Fizika | Középiskola » Az elektromágneses hullámok dinamikai tulajdonságai, a sugárzó anyag

Az elektromágneses hullámok dinamikai tulajdonságai; a sugárzó anyag Az elektromágneses hullám a töltésekről és áramokról leváló önállósuló mező. Az elektromágneses hullám a testekkel kölcsönhatásra képes: energiát, lendületet (impulzust) ad át nekik. Ezért az anyag egyik változatának tekinthetjük. Az energia és az impulzus megmaradásának törvénye csal úgy tartható fenn, ha a mezőnek is energiát vagy impulzust tulajdonítunk, és ezeket is hozzászámítjuk a testek energiájához és impulzusához. Az elektromágneses hullám különböző hullámhosszú formái a rádióhullámok, az optikai – és röntgenhullámok, továbbá a gamma sugárzás. 1 fényév: amit a fény légüres térben egy év alatt megtesz. (9,4605 ·1012) Az elektromágneses hullám energiája A Nap sugárzása melegíti a Földet. A fény kémiai folyamatokat is létrehoz (fotoszintézis) A kőszénben, olajban tárolt energia, amit ma fűtésre használunk, ugyancsak

évmilliárdok alatt felhalmozódott, elektromágneses hullámok formájában ideérkezett energia. A Napból átlagosan 1400 Joule energia érkezik másodpercenként a Föld felső rétegének 1 négyzetméterére. Az időegység alatt területegységen átáramló energiát a Poynting - vektor írja le: Az elektromágneses hullám impulzusa (lendülete) Ha elektromágneses hullám fémlapra, vagy más elnyelő anyagra esik, arra nyomást fejt ki, impulzust ad át neki. Jellemző adat: a Napból a Földre érkező fénysugár másodpercenként 1,27·109 kg · m/s impulzust szállít. Az elektromágneses hullám nyomása (fénynyomás) Az elektromágneses hullám nyomása az általa kifejtett erőnek és a rá merőleges felület területének hányadosa. Az erő az időegység alatt átadott impulzussal egyenlő. Az elektromágneses tömeg Az elektromágneses hullámban hordozott tömeg a következő módon határozható meg. Mivel az elektromágneses anyag c sebességgel mozog, a

mező ΔV térfogatában foglalt m tömeget a mechanikai impulzus fogalma alapján a következő összefüggéssel értelmezzük: mc = gΔV, ahol g az impulzussűrűség. Mivel Δt idő alatt az A területű felületre merőlegesen c sebességgel áramló tömeg ΔV = AcΔt térfogatban van, ezért: mc = gAcΔt. A fény terjedése különböző közegekben Maxwell elméletéből következik, hogy a fény elektromágneses hullám. Terjedési tulajdonságait az elektromágneses mező és az anyagi közegek kölcsönhatása szabja meg. Terjedési irány A fény terjedésének iránya a fénysugár egyenese. A tér adott pontján áthaladó fényhullám terjedési iránya az e pontra illeszkedő fázisfelületének normálisa. Fénysugár A fénysugár a lehető legkisebb keresztmetszetűre lehatárolt fénynyaláb, amely a lehatároló nyílás után még nem terül szét. Fényforrások A fény a legkönnyebben előállítható elektromágneses hullám. Fényt bocsátanak ki az izzó

testek (izzószál, láng), a hidegen sugárzó testek (gázkisülési csövek). Ezekben az atomok olyan állapotváltozáson mennek keresztül, amelynek eredményeképpen elektromágneses hullám hagyja el az atomot, miközben az atom energiája lecsökken. Az „önálló világító” testeket szokásos elsődleges fényforrásoknak nevezni, míg másodlagos fényforrásoknak nevezik az olyan testeket, amelyekre fény esik, és annak egy részét visszaverik. A fény hullámtermészete Ha figyelembe vesszük, hogy a fény mint transzverzális hullám terjed a térben, egész logikusan tételezték fel, hogy kell lenni valamiféle közegnek, amelyben ezek a hullámok terjednek. A feltételezett közeg volt az „éter” Ennek a különleges közegnek elég merevnek és szilárdnak kellett lennie, hogy a távoli csillagok transzverzális fényhullámait is közvetíteni tudja, ugyanakkor végtelenül ritkának is, hogy a benne mozgó bolygók és holdak nagy sebesség mellett se

szenvedjenek mérhető súrlódást. Ezeket az egymással ütköző követelményeket nem lehetett összhangba hozni. 1864-ben James Clerk Maxwell közzétett egy dolgozatot, amelyben kimutatta, hogy az elektromos és a mágneses tér kombinációja megfelelő körülmények között a térben tovaterjed, és a terjedés sebessége 3·1010 cm/sec. Ennek a számértéknek és a fény terjedési sebességének szoros egybeesését nem lehet merő véletlennek tekinteni. A legtöbb fizikus ebben annak a feltevésnek a bizonyítékát látta, hogy a fény elektromágneses hullám. Heinrich Hertz német fizikus azonban 1888-ban gyakorlatilag bizonyította Maxwell elméletét: Ha veszünk egy kondenzátort és feltöltjük, akkor valamiféle munkát kellett végeznünk. Ha keressük, hová lett ez a munka, azt találjuk, hogy a két lemez közötti elektromos térben halmozódott fel. Tegyük fel, hogy ezt a kondenzátort tekerccsel kötjük össze. A kondenzátor egyik lemezéről most a

tekercsen át áram folyik a másik lemez felé, a lemezek töltése tehát kisebb lesz, a közöttük lévő elektromos tér erőssége csökken. Az energia most abban a mágneses térben halmozódik fel, amelyet a tekercsen átfolyó áram maga körül kelt. Nincs töltéskülönbség, amely áramot tartana fenn, és ha csupán ennyi volna a jelenség, az áramnak vége lenne. A Le Chatelier – elv azonban az eredeti állapotot igyekszik fenntartani, vagyis arra törekszik, hogy az áram megmaradjon. A mágneses tér visszaadja a kapott energiát a tekercsnek, hogy benne áram induljon meg, és a kondenzátor lemezei – most már ellentétesen – újra feltöltődnek. Az elektromos áramnak ilyen oszcillációja az ingához hasonlítható. Hertz egyszerű elektromos oszcillátort, és tőle bizonyos távolságra elhelyezett, az elektromágneses hullámok vételére alkalmas egészen kezdetleges rádióvevőt használt. Ezeket a kísérleteket fejlesztette tovább Guglielmo Marconi

olasz mérnök, aki 1899-ben a La Manche – csatornán, majd 1901-ben az Atlanti – óceánon át megvalósította az első rádióösszeköttetést. A fénynyomás Kísérletileg P. Lebegyev mutatta ki A múlt század végén A kísérletnek az a lényege, hogy légritka térben felfüggesztett inga végére tükröt helyeznek, amelyet az inga lengésidejének megfelelő ütemben fényvillanásokkal világítanak meg. A tükörről visszaverődő fénysugarak az ingának impulzust adnak át, ami egy-egy felvillanás esetében kicsiny, de a lengésidővel egyező ütemű impulzusok rendre összeadódnak, s ez végül is az inga jól megfigyelhető lengését idézi elő. A fénynyomás jelensége az égbolton is megfigyelhető: az üstökösök csóvája görbe, és az üstökös testéből kiindulva a Naptól távolodó irányban elhajlik. A csóva finom porból áll, a porszemcsék pedig a napsugár fénynyomásának hatására az üstökös testéből a Naptól távolodó irányba

áramlanak. Fénynyomásnak azt a mechanikai hatást nevezzük, amelyet az elektromágneses hullámok gyakorolnak beesésükkor a felületre. A fény elektromágneses elmélete a fénynyomást azzal a mechanikai erővel magyarázza, amelyet a megvilágított felület elektronjaira a fényhullám elektromos és mágneses komponense fejt ki. A fényhullám elektromos terének hatására a töltések a felületi rétegben rezgő mozgást végeznek. A mágneses tér a töltésekre a Lorentz erővel hat, amelynek iránya megegyezik a fényhullám - Poynting vektorának irányával. A felületre merőlegesen beeső párhuzamos fénynyaláb által a felületre kifejtett nyomást a Poynting – vektor abszolút értéke határozza meg. A fény kvantumelmélete a fénynyomást azzal magyarázza, hogy a fotonok impulzust adnak át a test felületén lévő atomoknak vagy molekuláknak. A fény kémiai hatásai (fotokémiai jelenségek) A fény az őt elnyelő anyagban kémiai változást,

fotokémiai reakciót okoz. Megkülönböztetünk primer-, és szekunder reakciókat. A bonyolult molekuláknak a fény hatására egyszerűbbekre vagy alkotó atomjaikra való szétbomlását fotodisszociációnak nevezzük. A fotokémiai reakciókra fennáll az Einstein – féle ekvivalenciatörvény: minden elnyelt fénykvantum egy fotokémiai átalakulási folyamatot vált ki. A reakcióban részt vevő molekulák mennyisége összefüggésben áll az elnyelt kvantumok energiájával