2.1: Lysets bølgenatur (2024)

Mye av erfaringen din med verden kommer fra sansene dine, inkludert synet ditt. Lys kommer inn i øynene dine, konverteres til elektriske signaler og tolkes av hjernen din, slik at du kan utforske verden rundt deg.

I den neste interaktive aktiviteten vil du forutsi hva som skjer når forskjellige lysfarger konkurrerer i et løp.

Etter å ha utført denne aktiviteten, bør du se at forskjellige lysfarger alle reiser med samme hastighet i vakuumet av tomt rom. Når du ser på objektene rundt deg, kan det virke som om du ser lyset fra dem uendelig raskt fordi de er så nærme, men det viser seg at lyset har en hastighet: 3 × 10⁸m/s (i SI-enheter). Dette er en grunnleggende konstant som forskere kaller "\(c\)" - og denne hastigheten er den samme for lys uansett farge. Dette gjelder ikke bare for synlig lys, men for alle former for lys i det elektromagnetiske spekteret.

Du har kanskje hørt at lys er en bølge. Faktisk er en modell av elektromagnetisk stråling den av oscillerende bølger av elektriske og magnetiske felt, det vil si elektromagnetiske bølger. Dette er en klassisk modell, utviklet på slu*tten av 1800-tallet av en britisk fysiker ved navn James Clerk Maxwell (1831 – 1879).

Som vannbølger, eller bølger på en streng, kan elektromagnetiske bølger karakteriseres av deres amplitude, frekvens, bølgelengde og hastighet. Bølgelengden er avstanden mellom tilstøtende topper (eller tilstøtende bunner osv.). Frekvens er antall komplette bølger, eller bølgelengder, som passerer et gitt punkt hvert sekund. Amplituden til en vannbølge, eller bølge på en streng, er dens høyde, eller hvor langt den stiger og synker fra midtpunktet. Amplituden til en elektromagnetisk bølge er relatert til styrken til de elektriske og magnetiske feltene som forårsaker bølgen. Alt lys beveger seg med samme hastighet, men hver farge har en annen bølgelengde og frekvens. Amplitude og bølgelengde er vist i figur 2.1.

Matematisk er frekvensen, bølgelengden og hastigheten til enhver bølge (ikke bare lys) relatert av:

\[\tekst{bølgelengde} = \dfrac{\tekst{hastighet}}{\tekst{frekvens}} \nonummer \]

Frekvensenhetene kalles hertz som en anerkjennelse av bidragene til forståelsen av bølger av Heinrich Hertz (1857 – 1894). Forskere sier også "sykluser per sekund" eller "inverse sekunder" når de bruker frekvensenheten hertz, som er skrevet som s^-1, 1/s eller Hz. Bølgelengde og frekvens er omvendt proporsjonale med hverandre, noe som betyr at hvis frekvensen erstørre(høyere), vil bølgelengden væremindre(kortere) og omvendt.

Gitt det vi har lært om lys så langt, kan vi omskrive ligningen ovenfor slik at den gjelder lysbølger:

\[\lambda= \dfrac{c}{f} \nonummer \]

der \(c\) er lysets hastighet i m/s, \(\lambda\) (gresk bokstav «lambda») er bølgelengden i meter, og \(f\) er frekvensen i Hz.

Det er en annen måte å tenke på denne ligningen. Hvis du innser at frekvensen er hvor mange bølger som passerer per sekund, så er den gjensidige av frekvensen tiden som trengs for en bølge å passere. For eksempel, hvis ti bølger passerer hvert sekund (\(f\) = 10 Hz), er tiden som trengs for en bølge å passere 1/10 Hz = 0,1 sekunder. Vi kaller tiden for en bølge for å passere perioden, \(P\), for bølgen. Så vi vet at \(P = 1/f\). Så for enhver bølge, hvis den har en høy frekvens, har den en kort periode, og omvendt. Med andre ord, hvis det passerer mange bølger i hvert sekund (høy frekvens), så tar det ikke veldig lang tid før en enkelt bølge passerer, og bølgen har en kort periode. På den annen side, hvis det tar lang tid før en bølge passerer forbi, så vil ikke mange av dem passere hvert sekund. Vi kan omskrive den forrige ligningen når det gjelder perioden for å få følgende svært like ligning.

\[\lambda=c P\nonummer \]

Dette virker kanskje ikke som en stor forbedring. Men hvis du innser at perioden er tiden for en bølge å passere, og at \(c\) er hastigheten den beveger seg, så vet vi at produktet \(cP\), hastigheten ganger tiden, er hvor langt bølgen går over sin periode. Men dette er nødvendigvis dens bølgelengde, så denne formen av ligningen gjør forholdet mellom hastighet, periode (eller frekvens) og bølgelengde litt mer naturlig. Dessverre foretrekker forskere generelt å tenke på bølger i form av deres frekvenser, ikke deres perioder. Dette er uheldig fordi selv om de to mengdene er likeverdige når det gjelder informasjon om bølgen, har mange begynnende elever vanskelig for å forstå hva frekvens er. Men de fleste kan forstå begrepet periode - tiden for en enkelt svingning av bølgen - med mye mindre innsats. Enten måte å tenke på denne ligningen er greit så lenge du husker at perioden er den gjensidige av frekvensen.

Mens bølgemodellen av lys går foran ideen om elektromagnetiske bølger med flere århundrer, var Maxwell den første som innså at de separate ligningene for klassisk elektrisitet og klassisk magnetisme kunne kombineres til en enkelt elektromagnetisk teori som spådde eksistensen av oscillerende elektromagnetiske felt. Med sin elektromagnetiske teori var Maxwell i stand til å forene de (på den tiden) separate ideene om radiobølger og synlig lys til et enkelt teoretisk rammeverk. Ligningene spådde også eksistensen av høyere frekvensbølger, som røntgenstråler og gammastråler. Alle disse ble deretter forstått å være oscillerende elektromagnetiske felt, med radiobølger med lange bølgelengder og lave frekvenser, og gammastråler som hadde det motsatte ytterpunktet av korte bølgelengder og høye frekvenser.

Å vite om lysets bølgenatur hjelper oss å tolke de forskjellige lystypene som astronomiske objekter sender ut. På sin side lar dette oss bruke disse bølgene for å lære mer om prosessene som påvirker dannelsen og utviklingen av stjerner, galakser og selve universet.

Den neste aktiviteten, som bruker det interaktive Wave Generator-verktøyet, vil gi deg litt trening på å jobbe med ideene om bølgelengde, frekvens og hastighet. Dette er alle viktige egenskaper til bølger.

Etter å ha fullført forrige aktivitet, bør du ha en god ide om hva som menes med frekvensen og bølgelengden til en bølge. Forholdet mellom frekvens og bølgelengde tillater oss å beskrive elektromagnetiske bølger (med andre ord lys) ved å bruke enten frekvens eller bølgelengde uten å introdusere noen forvirring. Forskere er komfortable med å snakke om lys i form av enten frekvens eller bølgelengde. De har en tendens til å bruke det som er mest praktisk på den tiden.