Η "μικρή ιστορία του φωτός", απαραίτητες γνώσεις για ένα μαθητή της Γ' Λυκείου, από τον Φυσικό Καθηγητή κ. Γιώργο Παναγιωτακόπουλο

1. Το Φως http://scienceteachersnet.ning.com

3. Οι αρχαίοι έλληνες πίστευαν ότι το φως που εκπέμπει ο ήλιος, αλλά και κάθε φωτοβολούσα πηγή αποτελείται από μικρά σωματίδια τα οποία κινούνται με μεγάλη ταχύτητα και όταν πέφτουν στο μάτι του παρατηρητή διεγείρουν το αισθητήριο της όρασης. Στο τέλος του 19 ου αιώνα και στις αρχές του 20 ου αιώνα δύο μεγάλοι φυσικοί, ο James Clerk Maxwell και ο Μ ax Planck εδραίωσαν με τις θεωρίες που ανέπτυξαν την άποψή μας για τη φύση του φωτός. James Clerk Maxwell Μ ax Planck

5. Το φως δηλαδή είναι: ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ Το 1887 ο Heinrch Hertz επιβεβαίωσε πειραματικά, ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα συμπεριφέρονται όπως και το φως, δηλαδή ανακλώνται, διαθλώνται συμβάλλουν, δημιουργούν φαινόμενα περίθλασης και διαδίδονται με την ίδια ταχύτητα. … «Στο εξής, και για πάντα, ο μαγνητισμός, ο ηλεκτρισμός και το φως συνδέονται άρρηκτα»… Γιώργος Γραμματικάκης η αυτοβιογραφία του φωτός

7. Όλα αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαφέρουν ως προς: τη συχνότητά τους και το μήκος κύματός τους Το φως είναι μόνο τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ανιχνεύονται από τα μάτια μας . Για να ανιχνευτεί από το μάτι μας ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, πρέπει το κύμα αυτό να έχει μήκος κύματος όταν διαδίδεται στο κενό : από 400 nm μέχρι 700 nm (*) Όλα τα άλλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ΔΕΝ ανιχνεύονται από τα μάτια μας (*) οι τιμές αυτές είναι κατά προσέγγιση

8. Το σύνολο των συχνοτήτων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων αποτελούν το: ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Αν παρομοιάζαμε ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα με ένα τοίχο μήκους 10 μέτρων, η περιοχή του ορατού φάσματος θα είχε το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας.

9. Όταν το φως αλλά και κάθε άλλο ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται στο κενό, τότε η ταχύτητα διάδοσής του ισούται με: c o = 3 x 10 8 m/s Το μήκος κύματος λ ο , η συχνότητα f και η ταχύτητα διάδοσης c o, συνδέονται με τη θεμελιώδη εξίσωση της κυματικής: Δηλαδή, όσο πιο μεγάλο είναι το μήκος κύματος, τόσο μικρότερη είναι η συχνότητα του κύματος και αντίστροφα Applet : ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

11. Το 1900 για να ερμηνεύσει ο Planck την ακτινοβολία που παράγει ένα θερμαινόμενο σώμα εισήγαγε τη θεωρία των κβάντα φωτός. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή: α) Το φως και γενικότερα κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται και απορροφάται από τα άτομα της ύλης όχι κατά συνεχή τρόπο αλλά ασυνεχώς. Δηλαδή κάθε άτομο εκπέμπει ή απορροφά στοιχειώδη ποσά ενέργειας που ονομάζονται κβάντα φωτός ή φωτόνια . β) Κάθε φωτόνιο μιας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μετα- φέρει ενέργεια Ε η οποία υπολογίζεται από τη σχέση: Όπου h μία σταθερά που έχει τιμή h = 6,63x10 -34 Js και ονομάζεται σταθερά του Planck

12. M ε τη βοήθεια της θεωρίας του Planck o Ε instein ερμήνευσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Ο δυϊσμός του φωτός που άλλοτε συμπεριφέρεται ως κύμα και άλλοτε ως σωματίδια άνοιξε το δρόμο για την κατανόηση της συμπεριφοράς του μικρόκοσμου. " ... Η φαινομενική σύγχυση που προκαλεί ο δυϊσμός σωματιδίου - κύματος υποκρύπτει ίσως κάποια τάξη. Ο Bohr προσπάθησε να αναδείξει την τάξη αυτή με την έννοια της "συμπληρωματικότητας". Σύμφωνα με αυτήν, η δυϊκή φύση σωματιδίου - κύματος συνιστά μία ολότητα που έχει ιδιότητες συμπληρωματικές. Ανάλογα με το φαινόμενο εκδηλώνεται η ιδιότητα του σωματιδίου ή η ιδιότητα του κύματος. Όπως και σ' ένα νόμισμα, που μπορεί να δείξει κορώνα ή γράμματα, αλλά ποτέ και τα δύο μαζί. Έτσι στο φως οι κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες συμπληρώνουν η μία την άλλη ή αλληλοαποκλείονται. Και οι δύο ωστόσο είναι απαραίτητες για την κατανόησή του. Όπως γράφει ο J. Jeans: η κυματική και σωματιδιακή εικόνα δε δείχνουν δύο διαφορετικά πράγματα, αλλά δύο πλευρές του ίδιου πράγματος. Είναι, απλώς δύο επιμέρους εικόνες, κατάλληλες για διαφορετικά σύνολα περιστάσεων και γι' αυτό συμπληρωματικές, αλλά όχι προσθετικές. Όταν το φως δείχνει σωματιδιακές ιδιότητες, οι κυματικές του ιδιότητες εξαφανίζονται και αντίστροφα. " Από την αυτοβιογραφία του φωτός του Γιώργου Γραμματικάκη

14. Άσκηση Τα ορατά ηλεκτρομαγνητικά κύματα όταν διαδίδονται στο κενό έχουν μήκη κύματος μεταξύ των 400 nm και των 700 nm. Δεχόμενοι ότι τα όρια αυτά είναι ακριβή, να βρείτε μεταξύ ποιων ορίων είναι οι συχνότητες των ορατών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Δίνεται η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο κενό: c o = 3x10 8 m/s. Λύση Το μικρότερο μήκος κύματος μιας ορατής ακτινοβολίας είναι 400 nm = 400x10 -9 m. Σύμφωνα με τη θεμελιώδη εξίσωση της κυματικής: όμοια

15. http://scienceteachersnet.ning.com Γιώργος Παναγιωτακόπουλος physiart @ gmail.com