Fizica pentru poeți: Partea 1 Mecanică - Ghid de studiu (R. martie)
Cum a dovedit Thomas Jung că lumina este un val
Thomas Jung, a cărui lucrare a devenit ultima "lovitură de milă" [55], în conformitate cu punctul de vedere al lui Newton, a fost un om de talente versatil. La sfârșitul carierei sale științifice, a demisionat ca profesor de filosofie naturală la Institutul Regal din Londra pentru a continua practica medicală [56]. În ultima perioadă a vieții sale, Jung a fost angajat cu entuziasm în descifrarea hieroglifelor vechi egiptene în textele de pe piatra Rosetta [57].
Experimentul pe care Jung la ales a fost legat de interferența luminii pe două fante. Cea mai simplă modalitate de a explica esența experimentului lui Jung în figură, care ne amintește de exemplul de mai sus, este "gaura din dig" (vezi Figura 7-8). Numai în acest moment imaginați o diguță cu două goluri mici, situate nu departe unul de celălalt. Valurile plane, care se lovesc de dig, vor crea în acest caz două surse sincronizate (coerente) de valuri rotunde. Valurile provenite din aceste surse vor fi suprapuse [58] unele pe altele, așa cum se arată în Fig. 7-10.
În punctul de pe țărm, care se află strict în centrul centrului podului, separând decalajele, vârful unei singure valuri se întâlnește întotdeauna cu creasta celuilalt, deoarece acest punct este echidistant de ambele goluri ale digului. Valurile de la fiecare diferență ajung simultan la acest punct, iar interferențele aici sunt de natură constructivă - se formează un val de amplitudine dublă (înălțime), adică se observă un maxim de interferență. Dacă ne mișcăm de-a lungul țărmului din acest punct, sincronizarea valurilor va fi deranjată, deoarece vom fi mai aproape de un decalaj decât de celălalt. Mergând de-a lungul coastei, vom ajunge în mod inevitabil la punctul în care vârfurile valurilor dintr-un singur gol se întâlnesc cu jgheaburi în valuri de la celălalt. Aici interferența este deconstructivă (distructivă) - undele rezultate sunt mici sau absente, adică se observă un minim de interferență. Deplasând în aceeași direcție, ajungem la punctul unde undele dintr-un spațiu mai apropiat întâlnesc valul anterior din cel mai îndepărtat. Aici, din nou, interferența este constructivă, iar valurile sunt din nou ridicate. Dacă vom continua să ne mișcăm de-a lungul țărmului, vom ajunge din nou la punctul de interferență deconstructivă și așa mai departe. Regula este foarte simplă: dacă diferența în distanțele dintre sursele de undă și punctul de observare este un număr întreg de lungimi de undă, atunci interferența este constructivă. Dacă această diferență este jumătate întreagă (adică 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, etc.), numărul de lungimi de undă, interferența este deconstructivă.
Să ne întoarcem acum la experimentul lui Jung: înlocuim dispozitivul cu un ecran opac, iar golurile în el sunt niște fante înguste în el. Pe o foaie de hârtie [59], situată la distanță de fante, se poate vedea o imagine a benzilor strălucitoare și întunecate paralele cu fante [60] (vezi Figura 7-11). Cea mai strălucitoare bandă este în centrul imaginii, iar pe fiecare latură este legată de benzi întunecate. Dacă măsuram distanța dintre benzi, atunci calculele geometrice simple ne vor permite să calculam lungimea undei luminoase. Magnitudinea se dovedește a fi fantastic de mică. lungimile undei luminoase se situează în intervalul de la 0.00007 cm (lumină roșie) până la 0.00004 cm (lumină albastră) [61]. Pentru a observa modelul de interferență, fantele din ecranul opac trebuie să fie foarte înguste și foarte apropiate una de cealaltă, iar ecranul de observare ar trebui să fie situat departe de tăieturi [62].
Ce fel de undă este lumină
Experimentul lui Young a arătat în mod convingător tuturor celor care se îndoiesc că lumina este într-adevăr de natură valurilor. Dar a rămas: întrebarea: ce este acest val? Ce fel de natură este acest val? Maxwell, [63] care a realizat prima dată relația dintre electromagnetism și lumină, a răspuns la această întrebare.
Imaginea undei electromagnetice, propusă de Maxwell, este prezentată în figura 7-12. Se bazează pe două fapte descoperite de Faraday [64]: 1) - când un câmp electric se schimbă, apare un câmp magnetic și 2) un câmp magnetic emergent perpendicular pe câmpul electric. Legătura dintre câmpurile electrice și cele magnetice este reciprocă: un câmp magnetic în schimbare creează și un câmp electric perpendicular pe el însuși.
Fără a mai întreba cum poate să apară o astfel de combinație specifică de câmpuri, este clar că imaginea prezentată în Fig. 7-12, este fără sfârșit. Într-adevăr, un câmp electric în schimbare creează un câmp magnetic, care, pe măsură ce se schimbă, creează un câmp electric. Procesul continuă în mod arbitrar lung și, ca rezultat, undele electromagnetice se deplasează într-o direcție perpendiculară pe direcția ambelor câmpuri.
Să ne întoarcem acum la întrebarea cum apare această combinație specială de câmpuri care este prezentată în Fig. 7-11. Acest lucru este evident din legile electricității și magnetismului. Să presupunem că încărcătura electrică face o mișcare regulată, repetitivă. Aceasta poate fi o mișcare într-un cerc și o oscilație de încărcare simplă, "înapoi înainte", în apropierea poziției de echilibru. În ambele cazuri, câmpurile electrice și magnetice sunt generate în jurul încărcăturii, deoarece încărcarea este în mișcare. Ambele câmpuri se schimbă în mod constant, deoarece poziția încărcării în spațiu se schimbă în mod constant, iar intensitatea câmpului ("intensitatea câmpului") depinde de distanța. Astfel, orice obiect care emite lumina trebuie să conțină încărcări electrice oscilante foarte rapid, deoarece frecvențele undelor luminoase se situează în intervalul de 1014 Hz, adică 100 de miliarde de vibrații pe secundă!
Hertz a creat oscilații electrice puternice în circuitul electric (circuit). Într-un alt circuit, amplasat în același laborator la o distanță de câțiva metri și fără surse de energie electrică, au apărut oscilații electrice de aceeași frecvență. Frecvențele de oscilație ar putea fi ușor măsurate; și experimentele simple de interferență au făcut posibilă determinarea lungimii de undă. Viteza de propagare a undelor electromagnetice, calculată prin formula (7.1), coincide cu viteza luminii! După experimentele lui Hertz, puțini s-ar putea îndoi că Maxwell avea dreptate. "Valurile lui Hertz" [65], a devenit în secolul al XX-lea baza de radio și telecomunicații moderne.
Curând după lucrarea lui Hertz, au fost detectate raze X [66]. Sa dovedit că acestea sunt și valuri electromagnetice, dar cu frecvențe de aproximativ o mie de ori mai mari decâtólishih decât cea a luminii vizibile. Mai târziu a fost descoperit și # 947; - radiațiile emise de substanțe radioactive. Din nou sa dovedit că acestea erau și valuri electromagnetice, dar cu încă un altulólshimi (chiar de mii de ori!) Frecvențe.
În tehnologia și tehnologia modernă, undele electromagnetice de aproape toate frecvențele sunt utilizate. Teoria Maxwellian a electromagnetismului este. probabil, cel mai frapant exemplu al modului în care o teorie științifică "pură" conduce la rezultate practice, la care, probabil, cercetătorii nu s-ar fi întâlnit niciodată. în căutarea aleatorie.
| | Cuprins
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: