Natura electromagnetica a luminii

IntroducereDupă cum am observat in anii de studiu, un subdomeniu al undelor

electromagnetice este ocupat de aşa numitele "radiaţii vizibile". In fapt este vorba despre lumină.

Deoarece în istoria fizicii optica (studiul fenomenelor legate de lumină) a ocupat - multă vreme - un loc separat, ea fiind indisolubil legată de experimente percepute prin intermediul percepţiei vizuale1 (impresiei percepute de acel instrument particular, excepţional perfecţionat de către natură, pe care îl reprezintă ochiul uman), vom insista puţin asupra acestui subiect.

Teoria lui Isaac NewtonNatura fizică a luminii a preocupat mulţi fizicieni.

Astfel pe la mijlocul secolului al XVII- lea experimentele cu lumină au condus la concluzii diferite privind natura acesteia. Una dintre cele două teorii vehiculate în lumea ştiinţifică îi aparţinea lui Isaak Newton - el reuşise să separe lumina albă în culorile sale componente şi era adeptul ipotezei că lumina este formată din particule foarte mici, care se pot mişca în vid şi în substanţă, satisfăcând legile mecanicii clasice.

Această ipoteză (cunoscută drept ipoteza corpusculară, formulată în 1704 / în tratatul numit Opticks) justifica propagarea rectilinie a luminii şi legea reflexiei (prin conservarea de energie şi de impuls mecanic) ; legea refracţiei, în forma : n=v2/v1 nu era susţinută de rezultatele experimentale iar fenomenul de dispersie era explicat prin ipoteza existenţei a două tipuri de particule, unele "roşii" şi altele "albastre", de mărimi diferite.

Teoria lui Christian HuygensPe poziţii opuse se afla teoria ondulatorie a lui Christian

Huygens, formulată în 1678 în Tratatul asupra luminii (Traité de la lumière), înaintat Academiei din Paris. Această teorie se baza pe recunoaşterea ipotezei eterului (ca mediu substanţial prin intermediul căruia se transmiteau interacţiunile) ; lumina era considerată drept fiind de natura unei unde mecanice longitudinale care se propagă prin eter. In ceea ce priveşte legea refracţiei, relaţia propusă de Huygens era : n=v1/v2.

Conform teoriei lui Newton, la trecerea luminii dintr-un mediu optic mai puţin dens la unul cu densitate mai mare, viteza luminii ar fi trebuit să crească ; din punctul de vedere al teoriei lui Huygens, această viteză ar fi trebuit să fie mai mică. Prin urmare, stabilirea experimentală a acestor viteze a devenit un element esenţial pentru recunoaşterea valabilităţii unei teorii sau a alteia ("experimentum crucis"/experiment crucial).

Ulterior mulţi alţi fizicieni au făcut nenumărate experimente, încercând să aducă argumente în favoarea unei teorii sau alteia.

Natura luminiiIn jurul anului 1800 Thomas Young, căruia i s-a alăturat

mai târziu (1817) Augustin - Jean Fresnel, au realizat experimente care studiau interferenţa luminii. Rezultatele lor erau în favoarea teoriei ondulatorii. In perioada 1820 - 1850 Dominique - Françcois Arago, Léon Foulcault şi Armand - Hippolyte Fizeau au demonstrat că viteza luminii este mai mare în aer decât în apă. Acest lucru a reprezentat o reconfirmare a teoriei ondulatorii şi a convins o mare parte din fizicieni că această teorie este cea adevărată. Totuşi, după aproximativ 100 de ani, teoria corpusculară a luminii a început să fie din nou acceptată.

Chiar înainte ca proprietăţile luminii să fie cunoscute, fizicienii au arătat că lumina este rezultatul activităţii electrice în atom (cunoaşterea electricităţii începuse să devină necesară pentru a înţelege comportamentul şi proprietăţile luminii !). In 1800 Alessandro Volta anunţa realizarea unei baterii electrice care putea produce un curent continuu. Oamenii de ştiinţă (precum Michael Faraday) au folosit această sursă pentru descoperirea de noi fenomene (cum ar fi electroliza sau capacitatea câmpurilor electrice şi magnetice de a se genera reciproc

In 1873 James Clerk Maxwell si-a publicat teoria in care formula legile de baza ale electromagnetismului ; el sublinia coincidenţa interesantă dintre viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid şi viteza luminii ; această observaţie, coroborată cu alte date experimentale, a condus la următoarele concluzii importante :

1. Viteza de propagare a luminii în vid este egală cu viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid.

2. Lumina - asemenea undelor electromagnetice - suferă fenomene de reflexie, refracţie, polarizare, interferenţă, difracţie ; legile / relaţiile care modelează asemenea fenomene sunt identice.

3. Asemenea undelor electromagnetice lumina se propagă şi în absenţa substanţei (în vid).

4. Responsabilitatea impresionării ochiului uman îi revine intensităţii câmpului electric (vezi experienţa Wiener).

5. Domeniul de lungimi de undă pentru care lumina este vizibilă este inclus în domeniul mult mai mare (infinit) al lungimilor de undă posibile pentru unda electromagnetică.

Revenind la discuţia despre natura luminii, trebuie subliniat faptul că în 1888, în timpul experimentelor făcute, Hertz a observat că lumina care cade pe un metal produce "ruperea" unei sarcini negative (efectul fotoelectric). Experimentele ulterioare au sugerat că aceste sarcini ar putea fi nişte particule.

In continuare alte experimente au arătat că electronii există şi că reprezintă elemente de bază ce intră în alcătuirea atomului. In jurul anului 1900 era deja clar că electronii liberi sunt sarcini negative şi că mişcarea acestora într-un conductor dă naştere curentului electric.

In anul 1900 fizicianul Max Plank, explicând radiaţia termică, devine iniţiatorul teoriei cuantice pe baza căreia, în anul 1905, Einstein a explicat efectul fotoelectric, afirmând că lumina este formată din particule pe care le-a numit fotoni. Fiecărui foton îi corespunde o cuantă de energie dată de relaţia E= h * v (unde ν este frecvenţa luminii iar h este constanta lui Planck).

Robert Andrews Millikan a măsurat în anul 1906 sarcina electronului - cea mai mică sarcină obţinută experimental. Trei ani mai târziu Ernest Rutherford a ajuns la concluzia că toţi atomii au un "miez" încărcat pozitiv (nucleul) - în care este concentrată cea mai mare parte din masa atomului şi care este înconjurat de electroni. In 1913 Niels Bohr a prezentat modelul atomului de hidrogen , pe baza căruia a explicat existenţa unor spectre de emisie şi absorbţie ; în acest fel s-a stabilit legătura dintre lumină şi structura atomică.

Arthur H. Compton a arătat (în 1923) că reflexia razelor X pe o ţintă poate fi explicată dacă se consideră că ele ar fi - în fapt - nişte particule. Astfel, teoria corpusculară a câştigat din ce în ce mai mult teren, fără să explice (însă) anumite fenomene ondulatorii, cum ar fi difracţia. Totuşi (în 1927) Clinton J. Davisson şi Lester H. Germer au descoperit că un fascicul de electroni poate fi difractat pe cristale. In acest fel ei au demonstrat că atât teoria corpusculară cât şi cea ondulatorie erau corecte. (Ulterior lucrările lui Heisenberg, Dirac, Louis de Broglie, au arătat că dualitatea undă - corpuscul nu este caracteristică numai luminii, ci oricărui flux de particule : electroni, protoni, etc.)

O dovadă experimentală directă în sprijinul teoriei referitoare la natura electromagnetică a luminii a fost obţinută în anul 1947, când s-a constatat că electronii acceleraţi în betatroane până la energii de ordinul MeV emit lumină.

Deoarece s-a demonstrat că lumina este un fenomen ondulator de natură electromagnetică, optica (ca domeniu de sine stătător) a fost subordonată teoriei electromagnetismului.

Studiul fenomenelor optice a cunoscut - pe parcursul timpului - trecerea prin următoarele metode :

a) optica geometrică, bazată pe noţiunea de rază de lumină, pentru care legile propagării şi formării imaginilor fac abstracţie de natura luminii ; b) optica ondulatorie, caz în care interferenţa, polarizarea, difracţia luminii sunt explicate cu instrumentele (matematice) ale electromagnetismului

(undelor electromagnetice) ; c) optica fotonică, pentru care aspectul corpuscular al undelor devine predominant (vezi efectul fotoelectric).

ConcluzieLumina (în sens clasic) desemnează gama frecvenţelor /

lungimilor de undă din spectrul electromagnetic / care pot fi recepţionate şi de către ochiul uman. Lungimile de undă corespunzătoare se plasează în domeniul nm (vezi tabelul II). Cele mai multe surse nu radiază lumină monocromatică (lumină de o singură culoare, având o frecvenţă / lungime de undă unică). Ceea ce se numeşte lumină albă este un amestec al tuturor culorilor din spectrul vizibil.