den næste bølge kommer. Derfor er en kortere bølgelængde lig med en højere frekvens. En enorm mængde information, kan bæres af bølger – for eksempel kompleks og smuk musik. Som du fortsætter dit studie af universet, vil du igen og igen opdage, at de oplysninger du modtager, uanset om det er fra det indre af Jorden eller fra en fjern stjerne eller galakse, kommer til dig som en bølge.
En bred vifte af bølgelængder udgør det elektromagnetiske spektrum
Du har med sikkerhed set en regnbue spredt ud over himlen. Denne sortering af lys i farver, er i virkeligheden en sortering efter bølgelængder. Lys der er spredt ud ifølge dets bølgelængder, kaldes et spektrum. Farverne i det synlige spektrum efter faldende bølgelængde er, rød, orange, gul, grøn, blå og violet.
Ved den lange bølgelængdes (og derfor lavfrekvent) ende af det synlige spektrum, er rødt lys. I den anden ende er violet lys. En almindelig anvendt enhed for bølgelængden af synligt lys, er nanometer, forkortet nm. En nanometer er en milliardtedel () af en meter. Det menneskelige øje, kan se lys mellem violet (cirka 380 nm) og rød (750 nm). Strakt ud mellem disse to farver, i en regnbue, findes resten af det synlige spektrum.
Når vi siger synligt lys, mener vi ”det lys, som de lysfølsomme celler i vores øjne reagerer på”. Men det er ikke hele spektret af mulige bølgelængder for elektromagnetisk stråling. Strålingen kan have bølgelængder, der er meget kortere eller meget længere end det dine øjne kan opfatte. Hele spektret af forskellige bølgelængder af lys, er samlet benævnt det elektromagnetiske spektrum.
Det elektromagnetiske spektrum, er vist i figur 4.7. Under den korteste synlige bølgelængde, befinder ultraviolet (UV) stråling sig, med bølgelængder mellem 40 og 380 nm. Præfikset ultra-, betyder ”ekstrem”, så ultraviolet lys, er lys der er mere ekstremt violet end violet. Ultraviolet lys, er fundamentalt set, ikke mere anderledes end synligt lys, end det høje C er forskelligt fra det midterste C på et klaver.
Bølgelængder kortete ed 40 nm, eller 4 · 10-8 meter, kaldes røntgenstråling. Denne skelnen er opstået af historiske årsager. Da røntgenstråler blev opdaget i slutningen af det 19ende århundrede, fik de navnet røntgen, efter deres opdager, Wilhelm Conrad Roentgen (1845 – 1923), for at angive at de var en ”ny form for stråling”. Elektromagnetisk stråling med meget korte bølgelængder (mindre end cirka 10-10 meter), kaldes gammastråling.
Bølgelængder længere end omkring 750 nm og kortere end 500 mikrometer (µm), kaldes infrarød (IR) stråling og bruges om lys der er ”rødere end rød”. Præfikset infra– betyder ”under”, og infrarødt lys har en frekvens der er lavere end (under) den af rødt lys. Mikrometeren, eller mikron, er en milliontedel () af en meter (forkortet µm, hvor µ er det græske bogstav my). Lys med endnu længere bølgelængder kaldes mikrobølgestråling. Den længste bølgelængde (og dermed den laveste frekvens) elektromagnetisk stråling, der har bølgelængder der spænder fra mere end et par centimeter til vilkårligt lange bølgelængder, er radiobølger (se Matematiske værktøjer 4.1).
Lys er en bølge, men er også en partikel
Ved at vise, at lys er en elektromagnetisk bølge, syntes Maxwells arbejde, at sætte en stopper for spørgsmålet om, hvorvidt lys består af bølger eller partikler. Men selv om den elektromagnetiske bølgeteori om lys, med held har beskrevet mange fænomener, er der også fænomener, som den ikke beskriver så godt. Mange af vanskelighederne med bølgemodellen for lys, har at gøre med den måde hvorpå lyset interagerer med små partikler på, som for eksempel atomer og molekyler. Forskere der arbejdede i det sene 19. og tidlige 20. århundrede opdagede, at mange af de gådefulde aspekter for lys, kunne forstås bedre, hvis lysenergi kom i diskrete pakker.
I 1950, offentliggjorde Albert Einstein en artikel, hvor han hævdede, at lys består af partikler. Han byggede sin argumentation på den fotoelektriske effekt, emissionen af elektroner fra overflader, der opstår, når overfladerne belyses med elektromagnetisk stråling, større end en bestemt frekvens. Einstein viste, at den hastighed hvormed elektroner udstødes, kun afhænger af mængden af lys fra den indfaldene elektromagnetiske stråling, og at elektronernes hastighed kun afhænger af frekvensen på den indfaldene stråling (det var dette arbejde med den fotoelektriske effekt, der gav Einstein Nobelprisen i 1921). Arbejdet fra Einstein og andre videnskabsfolk, ændrede vores forståelse af lys til at vise, at selvom lyset undertiden kan forklares som en bølge, kan lys også forklares som en partikel. I denne model, er lys beskrevet som bestående af partikler kaldet fotoner (phot- betyder ”lys”, som i fotografi, og –on betyder en partikel). Fotoner har ingen masse, bevæger sig altid med lysets hastighed og bærer energi.
Anerkendelsen af partikelteorien for lys, var dog ikke ensbetydende med, at bølgeteorien blev kasseret. Partikelbeskrivelsen af lys, er bundet til bølgebeskrivelsen af lys, med en forbindelse mellem energien af en foton og frekvensen eller bølgelængden af bølgen. Specifikt, er de forbundet med den følgende ligning:
eller:
h’et i ligningen, kaldes Plancks konstant (opkaldt efter fysikeren Max Planck, 1858 – 1947) og har værdien 6,63 · 10-34 joule-sekund (joule forkortes J, og er en enhed for energi).
Ifølge partikelbeskrivelsen af lys, er det elektromagnetiske spektrum et spektrum af fotonenergier. Jo højere frekvensen af den elektromagnetiske bølge er, desto større energi bæres af hver foton. Fotoner af kortere bølgelængder (højere frekvens), bærer mere energi end fotoner af længere bølgelængde (lavere frekvens) gør. For eksempel bærer fotoner i blåt lys mere energi, end fotoner med den længere bølgelængde for rødt lys. Ultraviolette fotoner, bærer mere energi end fotoner af synligt lys gør, og fotoner fra røntgenstråling, bærer mere energi end ultraviolette fotoner. De fotoner med lavest energi, er radiobølgefotoner.
Den totale mængde energi, en stråle lys bærer, kaldes dets intensitet. En stråle af rødt lys, kan være lige så intens, som en stråle af blåt lys, det vil sige, den kan bære lige så meget energi – men fordi energien af en rød foton er mindre end energien af en blå foton, kræver det flere røde fotoner end blå fotoner, at fastholde intensiteten. Dette forhold er meget lig med forholdet hos penge. 50 kr. er 50 kr., men det tager mange flere 50 ører (fotoner med lavere energi) end 1 kr. (fotoner med høj energi) at komme op på 50 kr. (se figur 4.8).
Når lysets energi, er beskrevet som opdelt i diskrete pakker, kaldet fotoner, siges lysenergien at være kvantiseret. Ordet kvantiseret, har den samme rod som ordet mængde, og betyder at noget er opdelt i diskrete enheder. En foton omtales som en kvant af lys. Den gren af fysikken, der beskæftiger sig med kvantisering af energi og andre egenskaber ved stof, kaldes for kvantemekanikken.
Selvom kvantemekanikkens forudsigelser, er blevet bekræftet igen og igen ved eksperimenter, synes dens grundlæggende antagelser ulogiske. Bølge-partikelbeskrivelsen af lys, konflikter med daglige, fornuftige ideer om verden. Det er svært at forestille sig, at en enkelt ting, kan dele egenskaberne for en bølge på havet og en badebold. Bølgebekrivelsen af lys, er klart den korrekte beskrivelse til brug i mange tilfælde (tænk på Maxwells arbejde). Samtidig, er partikelbeskrivelsen også klart den korrekte beskrivelse, til brug i andre tilfælde (som videnskabsmænd som Planck og Einstein påviste). Men hvordan, kan den samme ting – lys – beskrives som både en bølge og en partikel?
Problemet med at tænke på lys, som både en bølge og en partikel, giver et hint om den gådefulde og filosofisk besværlige kvantemekaniske verden. I afsnit 4.3, vil du lære, at lys ikke er det eneste, der deler egenskaber fra både bølger og partikler. Faktisk deler alt stof egenskaber for både bølger og partikler.