Περί φυσικής του φωτός Πρωί στα Λευκά Όρη Εμμ. Β. Δρακάκης

που αναιρεί την Ελλάδα μες στα μεσημέρια, … «…το ίδιο αυτό φως, το αστραφταβόλο, το καταιγιστικό, που αναιρεί την Ελλάδα μες στα μεσημέρια, την αποκαθιστά πάλι το ηλιοβασίλεμα κάτω από τα φαντασμαγορικά πυροτεχνήματα του δειλινού και αργότερα κάτω από την τρυφερή παρουσία της Σελήνης.» Οδυσσέας Ελύτης «Εν λευκώ».

«Εμπεδοκής έλεγεν απορρέον το φως, σώμα ον, εκ του φωτίζοντος σώματος…» «Ο Επμεδοκλής έλεγε ότι το φως, είναι κάτι το σωματικό, που απορρέει από το φωτίζον σώμα…» ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ

Τον 17ο αιώνα , αρχίζει να γράφεται το κεφάλαιο της Φυσικής για το Φως. Ο δρόμος από τότε μέχρι σήμερα ήταν μακρύς, «γεμάτος περιπέτειες , γεμάτος γνώσεις» , κατά πως λέει ο Καβάφης.

Τον 17 αιώνα ήταν γνωστά μερικά φαινόμενα που έχουν σχέση με το φως. Όπως η ανάκλαση ,

η ευθύγραμμη διάδοσή του ,

και η διάθλαση , δηλαδή , η αλλαγή της πορείας του φωτός , όταν αυτό αλλάζει μέσο διάδοσης.

Αν δείτε δυο ήλιους κατά τη δύση , στη διάθλαση οφείλεται!

Γνώριζαν ακόμη ότι , το φως μεταφέρει ενέργεια.

Ήταν και η αρχαία φήμη ότι ο Αρχιμήδης , πυρπολούσε τα πλοία των Ρωμαίων ρίχνοντας πάνω τους με καθρέπτες το φως του Ήλιου…

Η πρώτη σελίδα του κεφαλαίου για το Φως, θα γραφτεί από τον Ολλανδό Μαθηματικό , Φυσικό και Αστρονόμο Κρίστιαν Χώυχενς που το 1690, δημοσιεύει το έργο «Πραγματεία για το φως», στο οποίο μας λέει ότι το φως είναι κύμα ( κυματική φύση του φωτός), και εξηγεί, τα φαινόμενα της ανάκλασης και της διάθλασης.

Η πιο πρόσφατη σελίδα , υπογράφεται από τον Άλμπερτ Η πιο πρόσφατη σελίδα , υπογράφεται από τον Άλμπερτ. Αϊνστάιν , που διατυπώνει στα 1916 την πρόβλεψη για την καμπύλωση των αχτίνων του φωτός , όταν περνά κοντά από σώματα που του ασκούν ισχυρή βαρυτική έλξη.

Ανάμεσα στον Χώυχενς και στον Αϊνστάιν πρώτος παρεμβάλλεται ο Ισαάκ Νεύτων με το έργο του “OPTICS” που εκδόθηκε πρώτη φορά το 1704 , και μας λέει ανάμεσα σε άλλα ,ότι το φως είναι σωματίδια ( σωματιδιακή φύση του φωτός) , που ξεκινούν από την πηγή τους και φτάνοντας στα μάτια μας, διεγείρουν την όραση.

Η άποψη του Νεύτωνα , σε συνδυασμό με τους νόμους της μηχανικής που είχε διατυπώσει πρωτύτερα , έγινε αποδεκτή και κυριάρχησε για δύο αιώνες περίπου , ώσπου…

ένα νέο φαινόμενο θα παρατηρηθεί και θα εγείρει αμφισβητήσεις… Η περίθλαση του φωτός ! Το φως, όταν περνά από μια μικρή οπή , απλώνεται στον χώρο σαν να εκπέμπεται από την ίδια την οπή!

όπως απλώνεται το κύμα της θάλασσας, μετά το πέρασμά του ανάμεσα απ’ τα βράχια.

Το αποτέλεσμα πάνω σε μια επίπεδη οθόνη , αυτό που βλέπουμε στην εικόνα. Δηλαδή ,μια διαδοχή φωτεινών και σκοτεινών περιοχών. Η σωματιδιακή θεώρηση του Νεύτωνα δεν μπόρεσε να ερμηνεύσει το φαινόμενο. Σωματίδια , δεν θα μπορούσαν να απλωθούν έτσι. Η κυματική αντίληψη έρχεται ξανά στο προσκήνιο , και ερμηνεύει τις παρατηρήσεις !

Προσέξετε στην αριστερή φωτογραφία, τη μικρή σχισμή ( σαν μισή οπή ) στο σημείο που δείχνει το βέλος. Στη δεξιά φωτογραφία , η περίθλαση του ηλιακού φωτός στην ίδια σχισμή.

Στα τέλη του 19ου αιώνα , ένας ακόμη σπουδαίος επιστήμονας θα κάμει την εμφάνισή του. Ο Τζαίημς Κλερκ Μάξγουελ. Εξ’ αιτίας του, η κυματική θεωρία του φωτός, θα γνωρίσει τον θρίαμβο!

Σύμφωνα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Μάξγουελ : Ένα ηλεκτρικό φορτίου που ταλαντώνεται ή γενικά επιταχύνεται, παράγει ηλεκτρομαγνητικό κύμα ( Η/Μ) Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα , αποτελείται από ένα ηλεκτρικό κι ένα μαγνητικό πεδίο , που συνυπάρχουν στον ίδιο χώρο.

Η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Μάξγουελ: Ερμηνεύει όλα τα τότε γνωστά φαινόμενα . Δεν αναφέρεται μόνο στο φως, αλλά και σε όλες τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες στις οποίες θεωρεί ότι ανήκει και το φως. η έννοια ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΚΥΜΑ αναφέρεται στη μορφή της διάδοσης, ενώ η έννοια ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ εστιάζει στο ζήτημα της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ που μεταβιβάζεται.

Οι εντάσεις Ε και Β των πεδίων : είναι διανύσματα κάθετα μεταξύ τους, μεταβάλλονται από θέση σε θέση και από στιγμή σε στιγμή (τοπικά και χρονικά μεταβαλλόμενα μεγέθη) παίρνουν ταυτόχρονα τη μέγιστη και ελάχιστη τιμή τους, δηλαδή είναι συμφασικά. Τα Η/Μ κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός c. Στο κενό είναι c = 300.000 Km/s

Η ταχύτητα διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος c η συχνότητα f και το μήκος κύματος λ συνδέονται με τη σχέση: c = λ.f Θεμελιώδης εξίσωση της κυματικής Οι εντάσεις Ε και Β των πεδίων , είναι κάθετες στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, δηλαδή τα Η/Μ κύματα είναι εγκάρσια. Ένα Η/Μ κύμα , μεταφέρει ενέργεια ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου.

Εφτά έτη μετά το θάνατο του Μάξγουελ, ο Γερμανός Φυσικός Heinrich Rudolf Hertz θα κατασκευάσει την πρώτη κεραία

από την οποία θα απλωθούν στο χώρο τα πρώτα Η/Μ κύματα , με αποτέλεσμα : να επαληθευτεί η θεωρία του Μάξγουελ και , να μπει η ανθρωπότητα στην εποχή των τηλεπικοινωνιών που ζούμε σήμερα.

Όμως η αυγή του 20ου αιώνα , θα συνοδευτεί από δυο νέα φαινόμενα, τα οποία δεν μπορούσε να ερμηνεύσει η θεωρία του Mάξγουελ: Την ακτινοβολία του μέλανος σώματος ( και « θερμών σωμάτων») και Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Φως ορισμένης συχνότητας πέφτοντας πάνω σε μέταλλο ελευθερώνει ηλεκτρόνια!

Προς το τέλος του έτους 1900, ο Γερμανός Φυσικός Μαξ Πλάνκ, ανακοινώνει τη δική του ιδέα, σύμφωνα με την οποία , η ενέργεια που εκπέμπει ένα μέλαν (θερμό) σώμα, μπορεί να πάρει μόνο διακριτές τιμές. Η ιδέα του Πλάνκ, ήταν ριζικά αντίθετη της θεωρίας του Μάξγουελ που δεχόταν συνεχή την ενέργεια κι όχι διακριτή (κβαντισμένη). Μια νέα θεωρία γεννιέται. Η κβαντική θεωρία!

Όταν μια ποσότητα είναι κβαντισμένη, σημαίνει ότι παίρνει μόνο τιμές που είναι ακέραια πολλαπλάσια μιας ελάχιστης τιμής, του κβάντου. Παραδείγματα κβαντισμένων ποσοτήτων: Το ηλεκτρικό φορτίο είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου e = 1,6x10-19 C. Μια εικόνα στην οθόνη υπολογιστή αποτελείται από έναν ακέραιο αριθμό στοιχειωδών εικονοστοιχείων (pixel). Δηλαδή, το κβάντο μιας εικόνας είναι το εικονοστοιχείο.

Η κβαντική θεωρία μας λέει ότι Το φως εκπέμπεται ή απορροφάται από τα άτομα της ύλης, όχι κατά συνεχή τρόπο αλλά ασυνεχώς. Δηλαδή κάθε άτομο, όταν εκπέμπει ή απορροφά φωτεινή ενέργεια, αυτή αποτελείται από στοιχειώδη πακέτα ενέργειας. Τα στοιχειώδη αυτά πακέτα ενέργειας, ονομάζονται κβάντα φωτός ή φωτόνια από το λατινικό quantum που σημαίνει ποσό Κάθε φωτόνιο μιας ακτινοβολίας έχει ενέργεια Ε που δίνεται από τη σχέση: Ε = h.f Όπου h μια σταθερά, που ονομάζεται σταθερά του Planck ( h = 6,63 x 10-34 Js) και f η συχνότητα της ακτινοβολίας.

Στην ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινόμενου, ο Άλπερτ Αϊνστάιν θα ανέβει στη σκηνή δυναμικά , και θα παραμείνει για πάντα!

Το 1905 σε μία από τις τρεις εργασίες του που δημοσιεύονται στο Annalen der Physik, ο Αϊνστάιν μας λέει ότι το φως, όπως και κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, έχει και σωματιδιακό και κυματικό χαρακτήρα.

Σχετικά με τη σωματιδιακή φύση του φωτός υποστηρίζει ότι : καθένα από τα αόρατα σωματίδια του φωτός, έχει ενέργεια ίση με την ενέργεια ενός κβάντου, για την οποία είχε μιλήσει ο Μαξ Πλάνκ. Τα σωματίδια αυτά , θα ονομαστούν φωτόνια. Ερμηνεύει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και

αποδεικνύοντας ότι, κάθε φωτόνιο του φωτός που πέφτει πάνω στη μεταλλική επιφάνεια, ελευθερώνει από ένα ηλεκτρόνιο προσφέροντάς του όλη την ενέργεια που έχει το ίδιο, για να βγει στο έξω κόσμο…

Θα τιμηθεί γιαυτό με το βραβείο Νόμπελ το 1921.

Έχουμε Φτάσει σήμερα στην Ιθάκη του φωτός; Τι είναι τελικά το φως ; Σωμάτιο ή κύμα;

Μέχρι να παρουσιαστούν νέα φαινόμενα , που θα μετακινήσουν τη θέση της Ιθάκης, και θα μας οδηγήσουν σε νέες περιπέτειες μαγικές κι ονειρεμένες, αποδεχόμαστε τη σημερινή άποψη που λέει ότι: Tο φως έχει διπλή φύση, συμπεριφέρεται ως κύμα και ως φωτόνιο. Ταξιδεύει ως κύμα, και εκπέμπεται ή απορροφάται ως φωτόνιο. Η κυματική φύση του φωτός εμφανίζεται στα φαινόμενα συμβολή, περίθλαση και πόλωση. Η σωματιδιακή φύση του φωτός, εμφανίζεται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ένα βίντεο για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ΕΔΩ Ένα βίντεο για την περίθλαση σε σχισμή και τη συμβολή του φωτός ΕΔΏ Οι μουσικές που ακούγονται κατά σειρά είναι : Του Γιάν. Μαρκόπουλου από τα «Ριζίτικα» Του Μιχ. Νικολούδη από την «Αιολία» Του F. Sinatra το “My way”

Τέλος