+ Pokaż spis treści

Falowa natura światła

Dyfrakcja i interferencja światła


Zjawisku dyfrakcji (ugięcia) ulegają fale, które napotkają na swej drodze szczelinę lub krawędź przeszkody o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Fala rozchodząca się w jednym kierunku, poza szczeliną rozchodzi się we wszystkich kierunkach.

Interferencja, to zjawisko polegające na nakładaniu się fal o tych samych częstotliwościach (fal spójnych). Jeśli fale nałożą się fazami zgodnymi np. maksimum z maksimum, to następuje wzmocnienie fali; jeśli fazami przeciwnymi - nastąpi wygaszenie fali. Zjawisko dyfrakcji i interferencji udało się zaobserwować na początku XIX wieku. Dokonał tego w 1807 roku - Young, który przepuścił światło jednobarwne przez jedną szczelinę, a następnie przez układ dwóch szczelin i uzyskał na ekranie równoległe prążki interferencyjne.

To doświadczenie stanowiło dowód na falowy charakter światła, ale dopiero po ogłoszeniu w 1867 roku, przez Maxwella, teorii fal elektromagnetycznych i zgodności szybkości rozchodzenia się światła z szybkością fal elektromagnetycznych uznano, że światło nie jest strumieniem cząstek.
Do obserwacji zjawiska dyfrakcji i interferencji światła wygodne jest użycie tzw. siatki dyfrakcyjnej. Jest to przeźroczysta płytka (np. ze szkła), na której wykonane są rysy (w jednakowych, bardzo małych, odległościach od siebie). Przestrzeń pomiędzy rysami, to szczeliny, przez które przechodzi światło ulegając przy tym ugięciu (dyfrakcji). Ugięte fale światła nakładają się na siebie i wzmacniają lub osłabiają w zależności od różnicy faz, dając na ekranie jasne i ciemne prążki.

Otrzymane, jasne prążki (wzmocnienia) są numerowane: 0, I, II, III, itd., i nazywane prążkami: zerowego, pierwszego, drugiego, trzeciego - rzędu, a kąty, jakie tworzą z prążkiem zerowym są tzw. kątami ugięcia
Znając: odległość pomiędzy sąsiednimi rysami (producent siatki podaje liczbę rys na jednym milimetrze np. 200 rys/mm oznacza, że odległość między nimi wynosi 1 mm/200) - tzw. stałą siatki oznaczaną literą d; rząd ugięcia czyli numer wzmocnienia - k, można wyznaczyć kąt ugięcia (mierząc odpowiednie odległości) i obliczyć długość fali (l) światła przechodzącego przez siatkę, korzystając z równania:


Barwy światła


Gdy przez siatkę dyfrakcyjną przechodzi światło słoneczne (tzw. światło białe), to otrzymamy symetrycznie położone barwne wiązki pierwszego, drugiego, itd., rzędu [rys.25]. Każda wiązka zawiera światła - od fioletu do czerwieni i stanowi tzw. widmo światła białego. Jest ono ciągłe czyli nie ma wyraźnych granic pomiędzy barwami.

Najbliżej prążka zerowego znajduje się światło fioletowe, najdalej - czerwone. Oznacza to, że światła o różnych barwach mają różne długości fal (i częstotliwości). Z kątów ugięcia wnioskujemy, że światłofioletowe ma najmniejszą długość fali a czerwone największą

Widmo światła


Światło przechodzące przez siatkę dyfrakcyjną ulega ugięciu i fale o identycznych częstotliwościach nakładają się. Dzięki temu obraz dyfrakcyjny pozwala na określenie częstotliwości i długości fal wchodzących w skład światła, czyli widmo światła. Widmo można również obserwować po przepuszczeniu światła przez szczelinę i pryzmat, gdyż każdej barwie odpowiada w pryzmacie inna szybkość.
Doświadczenia wykazały, że widma pobudzonych do świecenia substancji można podzielić na: ciągłe, liniowe i pasmowe.
Widmo ciągłe jest widmem rozgrzanych ciał stałych i cieczy.

Pobudzone do świecenia gazy i pary jednoatomowe mają charakterystyczne dla siebie widmo liniowe, w skład którego wchodzą fale światła o ściśle określonych długościach, różne dla różnych gazów. Dzięki temu, badając widmo nie znanego gazu lub pary, można określić ich skład chemiczny. Taki sposób badania substancji nazywamy analizą widmową.

Ciekawe jest również to, że , gdy na drodze światła białego [np. słonecznego] znajdzie się jakiś gaz lub para, to widmie ciągłym światła białego pojawią się ciemne prążki (braki światła) odpowiadające liniom widmowym tego gazu czy pary. Oznacza to, że gaz pochłania te fale światła, które może emitować. Takie widmo nazywamy absorpcyjnym.

Takie ciemne linie wykryte w widmie ciągłym światła słonecznego (linie Fraunhofera) lub w widmie światła dowolnej gwiazdy pozwalają na określenie składu gazów w jej otoczeniu.
Widma pasmowe są widmami pobudzonych do świecenia cząsteczek.

Analiza widmowa jest szeroko wykorzystywana: w astronomii [do określania np. temperatury gwiazdy, jej składu, wieku, ruchu -oddalanie czy zbliżanie]; w kryminalistyce (analiza np. nitki materiału pozostawionego w miejscu przestępstwa); w medycynie, przemyśle itd., wszędzie tam, gdzie analiza chemiczna składu substancji nie jest możliwa. Analiza widmowa jest bardziej czuła, gdyż pozwala wykryć śladowe ilości pierwiastka. Do analizy widma używa się tzw. spektrometrów.