Yorugʻlik: elektromagnit toʻlqinlar, elektromagnit spektri va fotonlar

Elektromagnit nurlanish energiya fazoda tarqalishining koʻplab yoʻllaridan biridir. Yonayotgan olovning issiqligi, quyosh nuri, doktorlar qoʻllaydigan rentgen nurlari, shu bilan birga, mikrotoʻlqinli pechda ovqat pishirish uchun ishlatiladigan energiya – bularning barchasi elektromagnit nurlanishning turlaridir. Ushbu energiya turlari bir-biridan ancha farq qilishi mumkin boʻlsa-da, ularning hammasi toʻlqin xususiyatlariga egaligi bilan bir-biriga bogʻliq.

Agar siz oldin ummonda suzgan boʻlsangiz, allaqachon toʻlqinlar bilan tanishsiz. Toʻlqinlar – maʼlum bir fizik muhitda yoki maydonda tebranish yoki titrashning tarqalishi. Okeandagi toʻlqinning koʻtarilishi va undan keyingi pasayishi bu shunchaki okean yuzasidagi suvning tebranishi va titrashidir. Elektromagnit toʻlqinlar oʻxshash, ammo ular bir-biriga perpendikulyar tebranadigan $2$‍ ta toʻlqindan iboratligi bilan ham ajralib turadi. Toʻlqinlardan biri tebranuvchi magnit maydon; ikkinchisi tebranuvchi elektr maydon. Buni quyidagicha tasavvur qilish mumkin:

Elektromagnit nurlanish nimaligi haqida asosiy tushunchaga ega boʻlish yaxshi boʻlsa-da, koʻpgina kimyogarlar ushbu turdagi energiya ortidagi fizikaga unchalik qiziqishmaydi va ularni ushbu toʻlqinlarning materiya bilan oʻzaro taʼsiri koʻproq qiziqtiradi. Aniqroq aytganda, kimyogarlar elektromagnit nurlanishning turli shakllari atomlar va molekulalar bilan oʻzaro qanday taʼsirlashishini oʻrganadilar. Ushbu oʻzaro taʼsirlardan kimyogar molekulaning tuzilishi va tarkibidagi kimyoviy bogʻlanish turlari haqida maʼlumot olishi mumkin. Ammo bu haqda gapirishdan oldin yorugʻlik toʻlqinlarining fizik xususiyatlari haqida biroz soʻz yuritishimiz kerak.

Siz oldin bilganingizdek, toʻlqin chuqurlik (eng pastki nuqta) va doʻnglikka (eng yuqori nuqta) ega. Doʻnglik uchi bilan toʻlqinning markaziy oʻqi orasidagi vertikal masofa toʻlqin amplitudasi deb ataladi. Bu toʻlqinning yorqinligi yoki intensivligi bilan bogʻliq xususiyatdir. Ikki ketma-ket chuqurlik yoki doʻnglik orasidagi gorizontal masofa toʻlqin uzunligi deyiladi. Ushbu kattaliklar quyidagicha ifodalanadi:

Yodda tutingki, baʼzi bir toʻlqinlar (jumladan, elektromagnit toʻlqinlar) ham fazoda tebranadi va shuning uchun ular vaqt oʻtishi bilan belgilangan joyni tebratadi. Toʻlqinning tebranish chastotasi deb nomlanuvchi kattalik har bir sekundda fazodagi maʼlum bir nuqtadan oʻtib ketadigan toʻlqinlarning sonini anglatadi; chastotaning SI birligi – gers $(\text{Hz})$‍, bu “bir taqsim sekund”ga teng $($‍ ${\displaystyle \frac{1}{\text{s}}}$‍ yoki ${\text{s}}^{-1}$‍ kabi yoziladi$)$‍. Siz tasavvur qilganingizdek, toʻlqin uzunligi va chastota teskari proporsionaldir, yaʼni toʻlqin uzunligi qanchalik qisqa boʻlsa, chastota shuncha yuqori boʻladi va aksincha. Bu bogʻlanish quyidagi tenglama orqali berilgan:

bu yerda $\lambda$‍ (yunoncha lambda) toʻlqin uzunligi (metrda, $\text{m}$‍) va $\nu$‍ (yunoncha nyu) chastota (Gertsda, $\text{Hz}$‍). Ularning koʻpaytma oʻzgarmas $c$‍ yorugʻlik tezligi boʻlib, qiymati $3\text{,}00\times {10}^8\text{ m/s}$‍ ga teng. Bu munosabatlar muhim bir haqiqatni aks ettiradi: toʻlqin uzunligi yoki chastotasidan qatʼi nazar, barcha elektromagnit toʻlqinlar yorugʻlik tezligida harakatlanadi.

Chastota va toʻlqin uzunligi orasidagi bogʻliqlikni koʻrsatish uchun bir misolni koʻrib chiqaylik.

Elektromagnit nurlanishning maʼlum bir toʻlqini $1\text{,}5\times {10}^{14}\text{ Hz}$‍ chastotaga ega.

Biz chastota, toʻlqin uzunligi va yorugʻlik tezligini oʻzaro bogʻlovchi tenglamadan boshlaymiz.

Keyin toʻlqin uzunligini hisoblovchi tenglamani hosil qilamiz.

Nihoyat, biz berilgan qiymatlarni formulaga qoʻyamiz va yechamiz.

Biz koʻrib chiqadigan oxirgi kattalik – tebranish davri. Tebranish davri bir toʻlqin uzunligining fazoda berilgan nuqtadan oʻtishi uchun ketadigan vaqt davomiyligidir. Matematik jihatdan, tebranish davri ($T$‍) shunchaki toʻlqin chastotasiga ($f$‍) oʻzaro teskari kattalikdir:

Davrning birligi sekund ($\text{s}$‍).

Biz toʻlqinlarning baʼzi bir asosiy xususiyatlari haqida tushunchaga ega boʻldik, endi esa elektromagnit nurlanishning turli xil tiplarini koʻrib chiqamiz.

Elektromagnit toʻlqinlar turli xil toʻlqin uzunliklari yoki chastotalariga koʻra tasniflanishi mumkin; bu tasniflanish elektromagnit spektr sifatida tanilgan. Quyidagi jadval bizga koinotimizda mavjud boʻlgan barcha turdagi elektromagnit nurlanishlardan iborat spektrni koʻrsatadi.

Guvohi boʻlib turganimizdek, koʻrinadigan spektr, yaʼni koʻzimiz bilan koʻradigan yorugʻlik mavjud boʻlgan har xil nurlanishlarning juda oz qismini tashkil etadi. Koʻrinadigan spektrning oʻng tomonida, koʻrinadigan yorugʻlikka qaraganda pastroq chastotadagi (va uzunroq toʻlqin uzunlikdagi) toʻlqin energiya turlarini topamiz. Ushbu toʻlqin energiya turlariga infraqizil (IQ) nurlar (issiq jismlardan tarqalgan issiqlik toʻlqinlari), mikrotoʻlqinlar va radiotoʻlqinlar kiradi. Bu turdagi nurlanish bizni doimo oʻrab turadi va zararli emas, chunki ularning chastotalari juda past. Buni biz hali “foton” boʻlimida koʻrib chiqamiz, past chastotali toʻlqinlar kamroq energiyaga ega boʻladi va shu sababli bizning sogʻligʻimiz uchun xavf tugʻdirmaydi.

Koʻrinadigan spektrning chap tomonida ultrabinafsha (UB), rentgen va gamma nurlari mavjud. Ushbu turdagi nurlanish juda yuqori chastotaga (shuningdek, yuqori energiyaga) egaligi bois tirik organizmlar uchun zararli hisoblanadi. Aynan shuning uchun biz plyajda quyoshdan himoyalovchi losyon suramiz (quyoshning ultrabinafsha nurlarini toʻsish uchun) va rentgen nurlari mutaxassisi rentgen nurlari tanamizning tasvirlanadigan sohasidan boshqa joylariga tushmasligi uchun bizning ustimizdan qoʻrgʻoshin qalqonini joylashtiradi. Gamma nurlari eng yuqori chastota va energiyaga ega boʻlib, eng koʻp zarar yetkazadi. Yaxshiyamki, atmosferamiz kosmosdan kelayotgan gamma nurlarini yutadi va bizni zararlanishdan himoya qiladi.

Navbatdagi boʻlimda toʻlqin chastotasi va uning energiyasi oʻrtasidagi bogʻliqlik haqida gaplashamiz.

Biz yorugʻlik fazodan qanday qilib toʻlqin kabi harakatlanishini tasvirlab berdik. Bu anchadan beri maʼlum edi; aslida, golland fizigi Kristian Gyugens dastlab yorugʻlikning toʻlqin tabiatini XVII asr oxirlarida tasvirlab bergan. Gyugensdan 200 yil oʻtgach, fiziklar yorugʻlik toʻlqinlari va materiya bir-biridan ancha farq qiladi deb taxmin qilishdi. Klassik fizikaga koʻra, materiya massaga ega boʻlib, fazodagi vaziyatini bilish mumkin boʻlgan zarralardan iborat edi; boshqa tomondan, yorugʻlik toʻlqinlari massaga ega emas va ularning fazodagi vaziyatini aniqlab boʻlmaydi deb hisoblangan. Ular turli toifalarga kirgani sababli olimlar yorugʻlik va materiyaning oʻzaro taʼsiri toʻgʻrisida yaxshi tushunchaga ega emas edi. Ammo bularning barchasi 1900-yilga kelib fizik olim Maks Plank qora jismlarni – choʻgʻlangunga qadar qizdiriladigan jismlar – oʻrganishni boshlaganda oʻzgardi.

Plank anʼanaviy fizika tushuntirib bera olmaydigan hodisa – qora jismlardan ajraladigan elektromagnit nurlanishni aniqladi, u materiya har qanday miqdordagi elektromagnit nurlanishni yutishi yoki chiqarishi mumkinligini taxmin qildi. Plankning taʼkidlashicha, materiya aslida $h\nu$‍ ning karralisiga teng energiya yutadi yoki ajratadi, bu yerda $h$‍ – Plank doimiysi, $6\text{,}626\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍ va $\nu$‍ – yutilgan yoki ajralgan yorugʻlikning chastotasi. Bu hayratlanarli kashfiyot edi, chunki u energiya doimiy va har qanday miqdorda uzatilishi mumkin degan fikrni shubha ostiga qoʻydi. Plank kashf etgan haqiqat shundaki, energiya doimiy emas, balki miqdoriy hisoblanadi, yaʼni uni $\nu$‍ oʻlchamdagi alohida “porsiyalarda” (yoki zarralarda) oʻtkazish mumkin. Bu energiya porsiyalarining har biri kvant (koʻplikda: kvantlar) deb nomlanadi.

Garchi bu chalkash tuyulsa-da, aslida, kvant tizimlar bizga juda tanish. Masalan, kundalik hayotda ishlatadigan pullar kvantlashgan hisoblanadi. Siz doʻkonga kirganingizda, bir dollar ikki yarim sentga $(\mathrm{\$}1\text{,}025)$‍ biron-bir mahsulotni koʻrmaysiz. Chunki mumkin boʻlgan eng kichik valyuta bir sent – undan kamroq miqdordagi pulni oʻtkazish mumkin emas. Doʻkon kassiriga yarim sentni toʻlay olmasligimiz singari energiyani ham bitta kvantga qaraganda kichikroq miqdorda oʻtkazib boʻlmaydi. Biz ushbu kvantlarni elektromagnit energiyaning “sentlari” – energiya uzatilishi mumkin boʻlgan eng kichik birliklari deb tushunishimiz mumkin.

Plankning elektromagnit nurlanish kvantlanib tarqalishini kashf etishi yorugʻlik toʻlqin kabi harakat qiladi degan fikrni oʻzgartirdi. Aslida, yorugʻlik ham toʻlqin, ham zarracha xususiyatlariga ega.

Plankning kashfiyotlari fotonning kashf etilishiga yoʻl ochib berdi. Foton – bu yorugʻlikning elementar zarrasi yoki kvant. Tez orada fotonlar atomlar va molekulalar tomonidan yutilishi yoki ajralishi mumkinligi haqida koʻrib chiqamiz. Foton yutilganda uning energiyasi shu atomga yoki molekulaga oʻtadi. Energiya kvantlangani sababli fotonning butun energiyasi uzatiladi (esda tutingki, biz bir kvant fraksiyalarni oʻtkaza olmaymiz, bu energiyaning eng kichik individual miqdoridir). Ushbu jarayon teskarisiga ham oʻrinlidir. Atom yoki molekula energiya yoʻqotganda, u yoʻqotilgan energiyaga teng miqdorda foton ajratadi. Energiyaning bu oʻzgarishi ajraladigan yoki yutilgan foton chastotasiga toʻgʻridan toʻgʻri proporsionaldir. Bu munosabat Plankning mashhur tenglamasida koʻrsatib berilgan:

bu yerda $E$‍ – yutilgan yoki ajralgan foton energiyasi (joullarda $(\text{J})$‍ berilgan), $\nu$‍ – fotonning chastotasi (gerslarda $(\text{Hz})$‍ berilgan) va $h$‍ – Plank doimiysi, $6\text{,}626\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍.

Fotonning chastotasi $2\text{,}0\times {10}^{24}\text{ Hz}$‍ ga teng.

Dastlab biz Plank tenglamasini qoʻllashimiz mumkin.

Soʻng biz chastota va Plankning doimiysi, $h$‍, qiymatini qoʻyib masalani yechamiz.

(Maslahat: toʻlqin uzunligi va chastota oʻrtasidagi bogʻliqlik haqida oʻrganganlaringizni yodda saqlang.)

Elektromagnit nurlanishni uning amplitudasi (yorqinligi), toʻlqin uzunligi, chastotasi va tebranish davri bilan tavsiflash mumkin. $E=h\nu$‍ tenglamasi yordamida yorugʻlik toʻlqinining chastotasi uning energiyasiga qanday proporsional ekanini koʻrdik. XX asrning boshlarida energiya kvantlanishining aniqlanishi yorugʻlik nafaqat toʻlqin, balki foton deb nomlanuvchi zarralar toʻplami sifatida ham qaralishiga imkon berdi. Fotonlar kvant deb nomlangan diskret energiya miqdorini saqlaydi. Bu energiya fotonlar yutilganda atomlar va molekulalarga oʻtishi mumkin. Atomlar va molekulalar ham fotonlar chiqarish orqali energiyani yoʻqotishi mumkin.