Lys: Elektromagnetiske bølger, det elektromagnetiske spekteret og fotoner (artikkel) | Khan Academy (2024)

Elektromagnetisk stråling er en av mange måter energi beveger seg gjennom rommet på. Varmen fra en brennende ild, lyset fra solen, røntgenstrålene som brukes av legen din, samt energien som brukes til å lage mat i en mikrobølgeovn, er alle former for elektromagnetisk stråling. Selv om disse energiformene kan virke ganske forskjellige fra hverandre, er de beslektet ved at de alle viser bølgelignende egenskaper.

Hvis du noen gang har badet i havet, er du allerede kjent med bølger. Bølger er ganske enkelt forstyrrelser i et bestemt fysisk medium eller et felt, som resulterer i en vibrasjon eller oscillasjon. Svulmen av en bølge i havet, og det påfølgende dykket som følger, er ganske enkelt en vibrasjon eller oscillasjon av vannet ved havoverflaten. Elektromagnetiske bølger er like, men de er også forskjellige ved at de faktisk består av$2$22bølger som svinger vinkelrett på hverandre. En av bølgene er et oscillerende magnetfelt; den andre er et oscillerende elektrisk felt. Dette kan visualiseres som følger:

Selv om det er bra å ha en grunnleggende forståelse av hva elektromagnetisk stråling er, er de fleste kjemikere mindre interessert i fysikken bak denne typen energi, og er langt mer interessert i hvordan disse bølgene samhandler med materie. Mer spesifikt studerer kjemikere hvordan ulike former for elektromagnetisk stråling samhandler med atomer og molekyler. Fra disse interaksjonene kan en kjemiker få informasjon om et molekyls struktur, så vel som hvilke typer kjemiske bindinger det inneholder. Før vi snakker om det, er det imidlertid nødvendig å snakke litt mer om de fysiske egenskapene til lysbølger.

Som du kanskje allerede vet, har en bølge entrau(laveste punkt) og aemblem(høyeste punkt). Den vertikale avstanden mellom toppen av en topp og bølgens sentrale akse er kjent som densamplitude. Dette er egenskapen knyttet til lysstyrken eller intensiteten til bølgen. Den horisontale avstanden mellom to påfølgende bunner eller topper er kjent sombølgelengdeav bølgen. Disse lengdene kan visualiseres som følger:

Husk at noen bølger (inkludert elektromagnetiske bølger) også svinger i rommet, og derfor svinger de i en gitt posisjon etter hvert som tiden går. Mengden kjent som bølgensFrekvensrefererer til antall fulle bølgelengder som passerer et gitt punkt i rommet hvert sekund; SI-enheten for frekvens er Hertz$(\tekst{Hz})$(Hz)venstre parentes, starttekst, H, z, slu*tttekst, høyre parentes, som tilsvarer "per sekund"$\Stor($(venstre parentesskrevet som$\dfrac{1}{\text{s}}$s1​startbrøk, 1, delt på, starttekst, s, slu*tttekst, slu*ttbrøkeller$\text{s}^{-1}\Big)$s−1)starttekst, s, slu*tttekst, start hevet skrift, minus, 1, slu*tt hevet skrift, høyre parentes. Som du kanskje forestiller deg, er bølgelengde og frekvens omvendt proporsjonale: det vil si at jo kortere bølgelengde, jo høyere frekvens, og omvendt. Dette forholdet er gitt av følgende ligning:

hvor$\lambda$llambda(gresk lambda) er bølgelengden (i meter,$\tekst{m}$mstarttekst, m, slu*tttekst) og$\ikke$n\ikke(det greske nu) er frekvensen (i Hertz,$\tekst{Hz}$Hzstarttekst, H, z, slu*tttekst). Produktet deres er konstanten$c$cc, lysets hastighet, som er lik$3.00\times10^8 \text{ m/s}$3.00×108m/s3, punkt, 00, ganger, 10, start hevet skrift, 8, slu*tt hevet skrift, starttekst, mellomrom, m, skråstrek, s, slu*tttekst. Dette forholdet gjenspeiler et viktig faktum: all elektromagnetisk stråling, uavhengig av bølgelengde eller frekvens, beveger seg med lysets hastighet.

For å illustrere forholdet mellom frekvens og bølgelengde, la oss vurdere et eksempel.

En bestemt bølge av elektromagnetisk stråling har en frekvens på$1,5\times10^{14}\text{ Hz}$1.5×1014Hz1, punkt, 5, ganger, 10, start hevet skrift, 14, slu*tt hevet skrift, starttekst, mellomrom, H, z, slu*tttekst.

Hva er bølgelengden til denne bølgen?

Vi kan starte med ligningen vår som relaterer frekvens, bølgelengde og lysets hastighet.

Deretter omorganiserer vi ligningen for å løse bølgelengden.

Til slu*tt kobler vi inn våre gitte verdier og løser.

Konseptsjekk: Hva ville du forvente å skje med frekvensen til en lysbølge hvis bølgelengden ble økt med en faktor på$10$1010?

Den siste mengden vi vil vurdere er perioden for en bølge. En bølges periode er hvor lang tid det tar før en bølgelengde passerer et gitt punkt i rommet. Matematisk sett er perioden ($T$TT) er ganske enkelt den gjensidige av bølgens frekvens ($f$ff):

Enhetene for periode er sekunder ($\tekst{s}$sstarttekst, s, slu*tttekst).

Nå som vi har en forståelse av noen grunnleggende egenskaper til bølger, skal vi se på de forskjellige typene elektromagnetisk stråling.

Elektromagnetiske bølger kan klassifiseres og ordnes i henhold til deres forskjellige bølgelengder/frekvenser; denne klassifiseringen er kjent som det elektromagnetiske spekteret. Tabellen nedenfor viser oss dette spekteret, som består av alle typer elektromagnetisk stråling som finnes i universet vårt.

Som vi kan se, utgjør det synlige spekteret – det vil si lys som vi kan se med øynene våre – bare en liten brøkdel av de forskjellige typene stråling som finnes. Til høyre for det synlige spekteret finner vi energitypene som har lavere frekvens (og dermed lengre bølgelengde) enn synlig lys. Disse typer energi inkluderer infrarøde (IR) stråler (varmebølger avgitt av termiske kropper), mikrobølger og radiobølger. Disse typer stråling omgir oss hele tiden, og er ikke skadelige, fordi frekvensene deres er så lave. Som vi vil se i avsnittet, "fotonet", har lavere frekvensbølger lavere energi, og er derfor ikke farlige for helsen vår.

Til venstre for det synlige spekteret har vi ultrafiolette (UV) stråler, røntgenstråler og gammastråler. Disse typer stråling er skadelige for levende organismer, på grunn av deres ekstremt høye frekvenser (og dermed høye energier). Det er av denne grunn at vi bruker solkrem på stranden (for å blokkere UV-strålene fra solen) og hvorfor en røntgentekniker vil plassere et blyskjold over oss, for å forhindre at røntgenstrålene trenger inn i noe annet enn det området av kroppen vår som avbildes. Gammastråler, som er de høyeste i frekvens og energi, er de mest skadelige. Heldigvis absorberer atmosfæren vår gammastråler fra verdensrommet, og beskytter oss dermed mot skade.

Deretter vil vi snakke om forholdet mellom en bølges frekvens og dens energi.

Vi har allerede beskrevet hvordan lys beveger seg gjennom rommet som en bølge. Dette har vært kjent ganske lenge; faktisk beskrev den nederlandske fysikeren Christiaan Huygens først lysets bølgenatur så langt tilbake som på slu*tten av det syttende århundre. For ca$200$200200år etter Huygens, antok fysikere at lysbølger og materie var ganske forskjellige fra hverandre. I følge klassisk fysikk var materie sammensatt av partikler som hadde masse, og hvis posisjon i rommet kunne kjennes; lysbølger ble derimot ansett for å ha null masse, og deres plassering i rommet kunne ikke bestemmes. Fordi de ble ansett for å være i forskjellige kategorier, hadde ikke forskerne en god forståelse av hvordan lys og materie interagerte. Alt dette endret seg$1900$19001900, men da fysikeren Max Planck begynte å studere svarte kropper - ble kropper oppvarmet til de begynte å gløde.

Planck fant at den elektromagnetiske strålingen som sendes ut av svarte kropper ikke kunne forklares av klassisk fysikk, som postulerte at materie kunne absorbere eller sende ut en hvilken som helst mengde elektromagnetisk stråling. Planck observerte at materie faktisk absorberte eller sendte ut energi bare i hele talls multipler av verdien$h\nei$hnh, \nei, hvor$h$hher Plancks konstant,$6.626\times10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}$6.626×10−34J⋅s6, punkt, 626, ganger, 10, start hevet skrift, minus, 34, slu*tt hevet skrift, starttekst, mellomrom, J, slu*tttekst, prikk, starttekst, s, slu*tttekst, og$\ikke$n\ikkeer frekvensen til lyset som absorberes eller sendes ut. Dette var en sjokkerende oppdagelse, fordi den utfordret ideen om at energi var kontinuerlig, og kunne overføres i alle mengder. Realiteten, som Planck oppdaget, er at energi ikke er kontinuerlig, men kvantisert - noe som betyr at den bare kan overføres i individuelle "pakker" (eller partikler) av størrelsen$h\nei$hnh, \nei. Hver av disse energipakkene er kjent som et kvante (flertall: kvante).

Selv om dette kan høres forvirrende ut, er vi faktisk allerede veldig kjent med kvantiserte systemer. Pengene vi bruker daglig blir for eksempel kvantisert. For eksempel, når du går inn i en butikk, vil du ikke se noe på salg for en pris på én dollar og to og en halv cent$(\$1,025)$($1.025)venstre parentes, dollartegn, 1, punkt, 025, høyre parentes. Dette er fordi den minste mulige pengeenheten er penny-det er umulig å overføre penger til et mindre beløp enn dette. Akkurat som vi ikke kan betale kassereren i butikken en halv cent, kan ikke energi overføres i noe mindre enn et enkelt kvantum. Vi kan tenke på kvanter som «pennies» av elektromagnetisk energi - de minste mulige enhetene som slik energi kan overføres med.

Plancks oppdagelse av at elektromagnetisk stråling er kvantisert for alltid endret ideen om at lys oppfører seg rent som en bølge. I virkeligheten så lyset ut til å ha både bølgelignende og partikkellignende egenskaper.

Plancks oppdagelser banet vei for oppdagelsen av fotonet. Et foton er den elementære partikkelen, eller kvante, av lys. Som vi snart skal se, kan fotoner absorberes eller sendes ut av atomer og molekyler. Når et foton absorberes, overføres energien til det atomet eller molekylet. Fordi energi er kvantisert, overføres hele fotonets energi (husk at vi ikke kan overføre fraksjoner av kvanter, som er de minste mulige individuelle "energipakkene"). Det motsatte av denne prosessen er også sant. Når et atom eller molekyl mister energi, sender det ut et foton som bærer en energi som er nøyaktig lik energitapet til atomet eller molekylet. Denne endringen i energi er direkte proporsjonal med frekvensen av foton som sendes ut eller absorberes. Dette forholdet er gitt av Plancks berømte ligning:

hvor$E$EEer energien til fotonet som absorberes eller sendes ut (gitt i Joule,$\tekst{J}$Jstarttekst, J, slu*tttekst),$\ikke$n\ikkeer frekvensen til fotonet (gitt i Hertz,$\tekst{Hz}$Hzstarttekst, H, z, slu*tttekst), og$h$hher Plancks konstant,$6.626\times10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}$6.626×10−34J⋅s6, punkt, 626, ganger, 10, start hevet skrift, minus, 34, slu*tt hevet skrift, starttekst, mellomrom, J, slu*tttekst, prikk, starttekst, s, slu*tttekst.

Et foton har en frekvens på$2.0\times10^{24}\text{ Hz}$2.0×1024Hz2, punkt, 0, ganger, 10, start hevet skrift, 24, slu*tt hevet skrift, starttekst, mellomrom, H, z, slu*tttekst.

Hva er energien til dette fotonet?

Først kan vi bruke Plancks ligning.

Deretter plugger vi inn vår gitte verdi for frekvensen, samt verdien for Plancks konstant,$h$hh, og løse.

Konseptsjekk: Bølgelengden til oransje lys er ca$590-635\text{nm}$590−635nm590, minus, 635, starttekst, mellomrom, n, m, slu*tttekst, og bølgelengden til grønt lys er ca$520-560\text{nm}$520−560nm520, minus, 560, starttekst, mellomrom, n, m, slu*tttekst. Hvilken lysfarge er mer energisk, oransje eller grønn?

(Tips: Husk det du allerede har lært om forholdet mellom bølgelengde og frekvens.)

Elektromagnetisk stråling kan beskrives ved dens amplitude (lysstyrke), bølgelengde, frekvens og periode. Etter ligningen$E=h\nei$E=hnE, er lik, h, \nu, har vi sett hvordan frekvensen til en lysbølge er proporsjonal med dens energi. På begynnelsen av det tjuende århundre førte oppdagelsen av at energi er kvantisert til åpenbaringen at lys ikke bare er en bølge, men også kan beskrives som en samling partikler kjent som fotoner. Fotoner bærer diskrete mengder energi kalt kvanter. Denne energien kan overføres til atomer og molekyler når fotoner absorberes. Atomer og molekyler kan også miste energi ved å sende ut fotoner.