A fény: elektromágneses hullámok, az elektromágneses spektrum és a fotonok

Az elektromágneses sugárzás az energia térbeli haladásának egyik módja. Az égő tűz melege, a Nap fénye, az orvosok által használt röntgensugárzás, valamint az az energia, amit a mikrohullámú sütőben való ételmelegítéshez használunk, mind az elektromágneses sugárzás különböző formái. Bár úgy tűnhet, hogy az energia ezen formái meglehetősen különböznek egymástól, abban mind megegyeznek, hogy hullámszerű tulajdonságokat mutatnak.

Ha úsztál már valaha tengerben, akkor ismered a hullámokat. A hullámok csupán fizikai közegben vagy mezőben fellépő zavarok, melyek hatásra rezgés vagy oszcilláció jön létre. A hullámhegy és az azt követő hullámvölgy a tengerben egész egyszerűen a tenger felszíni vízrétegének rezgése vagy oszcillálása. Az elektromágneses hullámok hasonlóak, azonban az ő esetükben két hullám oszcillál egymásra merőlegesen. Az egyik egy oszcilláló mágneses tér, a másik egy oszcilláló elektromos tér. Ezt a következőképpen lehet szemléltetni:

Bár jó tudni, hogy mi is az az elektromágneses sugárzás, a legtöbb kémikust kevésbé foglalkoztatja az energia ezen formájának fizikai háttere, mint az, hogy hogyan lépnek kölcsönhatásba az anyaggal ezek a hullámok. Egészen pontosan a kémikusok azt tanulmányozzák, hogy az elektromágneses sugárzás különböző formái hogyan lépnek kölcsönhatásba az atomokkal és molekulákkal. A kémikusok információt nyerhetnek ezen kölcsönhatásokon keresztül egy molekula szerkezetéről és arról, hogy milyen kémiai kötéseket tartalmaz. Mielőtt azonban rátérnénk erre, szükséges néhány szót ejtenünk a fényhullámok fizikai tulajdonságairól.

Mint azt már bizonyára tudod, a hullámoknak van minimuma (legalacsonyabb pont) és maximuma (legmagasabb pont). A maximum és a hullám központi tengelye közti függőleges távolság az amplitúdó. Ez a hullám fényerejével vagy intenzitásával kapcsolatos tulajdonság. A két egymást követő minimum vagy maximum közti vízszintes távolság a hullám hullámhossza. Ezeket a távolságokat az alábbi módon szemléltethetjük:

Fontos észben tartani, hogy bizonyos hullámok – köztük az elektromágneses hullámok is – térben is oszcillálnak, így az idő múlásával egy adott pontban is változnak. A mennyiség, amit a hullám frekvenciájának hívunk, az adott pontban egy másodperc alatt elhaladó teljes hullámhosszak számát méri. A frekvencia SI mértékegysége a Hertz $(\text{Hz})$‍, vagyis az „egy per másodperc" $($‍${\displaystyle \frac{1}{\text{s}}}$‍ vagy ${\text{s}}^{-1}$‍ formában írva$)$‍. Ahogy az várható, a hullámhossz és a frekvencia között fordított arányosság áll fenn, vagyis minél kisebb a hullámhossz, annál nagyobb a frekvencia, és fordítva. Ezt a kapcsolatot az alábbi egyenlet írja le:

ahol $\lambda$‍ (a görög lambda) a hullámhossz (méterben, $\text{m}$‍) és $\nu$‍ (görög nű) a frekvencia (Hertzben, $\text{Hz}$‍). A szorzatuk $c$‍, egy állandó, a fénysebesség, ami $3,00\cdot {10}^8\text{ m/s}$‍. Ez az összefüggés egy fontos tényre világít rá: minden elektromágneses sugárzás, függetlenül a hullámhosszától vagy a frekvenciájától, fénysebességgel terjed.

A frekvencia és a hullámhossz közötti kapcsolat szemléltetéséhez nézzünk meg egy feladatot:

Egy elektromágneses hullám frekvenciája $1,5\cdot {10}^{14}\text{ Hz}$‍.

Induljunk ki abból az egyenletből, amely kapcsolatot teremt a frekvencia, a hullámhossz és a fénysebesség között!

Ezután az egyenletet átrendezve fejezzük ki a hullámhosszt:

Végül helyettesítsük be az ismert értékeket, és oldjuk meg az egyenletet:

Az utolsó mennyiség, amivel foglalkozunk, a hullám periódusideje. A periódusidő az az idő, ami ahhoz szükséges, hogy a tér egy pontján egy hullámhossznyi hullám áthaladjon. Egyenlettel kifejezve, a periódusidő ($T$‍) egyszerűen a hullám frekvenciájának a reciproka ($f$‍):

A periódusidő mértékegysége a másodperc ($\text{s}$‍).

Most, hogy megismerkedtünk a hullámok néhány alapvető tulajdonságával, tekintsük át az elektromágneses sugárzás különböző típusait.

Az elektromágneses hullámokat csoportosíthatjuk a hullámhosszuk/frekvenciájuk alapján; ez alapján beszélünk elektromágneses spektrumról. Az alábbi képen látható a spektrum, ami tartalmazza az összes létező elektromágneses sugárzást.

Ahogy láthatjuk, a látható spektrum – a fény, amit a szemünkkel észlelhetünk – csak nagyon kis részét teszi ki a létező sugárzástípusoknak. A látható spektrum jobb oldalán kisebb frekvenciájú (és így nagyobb hullámhosszú) sugárzások találhatóak. Ezek az infravörös (IR) (a meleg testek által kibocsátott hőhullámok), a mikrohullámú és a rádióhullámok. Ezek a sugárzások folyamatosan körbevesznek bennünket, de nem ártalmasak, mivel a frekvenciájuk nagyon kicsi. Ahogy „A foton” részben látni fogjuk, a kisebb frekvenciájú hullámok kisebb energiájúak, így nem jelentenek veszélyt az egészségünkre.

A látható spektrum bal oldalán az ultraibolya- (UV), a Röntgen- és a gamma-sugarak találhatóak. Ezek a sugárzástípusok a rendkívül nagy frekvenciájuk (és így nagy energiájuk) miatt ártalmasak az élő szervezetekre. Ezért használunk naptejet a strandon (hogy védekezzünk a nap UV-sugarai ellen), és a röntgenasszisztens ezért ad ránk ólomköpenyt, hogy megakadályozza, hogy a röntgensugarak a vizsgált testrészen kívül is a testünkbe hatoljanak. A legveszélyesebbek a gamma-sugarak, mivel ezeknek a legnagyobb az energiájuk és frekvenciájuk. Azonban szerencsére a légkör elnyeli az űrből érkező gamma-sugarakat, így megvéd bennünket a bajtól.

A következő részben a hullámok frekvenciája és energiája közötti kapcsolatról lesz szó.

Arról már volt szó, hogy a fény hullámként hogyan terjed a térben. Ez már elég régóta ismert; a holland fizikus, Christiaan Huygens írta le elsőként a fény hullámtermészetét már a tizenhetedik század végén. Kb. $200$‍ évvel Huygens után a fizikusok azt feltételezték, hogy a fényhullámok és az anyagok teljesen eltérnek egymástól. A klasszikus fizika szerint az anyag részecskékből áll, amelyeknek tömege van, és térbeli helyzetük meghatározható. A fényhullámokat ugyanakkor úgy tekintik, hogy nincs tömegük, és a térbeli helyzetük nem határozható meg. Mivel a tudósok úgy gondolták, hogy két külön csoportba tartozik a fény és az anyag, nem igazán értették a köztük fellépő kölcsönhatást. Ez azonban mind megváltozott $1900$‍-ban, amikor Max Planck fizikus a feketetesteket – olyan testeket, amelyeket addig melegítünk, mígnem izzani nem kezdenek – nem kezdte el vizsgálni.

Planck felismerte, hogy a feketetestek által kibocsátott elektromágneses sugárzás nem értelmezhető a klasszikus fizikával, amely szerint az anyagok bármennyi elektromos sugárzást elnyelhetnek vagy kibocsájthatnak. Planck megfigyelte, hogy az anyagok valójában csak a $h\nu$‍ érték egész számú többszöröseit nyelhetik el, vagy bocsáthatják ki, ahol $h$‍ a Planck állandó, $\mathrm{6,626}\cdot {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍, és $\nu$‍ az elnyelt vagy kibocsátott fény frekvenciája. Ez megdöbbentő felfedezés volt, mivel ellentmondott annak az elképzelésnek, hogy az energia folytonos, és bármilyen mennyiség átadható. Az a tény, amit Planck felfedezett, hogy az energia nem folytonos, hanem kvantált, azt jelenti, hogy csak egyesével, $h\nu$‍ „csomagokban” adható át. Minden egyes ilyen energiacsomagot kvantumnak nevezünk.

Bár lehet, hogy így nem teljesen érthető, azonban ismerünk már kvantált rendszereket. A napi szinten használt pénz is kvantált. Például ha a görögországi nyaralásod alatt boltba mégy, nem látsz egyetlen olyan terméket sem, amelynek 1 euró és két és fél cent az ára $(\mathrm{1,025}\text{€})$‍. Azért nem, mert a legkisebb fizetőeszköz a cent – nem lehet ettől kisebb mennyiségű pénzt átadni. Ahogy nem tudsz a bolt pénztáránál fél centet fizetni, úgy nem lehet egy kvantumnál kisebb energiát átadni. A kvantumot az elektromágneses energia centjének tekinthetjük – a legkisebb átadható energiaegységnek.

Planck azon felfedezése, hogy az elektromágneses sugárzás kvantált, örökre eltörölte azt az elméletet, hogy a fény csak hullámként viselkedhet. Úgy tűnt, hogy valójában hullám- és részecskeszerű tulajdonsága is van.

Planck felfedezése megalapozta az utat a foton felfedezéséhez. A foton a fény elemi részecskéje vagy kvantumja. Ahogy hamarosan látni fogjuk, az atomok és molekulák fotont abszorbeálhatnak (nyelhetnek el), vagy emittálhatnak (bocsáthatnak ki). Ha egy foton abszorbeálódik, akkor az energiája átkerül arra az atomra vagy molekulára. Mivel az energia kvantált, a foton teljes energiája átadódik (ne feledd, hogy nem tudjuk a kvantumnak csak egy részét átadni, mert a kvantum a legkisebb lehetséges „energiacsomag”). A folyamat ellenkezője is igaz. Ha egy atom vagy molekula energiát veszít, fotont bocsát ki, amelynek az energiája pontosan megegyezik az atom vagy molekula energiavesztésével. Ez az energiaváltozás egyenesen arányos a kibocsátott vagy elnyelt foton frekvenciájával. Ezt az összefüggést Planck ismert képlete adja meg:

ahol $E$‍ az elnyelt vagy kibocsátott foton energiája (Joule-ban, $\text{J}$‍), $\nu$‍ a foton frekvenciája (Hertzben, $\text{Hz}$‍) és $h$‍ a Planck állandó, $\mathrm{6,626}\cdot {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍.

Egy foton frekvenciája $2,0\cdot {10}^{24}\text{ Hz}$‍.

Először alkalmazzuk a Planck-egyenletet.

A következő lépésben behelyettesítjük a frekvenciát és a Planck-állandót ($h$‍), és megoldjuk az egyenletet.

(Segítség: ne feledd, mit tanultál a hullámhossz és a frekvencia közötti kapcsolatról.)

Az elektromágneses sugárzás jellemezhető az amplitúdóval, a hullámhosszal, a frekvenciával és a periódusidővel. Az $E=h\nu$‍ egyenletből láttuk, hogy a fény frekvenciája hogyan aránylik az energiájához. A huszadik század elején az energia kvantáltságának felfedezése vezetett ahhoz a felismeréshez, hogy a fény nem csak hullámként, hanem részecskék, ún. fotonok csoportjaként is leírható. A fotonok energiája meghatározott, amit kvantumnak nevezünk. Ez az energia átkerülhet az atomokra vagy molekulákra, amikor elnyelik a fotonokat. Az atomok és molekulák fotonok kibocsátásával energiát is veszíthetnek.