If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Agar veb-filtrlardan foydalanayotgan boʻlsangiz *.kastatic.org va *.kasandbox.org domenlariga ruxsat berilganligini tekshirib koʻring.

Asosiy kontent

Yorugʻlik: elektromagnit toʻlqinlar, elektromagnit spektri va fotonlar

Elektromagnit nurlanish va fotonlarning xossalari

Elektromagnit toʻlqinlar

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 tebranuvchi elektr maydoni (sahifaning/kompyuter ekranining tekisligida tebranuvchi) va unga perpendikulyar (bu holda sahifaning tashqarisida tebranish) magnit maydoni sifatida tasvirlanishi mumkin. Y oʻqi amplituda va X oʻqi esa fazodagi masofadir.
Elektromagnit toʻlqinlar tebranuvchi elektr maydon hamda unga perpendikulyar tebranuvchi magnit maydondan iborat. Rasm UC Davis ChemWikiʼdan olindi, CC-BY-NC-SA 3.0
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.

Toʻlqinlarning asosiy xususiyatlari: amplituda, toʻlqin uzunligi va chastota

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:
Toʻlqinning ikki oʻlchovli tasviri. Amplituda bu – uning markaziy oʻqidan (qizil chiziq bilan koʻrsatilgan) doʻnglikning uchigacha boʻlgan masofa. Toʻlqin uzunligi bu – doʻnglikdan doʻnglikkacha yoki chuqurlikdan chuqurlikkacha boʻlgan masofadir.
Toʻlqinning asosiy xususiyatlari, shuningdek, amplituda va toʻlqin uzunligi. Rasm UC Davis ChemWikiʼdan olindi, CC-BY-NC-SA 3.0.
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 left parenthesis, start text, H, z, end text, right parenthesis, bu “bir taqsim sekund”ga teng left parenthesis start fraction, 1, divided by, start text, s, end text, end fraction yoki start text, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript kabi yoziladiright parenthesis. 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:
c, equals, lambda, \nu
bu yerda lambda (yunoncha lambda) toʻlqin uzunligi (metrda, start text, m, end text) va \nu (yunoncha nyu) chastota (Gertsda, start text, H, z, end text). Ularning koʻpaytma oʻzgarmas c yorugʻlik tezligi boʻlib, qiymati 3, start text, comma, end text, 00, times, 10, start superscript, 8, end superscript, start text, space, m, slash, s, end text 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.

Misol: yorugʻlik toʻlqinining toʻlqin uzunligini hisoblash

Elektromagnit nurlanishning maʼlum bir toʻlqini 1, start text, comma, end text, 5, times, 10, start superscript, 14, end superscript, start text, space, H, z, end text chastotaga ega.
Ushbu toʻlqinning toʻlqin uzunligi nimaga teng?
Biz chastota, toʻlqin uzunligi va yorugʻlik tezligini oʻzaro bogʻlovchi tenglamadan boshlaymiz.
c, equals, lambda, \nu
Keyin toʻlqin uzunligini hisoblovchi tenglamani hosil qilamiz.
lambda, equals, start fraction, c, divided by, \nu, end fraction
Nihoyat, biz berilgan qiymatlarni formulaga qoʻyamiz va yechamiz.
lambda, equals, start fraction, 3, comma, 00, times, 10, start superscript, 8, end superscript, start fraction, start text, m, end text, divided by, start cancel, start text, s, end text, end cancel, end fraction, divided by, 1, comma, 5, times, 10, start superscript, 14, end superscript, start fraction, 1, divided by, start cancel, start text, space, s, end text, end cancel, end fraction, end fraction, equals, 2, comma, 00, times, 10, start superscript, minus, 6, end superscript, start text, space, m, end text
Qoidani tekshirish: agar yorugʻlik toʻlqinining toʻlqin uzunligi 10 marta oshirilsa, uning chastotasi qanday oʻzgaradi?

Davr

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:
T, equals, start fraction, 1, divided by, f, end fraction
Davrning birligi sekund (start text, s, end text).
Biz toʻlqinlarning baʼzi bir asosiy xususiyatlari haqida tushunchaga ega boʻldik, endi esa elektromagnit nurlanishning turli xil tiplarini koʻrib chiqamiz.

Elektromagnit spektr

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.
Elektromagnit spektr olamdagi barcha nurlanish turlarini oʻz ichiga oladi. Gamma nurlari eng yuqori chastotaga ega, radiotoʻlqinlari esa eng past. Koʻzga koʻrinadigan yorugʻlik spektrning oʻrtasidan joy olgan boʻlib, umumiy spektrning juda oz qismini tashkil etadi.
Elektromagnit spektr. Rasm UC Davis ChemWikiʼdan olindi, CC-BY-NC-SA 3.0
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.

Energiyaning kvantlanishi va yorugʻlikning ikki xil tabiati

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.
Erigan lava qora jismlar rolini oʻynaydi va juda yuqori haroratlarda oʻzidan bizga koʻrinadigan elektromagnit nurlanish chiqaradi.
Erigan lava (qora jism)dan ajralayotgan nurlanish. Rasm U.S. Geological Surveyʼdan olindi.
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, start text, comma, end text, 626, times, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text 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 left parenthesis, dollar sign, 1, start text, comma, end text, 025, right parenthesis 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.

Foton

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:
E, equals, h, \nu
bu yerda E – yutilgan yoki ajralgan foton energiyasi (joullarda left parenthesis, start text, J, end text, right parenthesis berilgan), \nu – fotonning chastotasi (gerslarda left parenthesis, start text, H, z, end text, right parenthesis berilgan) va h – Plank doimiysi, 6, start text, comma, end text, 626, times, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text.

Masala: foton energiyasini hisoblash

Fotonning chastotasi 2, start text, comma, end text, 0, times, 10, start superscript, 24, end superscript, start text, space, H, z, end text ga teng.
Ushbu fotonning energiyasi nimaga teng?
Dastlab biz Plank tenglamasini qoʻllashimiz mumkin.
E, equals, h, \nu
Soʻng biz chastota va Plankning doimiysi, h, qiymatini qoʻyib masalani yechamiz.
E, equals, left parenthesis, 6, start text, comma, end text, 626, times, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start cancel, start text, s, end text, end cancel, right parenthesis, times, left parenthesis, 2, start text, comma, end text, 0, times, 10, start superscript, 24, end superscript, start cancel, start text, space, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, end cancel, right parenthesis, equals, 1, start text, comma, end text, 3, times, 10, start superscript, minus, 9, end superscript, start text, space, J, end text
Qoidani tekshirish: sabzirang nurning toʻlqin uzunligi 590, minus, 635, start text, space, n, m, end text ga, yashil nurning toʻlqin uzunligi esa 520, minus, 560, start text, space, n, m, end text ga yaqin. Qaysi rangning yorugʻlik energiyasi kattaroq, toʻq sariq yoki yashil?
(Maslahat: toʻlqin uzunligi va chastota oʻrtasidagi bogʻliqlik haqida oʻrganganlaringizni yodda saqlang.)

Xulosa

Elektromagnit nurlanishni uning amplitudasi (yorqinligi), toʻlqin uzunligi, chastotasi va tebranish davri bilan tavsiflash mumkin. E, equals, 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.