Περιγραφή της φύσης του φωτός, θεωρίες για το φως, ιστορική αναδρομή

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

2. Η φύση του φωτός
Από παλιά, στους αρχαιότατους χρόνους,
φιλόσοφοι και φυσιοδίφες προσπαθούσαν να
κατανοήσουν και να ερμηνεύσουν τη «φύση»
του φωτός. Για πολλά χρόνια ήταν αντικείμενο
συζητήσεων, διαφωνιών, επιχειρημάτων και
αντεπιχειρημάτων.
Η φυσική πηγή φωτός είναι ο Ήλιος και τα
υπόλοιπα αστέρια ενώ τεχνητές πηγές
είναι οι κάθε λογής λάμπες που
χρησιμοποιούνται σήμερα ευρύτατα, κυρίως
όταν ο ήλιος χάνεται στον ορίζοντα.

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 19ου αιώνα και στις αρχές του 20ου
αιώνα δύο μεγάλοι φυσικοί, ο James Clerk Maxwell
και ο Μax Planck εδραίωσαν με τις θεωρίες που
ανέπτυξαν την άποψή μας για τη φύση του φωτός.
James Clerk Maxwell Μax Planck

4. Ηλεκτρομαγνητική θεωρία του
Μaxwell
• To 1873 o Μaxwell διατύπωσε την ηλεκτρομαγνητική
του θεωρία σύμφωνα με την οποία:
κάθε χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο
δημιουργεί ένα αλληλένδετο μεταβαλλόμενο
μαγνητικό πεδίο και αντίστροφα. Δημιουργείται
δηλαδή ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
• To ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται με τον
παραπάνω τρόπο διαδίδεται στο χώρο με τη μορφή
ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων τα οποία όπως
παρατήρησε ο Maxwell διαδίδονται με την ταχύτητα
του φωτός.

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

6. Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα
Ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι επίσης και αυτά που
λαμβάνει η κεραία της τηλεόρασης μας, του
ραδιοφώνου μας, του κινητού μας τηλεφώνου.
Ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι οι ακτίνες Χ, οι
υπεριώδεις και οι υπέρυθρες ακτίνες καθώς και αυτές
που χρησιμοποιεί ο φούρνος μικροκυμάτων για να
ζεστάνει το φαγητό μας.
Ποια είναι η διαφορά αυτών των
ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
από το ΦΩΣ;

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:
nm
λ
nm ο 700
400 

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 108 m/s
Το μήκος κύματος λο, η συχνότητα f και η ταχύτητα διάδοσης
co, συνδέονται με τη θεμελιώδη εξίσωση της κυματικής:
f
c 
 ο
o 
Δηλαδή, όσο πιο μεγάλο είναι το μήκος κύματος, τόσο
μικρότερη είναι η συχνότητα του κύματος και αντίστροφα
Applet: ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

10. Θεωρία των κβάντα του Planck
• Παρόλη την εμφανή συμπεριφορά του φωτός ως
ηλεκτρομαγνητικό κύμα, η θεωρία του Maxwell δεν
κατάφερε να ερμηνεύσει φαινόμενα που έχουν να
κάνουν με την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη.
• Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο,
είναι το φαινόμενο εκείνο όπου
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία
πέφτει στην επιφάνεια κάποιων
μετάλλων και τις αναγκάζει να
εκπέμψουν ηλεκτρόνια. Η
προσπάθεια ερμηνείας του
φαινομένου αυτού με τη βοήθεια
της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας
οδηγήθηκε σε αποτυχία.

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:
hf
E 
Όπου h μία σταθερά που έχει τιμή h = 6,63x10-34 Js και ονομάζεται
σταθερά του Planck

12. Mε τη βοήθεια της θεωρίας του Planck o Εinstein
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

13. Συνοψίζοντας
• Σύμφωνα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell
το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
f
c 
 ο
o 
• Τα ορατά ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φως) αποτελούν ένα μικρό
ποσοστό του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
• Το μήκος κύματος λο, η συχνότητα f και η ταχύτητα διάδοσης
co, συνδέονται με τη θεμελιώδη εξίσωση της κυματικής:
• Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία του Planck το φως
εκπέμπεται και απορροφάται από την ύλη ασυνεχώς. Κάθε άτομο
εκπέμπει ή απορροφά στοιχειώδη ποσά ενέργειας που ονομάζονται
φωτόνια. Το κάθε φωτόνιο έχει ενέργεια που υπολογίζεται από τον
τύπο: hf
E 

14. Άσκηση
min
f
c max
o 

max
o
min

c
f 

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: co = 3x108 m/s.
Λύση
Το μικρότερο μήκος κύματος μιας ορατής ακτινοβολίας είναι
400 nm = 400x10-9 m. Σύμφωνα με τη θεμελιώδη εξίσωση της
κυματικής:
Hz
10
43
,
0
Hz
10
700
10
3 15
9
8






  min
min f
f
max
f
c min
o 

min
o
max

c
f 
 Hz
10
75
,
0
Hz
10
400
10
3 15
9
8






  max
max f
f
όμοια