სინათლე: ელექტრომაგნიტური ტალღები, ელექტრომაგნიტური სპექტრი და ფოტონები.

ელექტრომაგნიტური რადიაცია არის სივრცეში ენერგიის გადაადგილების ერთ-ერთი ხერხი. ცეცხლის სითბო, მზის სინათლე, ექიმების მიერ გამოყენებული რენტგენის სხივები, მიკროტალღოვან ღუმელში საჭმლის მოსამზადებლად გამოყენებული ენერგიაც კი არის ელექტრომაგნიტური რადიაციის მაგალითი. ერთი შეხედვით ენერგიის ეს ფორმები შეიძლება, ერთმანეთისგან განსხვავებული მოგვეჩვენოს, არადა, თითოეულ მათგანს ტალღების თვისებები აქვს.

თუ შენ ოდესმე ყოფილხარ ზღვაზე, აუცილებლად შეამჩნევდი ტალღებს. ტალღა არის ფიზიკურ გარემოში გამოწვეული აშლილობა, რაც იწვევს ვიბრაციას ან რყევას ამ გარემოში. ტალღის ამოზნექილობა და მისი თანმდევი ჩაღრმავება არის წყლის ზედაპირის უბრალო ვიბრაცია. ელექტრომაგნიტური ტალღები გავს წყლის ტალღებს, მაგრამ ელექტრომაგნიტური ტალღები შედგება $2$‍ ტალღისგან, რომელებიც ირხევიან ერთმანეთის პერპენდიკულარულად. ერთ-ერთი ტალღა არის მაგნიტური ველის რხევა, ხოლო მეორე კი - ელექტრული ველის რხევა. ეს გამოისახება შემდეგნაირად:

ზოგადი ცოდნა ელექტრომაგნეტიზმის შესახებ ძალიან მნიშვნელოვანია, მაგრამ ბევრ ქიმიკოსს დიდად არ აინტერესებს ტალღების ფიზიკური თვისებები, არამედ აინტერესებთ ურთიერთქმედება ტალღებსა და ნივთიერებებს შორის. უფრო ზუსტად, ქიმიკოსები შეისწავლიან. თუ როგორ მოქმედებენ სხვადასხვა ტიპის ტალღები ატომებსა და მოლეკულებზე. ამ ცდებზე დაყრდნობით მეცნიერს შეუძლია, გაიგოს, თუ როგორი სტრუქტურა აქვს მოლეკულას და როგორი ბმებისგან შედგება ის. სანამ ამაზე ვისაუბრებდეთ, მოდით, ჯერ განვიხილოთ სინათლის სხივის ფიზიკური თვისებები.

თქვენ შეიძლება უკვე იცით რომ ტალღას აქვს მინიმუმი (ყველაზე დაბალი წერტილი) და მაქსიმუმი (ყველაზე მაღალი წერტილი). ამპლიტუდა ეწოდება ვერტიკალურ სიგრძეს მაქსიმალური წერტილიდან ტალღის ცენტრალურ ღერძამდე. ამპლიტუდა განსაზღვრავს ტალღის სიკაშკაშეს და ინტენსივობას. ჰორიზონტალურ სიგრძეს ორ მინიმუმს ან ორ მაქსიმუმს შორის ეწოდება ტალღის სიგრძე. ეს სიგრძეები შეიძლება, გამოისახოს ასე:

გახსოვდეთ რომ ზპგიერთი ტალღები (მათ შორის ელექტრომაგნიტური ტალღებიც) სივრცეში ირხევიან. ასე რომ, ისინი ირხევიან დროის ცვილიებასთნ ერთად. სიხშირე არის თვისება რომელიც ახასიათებს პერიოდულ პროცესს და ტოლია დროის ერთეულში შესრულებული სრულ ციკლთა რაოდენობისა. სიხშირის SI სისტემის ერთეული არის ჰერცი $(\text{ჰც})$‍, იგივე ... $($‍იწერება, როგორც ${\displaystyle \frac{1}{\text{წმ}}}$‍ ან ${\text{წმ}}^{-1})$‍. ტალღის სიგრძე და სიხშრე ერთმანეთთან საპირისპიროდ არიან დაკავშირებულნი: რაც უფრო მოკლეა ტალღის სიგრძე მით მეტია სიხშირე და პირიქით. ეს დამოკიდებულება გამოისახება შემდეგი განტოლებით.

$\lambda$‍ (ბერძნული სიმბოლო ლამბდა) არის ტალღის სიგრძე (მეტრებში, $\text{მ}$‍) და $\nu$‍ (ბერძნული „ნიუ") არის სიხშირე (ჰერცებში, $\text{ჰც}$‍). მათი ნამრავალია კონსტანტა $c$‍, სინათლის სიჩქარე, რომლიც ტოლია $3,00\times {10}^8\text{ მ/წმ}$‍-ის. ეს დამოკიდებულება ხაზსს უსვამს მნიშვნელოვან ფაქტს: ყველა ელექტრომაგნიტური გამოსხივება, ტალღის სიგრძის და სიხშირის მიუხედავად გადაადგილდება სინთლის სიჩქარით.

სიხშირის და ტალღის სიგრძის ურთიერთდამოკიდებულების უკეთ გასააზრებლად მოდით, განვიხილოთ მაგალითი.

ელექტრომაგნიტური გამოსხივების მქონე მოცემული ტალღის სიხშირეა $1,5\times {10}^{14}\text{ Hz}$‍.

ჩვენ შეგვიძლია, გამოვიყენოთ განტოლება, რომელიც მოიცავს სიხშირეს, ტალღის სიგრძესa და სინათლის სიჩქარეს.

ახლა კი შევცვალოთ განტოლება, რათა ვიპოვოთ ტალღის სიგრძე.

ბოლოს კი ჩვენ უბრალოდ შეგვყავს ცნობილი მნიშვნელობები და ვხსნით.

ბოლო ერთეული, რომელსაც ჩვენ განვიხილავთ ამ თავში. არის ტალღის პერიოდი. ტალღის პერიოდი არის ერთი ტალღის სიგრძისთვის სივრცეში რაღაც წერტილის გასავლელად საჭირო დრო. მათემატიკურად პერიოდი არის ტალღის სიხშირის შებრუნებული.

პერიოდის ერთეულია წამი ($\text{წმ}$‍).

ჩვენ უკვე გვაქვს ზოგადი წარმოდგენა ტალღების ძირითად თვისებებზე, ასე რომ, დროა, გადავიდეთ სხვადასხვა ტიპის ელექტრომაგნიტური რადიაციის განხილვაზე.

ელექტრომაგნიტური ტალღები შეიძლება, დავყოთ და დავალაგოთ ტალღის სიგრძის და სიხშირის მიხედვით. ამგვარი დაყოფა ცნობილია, როგორც ელექტრომაგნიტური სპექტრი. სპექტრი გვიჩვენებს ყველა ტიპის ელექტრომაგნიტურ რადიაციას, რომელიც არსებობს სამყაროში.

როგორც ხედავთ, ხილული სპექტრი - ანუ სინათლე, რომელსაც აღიქვამს ჩვენი თვალები - შეადგენს გამოსხივების მთლიანი სპექტრის მხოლოდ პატარა ნაწილს. ხილული სპექტრის მარჯვნივ მოცემულია ის გამოსხივება, რომელის სიხშირეც არის შედარებით დაბალი (შესაბამისად, გრძელი ტალღის სიგრძე აქვს) ხილულ სპექტრთან შედარებით. ამ ტიპის გამოსხივებაა ინფრაწითელი სხივები (IR) (თერმული სხეულების მიერ გამოცემული სითბური ტალღები), მიკროტალღური და რადიოს ტალღები. ამ ტიპის რადიაცია მუდმივად არსებობს ჩვენს გარშემო, მაგრამ ის არ არის საზიანო დაბალი სიხშირის გამო. „ფოტონის" სექციაში ჩვენ ვისწავლით, რომ დაბალი სიხშირის ტალღებს აქვს უფრო დაბალი ენერგია და შესაბამისად არ აზიანებს ჩვენ ჯანმრთელობას.

ხილული სპექტრის მარცხნივ მოცემულია ულტრაიისფერი (UV) სხივები, იქს-სხივები (რენტგენის სხივები), და გამა სხივები. ამ ტიპის გამოსხივება მათი მაღალი სიხშირის (ანუ მაღალი ენერგიის) გამო საზიანოა ყველა ცოცხალი ორგანიზმისთვის. სწორედ ამიტომ ვიყენებთ პლაჟზე მზის დამცავ კრემს, რათა დავიცვათ თავი მზის ულტრაიისფერი გამოსხივებისგან. ამავე მიზეზით რენტგენის გადაღებისას ექიმი სურათისთვის არასაჭირო სხეულის მონაკვეთებზე გვადებს დამცავს, რათა არ დააზიანოს სხეულის სხვა მონაკვეთები. გამა გამოსხივებას აქვს ყველაზე მაღალი სიხშირე და შესაბამისად ყველაზე მაღალი ენერგია, ამიტომ მას შეუძლია ყველაზე დიდი ზიანის მოყენება. საბედნიეროდ, ჩვენი ატმოსფერო იწოვს მას და გვიცავს გამა გამოსხივებისგან.

ახლა ჩვენ ვისაუბრებთ დამოკიდებულებაზე ტალღის სიხშირესა და ენერგიას შორის.

ჩვენ უკვე განვიხილეთ, თუ როგორ გადაადგილდება სივრცეში სინათლე სხივის სახით. ეს მოვლენა უკვე დიდი ხანია ცნობილია კაცობრიობისთვის: ჯერ კიდევ მე-17 საუკუნეში ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა კრისტიან ჰიუგენსმა პირველად აღწერა სინათლის ტალღოვანი ბუნება. ჰიუგინსის შემდეგ დაახლოებით $200$‍ წელი ითვლებოდა, რომ სინათლის სხივები და მატერია საკმაოდ განსხვავებული იყო ერთმანეთისგან. კლასიკური ფიზიკის განმარტებიდან გამომდინარე, ნივთიერება შედგებოდა ნაწილაკებისგან, რომელთაც გააჩნდათ მასა და მათი სივრცეში მდებარეობის განსაზღვრა იყო შესაძლებელი. ნივთიერებისგან განსხვავებით სინათლის მდებარეობის განსაზღვრა შეუძლებელი იყო და ასევე მისი მასა ნულის ტოლად ითვლებოდა. რადგან სინათლე და ნივთიერება განსხვავებულ მოვლენებად ითვლებოდა, მეცნიერებს არ ჰქონდათ კარგად შესწავლილი მათი ურთიერთქმედება. ეს ყველაფერი $1900$‍ წელს შეიცვალა, როდესაც მაქს პლანკმა დაიწყო შავი სხეულების შესწავლა. მან აღმოაჩინა, რომ ისინი გაცხელების შემდეგ იწყებდნენ ნათებას.

პლანკმა აღმოაჩინა, რომ შავი სხეულების ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ვერ აიხსნებოდა კლასიკური ფიზკით. კლასიკური ფიზიკის განმარტების თანახმად, ნივთერებას შეეძლო ნებისმიერი რაოდენობის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების შთანთქმა და გამოყოფა. პლანკმა აღმოაჩინა, რომ ნივთიერება რეალურად შთანთქვდა ან გამოყოფდა მხოლოდ გარკვეული რაოდენობის სიდიდეს $h\nu$‍, სადაც $h$‍ არის პლანკის მუდმივა $\mathrm{6,626}\times {10}^{-34}\text{ ჯ}\cdot \text{წმ}$‍, ხოლო $\nu$‍ არის შთანთქმული სინათლის სიხშირე. ეს იყო გამაოცებელი აღმოჩენა რადგან ამტკიცებდა, რომ ენერგია არის განგრძობადი და მისი ნებისმიერი რაოდენობით გადაცემა იყო შესაძლებელი. რეალურად პლანკმა აღმოაჩინა, რომ ენერგია განგრძობადი კი არა, კვანტირებადია, რაც ნიშნავს, რომ ენერგია შეიძლება, გადაადგილდეს $h\nu$‍-ს ზომის ინდივიდუალური „შეკვრებით" (ნაწილაკებით). ენერგიის თითეული ასეთი „შეკვრა" ცნობილია, როგორც კვანტი.

მართალია, ეს შეიძლება, დამაბნევლად ჟღერდეს, მაგრამ ჩვენ უკვე ვიცნობთ კვანტირებულ სისტემებს. ფული, რომელსაც ჩვენ ყოველდღე ვიყენებთ, კვანტირებულია. მაგალითად როდესაც შევიდვართ მაღაზიაში, იქ ვერ იპოვით ვერცერთ პროდუქტს, რომლის ფასიცაა ერთი დოლარი და ორნახევარი ცენტი $(\mathrm{\$}\mathrm{1,025})$‍. ეს იმიტომ, რომ ყველაზე მცირე ფულადი ერთეულია ცენტი და შეუძლებელია, ფულის მოძრაობა ცენტზე უფრო მცირე ერთეულით. როგორც მაღაზიაში არ შეგვიძლია, გადავიხადოთ ნახევარი ცენტი, ასევე ენერგია არ მოძრაობს ერთ კვანტზე მცირე ერთეულით. კვანტი შეგვიძლია, განვიხილოთ, როგორც ელექტრომაგნიტური ენერგიის ერთცენტიანი - ყველაზე მცირე ერთეული, რითაც ამგვარი ენერგიის გადაცემა შეიძლება.

პლანკის ელექტრომაგნიტური ტალღების კვანტირების აღმოჩენამ სამუდამოდ შეცვალა წარმოდგენა სინათლის ტალღური ბუნების შესახებ. სინამდვილეში, სინათლეს აღმოაჩნდა ორივე, ტალღოვანი და ნაწილაკისთვის დამახასიათებელი, თვისებები.

პლანკის აღმოჩენა ფოტონის აღმოჩენის საფუძველი გახდა. ფოტონი არის უმარტივესი ნაწილაკი, ანუ სინათლის კვანტი. მალე ნახავთ, რომ ფოტონები შეიძლება, შთაინთქას ან გამოიყოს ატომის ან მოლეკულის მიერ. როდესაც ფოტონი შთაინთქმება, მისი ენერგია გადაეცემა ატომს ან მოლეკულას. ენერგიის კვანტირების გამო ფოტონის მთელი ენერგია გადადის სხვა სხეულზე (გახსოვდეთ, რომ ჩვენ ვერ გადავიტანთ კვანტის ნაწილებს, რადგან ისინი არიან ენერგიის ყველაზე მცირე ერთეულები). იგივე ხდება ამ პროცესის შებრუნებისას. როდესაც ატომი ან მოლეკულა კარგავს ენერგიას, ის გასცემს ფოტონს, რომელსაც გადააქვს ზუსტად იმ რაოდენობის ენერგია, რომელსაც კარგავს ატომი ან მოლეკულა. ენერგიის ცვლილება არის პირადპირპროპორციული გამოყოფილი ან შთანთქმული ფოტონის სიხშირისა. ეს დამოკიდებულება აღწერილია პლანკის ცნობილი განტოლებით.

ამ განტოლებაში$E$‍ არის ფოტონის მიერ შთანთქმული ან გამოყოფილი ენერგია (ერთეულია ჯოული: $\text{ჯ}$‍), $\nu$‍ არის ფოტონის სიხშირე (ერთეულია ჰერცი: $\text{ჰც}$‍), ხოლო $h$‍ არის პლანკის მუდმივა $\mathrm{6,626}\times {10}^{-34}\text{ ჯ}\cdot \text{წმ}$‍.

ფოტონის სიხშირეა $2,0\times {10}^{24}\text{ ჰც}$‍.

ავიღოთ პლანკის განტოლება.

ახლა ჩავსვათ ფორმულაში სიხშირის და პლანკის მუდმივას $h$‍ მნიშვნელობა და ამოვხსნათ.

(მინიშნება: გახსოვდეთ, რომ თქვენ უკვე შეისწავლეთ ტალღის სიგრძესა და სიხშირეს შორის ურთიერთდამოკიდებულება.)

ელექტრომაგნიტური გამოსხივება შეიძლება დავახასიათოთ მისი ამპლიტუდით (სიკაშკაშით), სიხშირით, ტალღის სიგრძით და პერიოდით. $E=h\nu$‍ განტოლებით ჩვენ ვნახეთ, რომ სინათლის სიხშირე მისი ენერგიის პროპორციულია. მეოცე საუკუნეში აღმოაჩინეს, რომ ენერგია არის კვანტირებული, ამ აღმოჩენამ კი გამოააშკარავა, რომ სინათლე არის არა მხოლოდ ტალღა, არამედ პატარა ნაწილაკთა, ფოტონთა, კრებული. ფოტონებს გადააქვთ განსაზღვრული რაოდენობის ენერგია, რომელსაც კვანტი ეწოდება. ეს ენერგია შეიძლება, გადაეცეს ატომებს და მოლეკულებს, როდესაც ფოტონი შთაინთქმება. ასევე, ატომებმა და მოლეკულებმა შეიძლება, დაკარგონ ენერგია ფოტონების გამოყოფით.