If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

Լույս․ էլեկտրամագնիսական ալիքներ, էլեկտրամագնիսական սպեկտր և ֆոտոններ

Էլեկտրամագնիսական ճառագայթման և ֆոտոնների հատկությունները

Էլեկտրամագնիսական ալիքների նկարագրությունը

Էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը տարածության մեջ էներգիայի տեղափոխման բազմաթիվ ձևերից մեկն է։ Էլեկտրամագնիսական ճառագայթման օրինակ է կրակից եկող տաքությունը, արևի լույսը, բժիշկների կողմից օգտագործվող ռենտգենյան ճառագայթները, ինչպես նաև էներգիան, որն օգտագործվում է միկրոալիքային վառարանում ուտելիք պատրաստելու համար։ Չնայած այն հանգամանքին, որ էներգիայի այս տեսակները կարող են իրարից շատ տարբեր թվալ, դրանք նման են իրենց ալիքային հատկություններով։
Եթե երբևէ լողացել ես օվկիանոսում, ապա ծանոթ ես ալիքների հետ։ Ալիքները պարզապես շեղումներ (խոտորումներ) են ֆիզիկական միջավայրում կամ դաշտում, որոնք առաջացնում են տատանումներ։ Օվկիանոսի ալիքի փքվածքը և դրան հաջորդող անկումը պարզապես օվկիանոսի մակերևույթին ջրի տատանումներ են։ Էլեկտրամագնիսական ալիքները նման են, բայց նրանք նաև տարբեր են, քանի որ բաղկացած են 2 ալիքներից, որոնք տատանվում են միմյանց փոխուղղահայաց: Ալիքներից մեկը տատանվող մագնիսական դաշտն է, մյուսը՝ տատանվող էլեկտրական դաշտը։ Այն կարելի է պատկերացնել հետևյալ կերպ․
Էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը կարող է պատկերվել ինչպես տատանվող էլեկտրական դաշտի (էջի հարթության/համակարգչի էկրանի վրա տատանվող), այնպես էլ ուղղահայաց (այս դեպքում՝ տատանվող էջի ներսում և դրսում) մագնիսական դաշտի տեսքով: Օրդինատների առանցքը լայնույթն է, իսկ աբսցիսների առանցքը՝ հեռավորությունը տարածության մեջ։
Էլեկտրամագնիսական ալիքները բաղկացած են տատանվող էլեկտրական դաշտից և իրեն ուղղահայաց տատանվող մագնիսական դաշտից։ Նկարը՝ UC Davis ChemWiki էջից, CC-BY-NC-SA 3,0
Չնայած որ լավ է ունենալ էլեկտրամագնիսական ճառագայթման մասին հիմնական գիտելիքներ, քիմիկոսներն ավելի հետաքրքրված են ալիքների և նյութերի փոխազդեցությամբ, քան ֆիզիկական օրինաչափություններով, որոնցով պայմանավործ է էներգիայի տվյալ տեսակը։ Մասնավորապես քիմիկոսներն ուսումնասիրում են տարբեր տիպի էլեկտրոմագնիսական ճառագայթների փոխազդեցությունն ատոմների և մոլեկուլների հետ։ Այդ փոխազդեցություններից կարելի է ստանալ տեղեկույթ մոլեկուլների կառուցվածքի մասին, ինչպես նաև քիմիական կապի տիպերի մասին, որոնք առկա են մոլեկուլներում։ Բայց մինչ քննարկելն այդ ամենը, այնուամենայնիվ, անհրաժեշտ է խոսել լուսային ալիքների ֆիզիկական չափանիշների մասին։

Ալիքների հիմնական հատկությունները․ լայնույթ, ալիքի երկարություն և հաճախություն

Երևի արդեն գիտես, որ ալիքն ունի իջվածք (ամենացածր կետն է) և գագաթ (կատար) (ամենաբարձր կետն է)։ Գագաթի և կենտրոնական առանցքի միջև եղած ուղղահայաց հեռավորությունը կոչվում է ալիքի լայնույթ։ Այս հատկությունը կապված է ալիքի պայծառության կամ ինտենսիվության հետ։ Երկու իջվածքների կամ երկու գագաթների միջև հորիզոնական հեռավորությունը կոչվում է ալիքի երկարություն։ Այս երկարությունները կարող են պատկերվել հետևյալ կերպ․
Ալիքի երկչափ ներկայացումը։ Լայնույթը կենտրոնական առանցքի (կարմիր գույնով նշված) և գագաթի միջև հեռավորությունն է: Ալիքի երկարությունը մի գագաթից մյուս գագաթն ընկած հատվածն է կամ մեկ իջվածքից՝ մյուսը։
Ալիքի հիմնական հատկությունները՝ ներառյալ լայնույթը և ալիքի երկարությունը։ Նկարը՝ UC Davis ChemWiki էջից, CC-BY-NC-SA 3,0։
Հիշիր նաև, որ որոշ ալիքներ (այդ թվում՝ էլեկտրամագնիսական ալիքները) նույնպես տատանվում են տարածության մեջ, հետևաբար նրանք տատանվում են տրված դիրքում ժամանակի ընթացքում։ Մեծությունը, հայտնի որպես ալիքի հաճախություն, վերաբերում է ամբողջական ալիքների երկարությանը, որոնք անցնում են տարածության մեջ տրված կետով ամեն վայրկյան։ ՄՀ համակարգում հաճախության միավորը հերցն է (Հց), որը համարժեք է «մեկ վայրկյանին» (գրված 1վ կամ վ1)։ Ինչպես արդեն կարող ես պատկերացնել, ալիքի երկարությունը և հաճախությունը հակադարձ համեմատական են, այսինքն՝ ինչքան կարճ է ալիքի երկարությունը, այնքան մեծ է հաճախությունը, և հակառակը։ Այս հարաբերությունը տրված է հետևյալ հավասարմամբ․
c=λν
Որտեղ λ-ն (հունարեն՝ լամբդա) ալիքի երկարությունն է (մետրերով, մ) և ν-ն (հունարեն՝ նյու)՝ հաճախությունը (հերցերով, Հց)։ Նրանց արտադրյալը c հաստատուն լույսի արագությունն է, որը հավասար է 3,00×108 մ/վ։ Այս հարաբերությունը ցույց է տալիս, որ էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը, անկախ ալիքի երկարությունից կամ հաճախությունից, տարածվում է լույսի արագությամբ:
Հաճախության և ալիքի երկարության միջև կապը ցույց տալու համար եկեք դիտարկենք մի օրինակ։

Օրինակ: Լուսային ալիքի երկարության հաշվումը

Էլեկտրամագնիսական ճառագայթման որոշակի ալիք ունի 1,5×1014 Հց հաճախություն։
Ինչքա՞ն է այս ալիքի երկարությունը։
Մենք կարող ենք սկսել հաճախության, ալիքի երկարության և լույսի արագության հավասարումից։
c=λν
Հաջորդիվ, վերադասավորում ենք հավասարումը, որպեսզի գտնենք ալիքի երկարությունը։
λ=cν
Վերջում տեղադրում ենք տրված արժեքները և լուծում։
λ=3,00×108մվ1,5×10141 վ=2,00×106 մ
Հայեցակարգային ստուգում․ ի՞նչ տեղի կունենա լուսային ալիքի հաճախության հետ, եթե ալիքի երկարությունը մեծացնենք 10 անգամ։

Պարբերություն

Վերջին մեծությունը, որը կքննարկենք, ալիքի պարբերությունն է։ Դա այն ժամանակն է, որի ընթացքում մեկ ալիքի երկարությունն անցնում է տարածության մեջ տրված կետով։ Մաթեմատիկորեն՝ պարբերությունն (T) ալիքի հաճախականության (f) հակադարձ մեծությունն է։
T=1f
Պարբերության միավորը վայրկյանն է (վ
Այժմ, երբ մենք ունենք պատկերացում ալիքների որոշ հիմնական հատկությունների մասին, մենք կխոսենք էլեկտրամագնիսական ճառագայթման տարբեր տեսակների մասին։

Էլեկտրամագնիսական սպեկտր

Էլեկտրամագնիսական ալիքները կարող են դասակարգված և բաշխված լինել՝ ըստ իրենց ալիքի երկարությունների/հաճախությունների։ Այս դասակարգումը հայտնի է էլեկտրամագնիսական սպեկտր անվամբ։ Հետևյալ աղյուսակը ցույց է տալիս այդ սպեկտրը, որ բաղկացած է տիեզերքում հանդիպող էլեկտրամագնիսական ճառագայթման բոլոր տեսակներից։
Էլեկտրամագնիսական սպեկտրը ներառում է տիեզերքում գտնվող բոլոր ճառագայթումներից։ Ամենամեծ հաճախությունն ունեն գամմա ճառագայթները, իսկ ռադիոալիքները՝ ամենացածրը։ Տեսանելի լույսը մոտավորապես սպեկտրի կենտրոնում է և կազմում է ամբողջ սպեկտրի շատ փոքր մասը։
էլեկտրամագնիսական սպեկտր։ Նկարը՝ UC Davis ChemWiki էջից, CC-BY-NC-SA 3,0
Ինչպես արդեն կարող ենք տեսնել, տեսանելի սպեկտրը, որն աչքի համար տեսանելի լույսի տիրույթն է, գոյություն ունեցող տարբեր տեսակի ճառագայթումների փոքր մասն է կազմում միայն։ Տեսանելի սպեկտրից աջ մենք տեսնում ենք էներգիայի այն տեսակները, որոնք ունեն ավելի ցածր հաճախություն (հետևաբար ալիքի մեծ երկարություն), քան տեսանելի լույսը։ Էներգիայի այս տեսակները ներառում են ինֆրակարմիր (ԻԿ) ճառագայթներ, միկրոալիքներ և ռադիոալիքներ։ Ճառագայթման այս ձևերն ամենուր են և վտանգավոր չեն, քանի որ դրանց հաճախությունը շատ ցածր է։ Ինչպես կարող ենք տեսնել «ֆոտոն» բաժնում, ցածր հաճախություն ունեցող ալիքներն ունեն փոքր էներգիա, հետևաբար մեր առողջությանը վտանգ չեն ներկայացնում։
Տեսանելի սպեկտրից ձախ կտեսնենք ուլտրամանուշակագույն (ՈՒՄ) ճառագայթները, ռենտգենյան ճառագայթները և գամմա ճառագայթները։ Ճառագայթման այս տեսակները վտանգավոր են կենդանի օրգանիզմների համար, քանի որ ունեն բարձր հաճախություն (հետևաբար նաև բարձր էներգիա)։ Սա է պատճառը, որ մենք օգտագործում ենք արևայրուքի դեմ քսուք (արևից արձակվող ուլտրամանուշակագույն ճառագայթները կանխելու համար), և ռենտգենոլոգները մեզ վրա կապարե վահանակ են տեղադրում, որպեսզի կանխեն ռենտգենյան ճառագայթների թափանցումը մեր մարմնի այլ մասեր։ Բարձր հաճախություն և էներգիա ունեցող գամմա ճառագայթները համարվում են ամենավտանգավորը։ Բարեբախտաբար, մթնոլորտը կլանում է գամմա ճառագայթները տիեզերքից՝ պաշտպանելով մեզ վտանգից։
Հաջորդիվ կխոսենք ալիքի հաճախականության և էներգիայի միջև կապի մասին։

Էներգիայի քվանտավորում և լույսի երկակի բնույթ

Մենք արդեն խոսել ենք այն մասին, թե ինչպես է լույսը տարածվում տարածության մեջ ալիքի տեսքով։ Այս փաստը հայտնի է եղել բավականին երկար ժամանակ։ Իրականում, դեռ տասնյոթերորդ դարի վերջում հոլանդացի ֆիզիկոս Քրիստիան Հյույգենսն առաջինն է բացատրել լույսի ալիքային բնույթը։ Հյուգենսի մահից մոտավորապես 200 տարի հետո ֆիզիկոսները ենթադրել են, որ լուսային ալիքները և նյութերը բավականին տարբերվում են իրարից։ Համաձայն դասական ֆիզիկայի՝ նյութը բաղկացած է մասնիկներից, որոնք ունեն զանգված, և նրանց դիրքը տարածության մեջ հայտնի է, մյուս կողմից՝ չունեն զանգված, և նրանց դիրքը տարածության մեջ հնարավոր չէ որոշել։ Քանի որ նրանք դիտարկվում են տարբեր կատեգորիաներում, գիտնականները չէին կարող հստակ հասկանալ լույսի ու նյութի միջև կապը։ Այս ամենը փոխվեց 1900 թ., երբ Մաքս Պլանկը սկսեց ուսումնասիրել բացարձակ սև մարմինները, որոնք տաքացվում են մինչև շիկացում։
Հալված լավան իրեն պահում է բացարձակ սև մարմնի պես՝ շատ բարձր ջերմաստիճաններում տեսանելի սպեկտրում էլեկտրամագնիսական ճառագայթներ արձակելով:
Հալված լավա՝ արձակող բացարձակ սև մարմնի ճառագայթներ Նկարը պատկանում է ԱՄՆ Աշխարհագրական շրջահայությանը։
Պլանկը հայտնաբերեց, որ բացարձակ սև մարմինների կողմից արձակած էկելտրամագնիսական ճառագայթումը չի կարող բացատրվել դասական ֆիզիկայով, որից հետևում էր, որ նյութը կարող էր կլանել կամ արձակել ցանկացած քանակի էլեկտրամագնիսական ճառագայթներ։ Պլանկը նկատեց, որ նյութը կլանում կամ արձակում է էներգիա միայն ամբողջ թվերով արժեքներ՝ hν, որտեղ h-ը Պլանկի հաստատունն է՝ 6,626×1034 Ջվ, և ν-ն կլանված կամ արձակած լույսի հաճախությունն է։ Սա ցնցող հայտնագործություն էր, որովհետև այն մարտահրավեր էր նետում այն մտքին, որ էներգիան շարունակական է և կարող է փոխանցվել ցանկացած քանակով։ Պլանկի հայտնաբերած իրականությունն այն է, որ էներգիան շարունակական չէ, իսկ քվանտավորված նշանակում է, որ այն կարող է փոխանցվել միայն hν չափի առանձին «քանակներով» (կամ մասնիկներով)։ Այս էներգետիկ քանակներից յուրաքանչյուրը հայտնի է «քվանտ» անունով (հոգնակի՝ քվանտներ)։
Չնայած սա կարող է տարօրինակ թվալ, բայց մենք արդեն շատ լավ ծանոթ ենք քվանտային համակարգերին։ Գումարը, որը մենք օգտագործում ենք ամեն օր, քվանտավորված է։ Օրինակ, երբ դու մտնես խանութ, դու չես տեսնի ինչ-որ բան, որը կվաճառվի մեկ դոլար և երկուսուկես ցենտով ($1,025)։ Պատճառն այն է, որ ամենափոքր գումարային միավորը կոպեկն է․ անհնար է գումարը փոխանակել ավելի փոքր միավորով, քան սա է։ Եթե մենք չեն կարող դրամարկղի աշխատողին փոխանցել կես ցենտ, նույն կերպ էներգիան չի կարող փոխանցվել քվանտից ավելի փոքր չափով։ Մենք կարող ենք քվանտները պատկերացնել, որպես էլեկտրամագնիսական էներգիայի «կոպեկներ», որոնք էներգիայի ամենափոքր հավանական միավորներն են, և որոնց միջոցով էներգիան կարող է փոխանցվել։
Պլանկի հայտնագործությունը առ այն, որ էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը քվանտավորված է, ընդմիշտ փոխեց այն միտքը, որ լույսն ունի միայն ալիքային հատկություններ։ Իրականում լույսն ունի և՛ ալիքային, և՛ մասնիկային հատկություններ։

Ֆոտոն

Պլանկի հայտնագործությունները սկիզբ դրեցին ֆոտոնի հայտնաբերմանը։ Ֆոտոնը տարրական մասնիկ է կամ լույսի քվանտ։ Ինչպես շուտով մենք կտեսնենք, ֆոտոնները կարող են կլանվել կամ առաքվել ատոմների և մոլեկուլների կողմից։ Երբ ֆոտոնը կլանվում է, նրա էներգիան փոխանցվում է ատոմին կամ մոլեկուլին։ Քանի որ էներգիան քվանտավորված է, ֆոտոնի ամբողջ էներգիան փոխանցվում է (հիշիր, որ մենք չենք կարող փոխանցել քվանտի մասերը, որոնք ամենափոքր հավանական առանձին «էներգիայի քանակներն» են)։ Այս գործընթացի հակառակ ընթացքը նույնպես հավանական է։ Երբ ատոմը կամ մոլեկուլը կորցնում է իր էներգիան, այն արձակում է ֆոտոն, որի էներգիան հավասար է ճիշտ ատոմի կամ մոլեկուլի կորցրած էներգիային։ Էներգիայի այս փոփոխությունն ուղիղ համեմատական է կլանված կամ արձակված ֆոտոնի հաճախականությանը։ Այս հարաբերությունը տրված է Պլանկի հայտնի հավասարմամբ․
E=hν
որտեղ E-ն կլանված կամ արձակված ֆոտոնի էներգիան է (տրված Ջոուլներով, Ջ), ν-ն ֆոտոնի հաճախությունն է (տրված Հերցերով, Հց), և h-ը՝ Պլանկի հաստատունը՝ 6,626×1034 Ջվ։

Օրինակ: Ֆոտոնի էներգիայի հաշվումը

Ֆոտոնի հաճախությունը 2,0×1024 Հց է։
Որքա՞ն է այս ֆոտոնի էներգիան։
Սկզբում գրենք Պլանկի հավասարումը։
E=hν
Այնուհետև տեղադրենք հաճախականության, Պլանկի հաստատունի h արժեքները և լուծենք։
E=(6,626×1034 Ջվ)×(2,01024 վ1)=1,3×109 Ջ
Հայեցակարգային ստուգում: Նարնջագույն լուսային ալիքի երկարությունը 590635 նմ է, իսկ կանաչ լուսային ալիքի երկարությունը՝ 520560 նմ։ Ո՞ր գույնի լույսն ունի ավելի շատ էներգիա։
(Հուշում: Հիշիր, թե ինչ ես արդեն սովորել ալիքի երկարության և հաճախականության միջև կապի մասին:)

Ամփոփում

Էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը կարող է բնութագրվել լայնույթով (պայծառությամբ), ալիքի երկարությամբ, հաճախականությամբ և պարբերությամբ։ E=hν հավասարումով մենք հասկացանք, որ լուսային ալիքի հաճախությունն ուղիղ համեմատական է ալիքի էներգիային։ Քսանմեկերորդ դարի սկզբում էներգիայի քվանտավորման հայտնագործությունով պարզ դարձավ, որ լույսը կարող է բնութագրվել ոչ միայն որպես ալիք, այլև որպես մասնիկների համախումբ, որոնք առավել հայտնի են ինչպես ֆոտոններ։ Ֆոտոնները պարունակում են դիսկրետ չափով էներգիա, որը կոչվում է քվանտ։ Այս էներգիան կարող է փոխանցվել ատոմներին և մոլեկուլներին, երբ ֆոտոնները կլանվում են։ Ատոմներն ու մոլեկուլները կարող են նաև կորցնել էներգիա՝ առաքելով ֆոտոններ։

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: