Lumina - unda electromagnetica

download Lumina - unda electromagnetica

of 18

Transcript of Lumina - unda electromagnetica

Lumina unda electromagnetica

2

Conceptul de undaConceptul de unda ne este foarte familiar. Daca dam drumul unei pietre intr-o apa statatoare, notam ca in jurul punctului unde a cazut piatra apar niste valuri circulare care cu timpul ajung la malul apei.

Miscarea unei unde se reprezinta printr-o linie sinusoidala (Fig. 1) unde pe axa ordonatelor este reprezentata amplitudinea undei iar pe axa absciselor timpul de propagare al fenomenului.

Lumina unda electromagnetica

3

Parametrii ce caracterizeaza o unda sunt: Lungimea de unda, notata cu , corespunde distantei dintre doua creste de unda. Amplitudinea, notata cu A, reprezinta inaltimea maxima a crestei fata de o linie de baza. Frecventa, notata cu , indica numarul de unde ce trec printr-un punct in unitatea de timp. Relatia dintre frecventa si lungimea de unda e data de:

v= unde v reprezinta viteza de propagare a undelor.

Lumina unda electromagnetica

4

Lumina ca undaPrin lumina se intelege radiatiile luminoase ce pot fi percepute de ochiul uman. Cea mai importanta sursa de lumina este soarele; sursele artificiale, precum becurile, sunt constituite aproape intotdeauna dintr-un corp incandescent. Conform teoriei ondulatorii, propagarea luminii in spatiu se face prin intermediul undelor. Lungimea de unda si frecventa undelor luminoase sunt definite analog pentru orice tip de unda.

Lumina unda electromagnetica

5

Conform acestei teorii, produsul dintre lungimea de unda si frecventa este egal cu viteza luminii ce se noteaza cu c.

de unde rezulta

Aceasta relatie ne arata ca frecventa si lungimea de unda sunt invers proportionale. Radiatiile luminoase de diferite lungimi de unda sunt percepute de ochiul nostru sub forma de lumini de culori diferite. De exemplu o radiatie cu lungimea de unda de 650 nm este perceputa ca lumina rosie in timp ce O radiatie cu lungimea de unda de 410 nm este perceputa ca lumina de culoare violet (Tab. 1). O radiatie luminoasa constituita dintr-o singura culoare se numeste monocromatica. Lumina alba, de exemplu cea produsa de catre soare sau de catre un filament incandescent al unui bec, e constituita dintr-o amestecatura de culori, motiv pentru care se numeste radiatie policromatica. Aceasta rezulta din mai multe radiatii de diferite lungimi de unda.

Lumina unda electromagnetica

6

Dispersia luminiiPentru a individua culorile ce constituie lumina alba, se trece lumina printr-un panou cu o fanta subtire orientat spre suprafata laterala a unei prisme triunghiulare de sticla. Razele rezultante se observa pe un ecran. Pe ecran nu vom vedea o singura linie luminoasa ci un grup de culori consecutive. Deducem ca lumina alba e o amestecatura de culori pe care prisma nu face decat sa le separe. Fenomenul despre care s-a vorbit se numeste dispersia luminii.

Lumina unda electromagnetica

7

Explicatia fenomenului de dispersie consta in faptul ca fiecare culoare ce constituie lumina alba sufera, in contact cu fiecare suprafata a prismei, o refractie ce o deviaza spre baza prismei; deasemenea fiecare culoare sufera o deviere diferita. Culoarea rosie este deviata cel mai putin, in timp ce culoarea violet sufera deviatia cea mai mare. Grupul de linii colorate de pe ecran se numeste spectru continuu. Curcubeul este un spectru continuu ce se formeaza in urma dispersiei luminii in picaturile de apa prezente in atmosfera. In figura de mai jos este reprezentata scara frecventelor si a lungimilor de unda a undelor electromagnetice (spectrul electromagnetic) de la undele radio la razele . Lumina vizibila, dupa cum se observa, reprezinta doar o mica parte din spectrul undelor electromagnetice.

Lumina unda electromagnetica

8

Difractia luminiiTeoria naturii ondulatorii a luminii gaseste o confirmare experimentala in fenomenele de difractie. Difractia poate fi definita ca interferenta constructiva sau distructiva a undelor de lumina.

Lumina unda electromagnetica

9

Fenomenul de difractie este evidentiat cand lumina alba ajunge pe un disc de plastic rigid pe care au fost create niste urme paralele si apropiate intre ele, ca intr-un Compact Disk (CD). Pe CD putem distinge linii colorate, zonele unde undele ajung in concordanta de faza (interferenta constructiva) si zone intunecate, unde undele ajung in discordanta de faza (interferenta distructiva). In fenomenul de difractie, lumina naturala (alba) este descompusa in culorile ce o constituie.

Lumina unda electromagnetica

10

Natura corpusculara a luminiiComportamentul luminii nu poate fi intotdeauna vazut ca o propagare de unde. Cand lumina interactioneaza cu materia dezvaluie o natura corpusculara, adica poate fi considerata ca fiind formata din granule de energie, carora Albert Einstein (18791955), in 1905 le-a dat numele de cuante de lumina sau fotoni. Fiecare cuanta are o energie ce depinde de culoarea radiatiei, adica e proportionala cu frecventa (), dupa ecuatia formulata in 1900 de catre Max Planck (1858-1947):

Considerand ca

, ecuatia devine:

Lumina unda electromagnetica

11

Cu ajutorul teoriei cuantelor de lumina Einstein a explicat efectul fotoelectric. Acest fenomen consta in emiterea de electroni de catre o suprafata metalica cand aceasta este lovita de un fascicul de lumina. Pentru fiecare metal exista o frecventa minima a luminii sub care nu poate fi emis niciun electron de catre suprafata metalica.

Efectul fotoelectric are aplicatii importante in celulele fotoelectrice, in dispozitivele folosite pentru supravegherea localurilor, la deschiderea portilor, la senzorii aparatelor fotografice automate.

Lumina unda electromagnetica

12

Modelul atomic RutherfordModelul atomic al lui Rutherford corespunde unui mic sistem solar in care nucleul cu sarcina sa pozitiva se afla in centru, iar electronii cu sarcina negativa se invart in jur pe orbite circulare (Fig. 9). Forta centrifuga datorata miscarii circulare, care ar tinde sa indeparteze electronii de nucleu, ar fi egalata de forta de atractie electrostatica existenta intre nucleu si electroni.

Lumina unda electromagnetica

13

Acest model atomic prezinta un punct slab, deoarece conform legilor fizicii clasice un corp cu sarcina electrica ce are o miscare circulara radiaza energie. Deci fiecare electron al atomului, miscandu-se in jurul nucleului ar trebui sa piarda energie si, printr-o serie de orbite sub forma de spirala sa cada in nucleu (Fig. 10). Acest lucru ar duce la concluzia ca atomii nu sunt sisteme stabile, in timp ce stabilitatea atomilor este confirmata de existenta materiei. De asemenea, aplicand electronului legile fizicii clasice, se prezinta o alta dificultate. Electronii, miscandu-se pe orbite sub forma de spirala tot mai mici, ar trebui sa emita radiatii de toate lungimile de unda posibile, adica un spectru continuu. Acest lucru e in contrast cu experienta: atomii substantelor gazoase sau atomii metalelor adusi la statul de incandescenta emit radiatii de lungime de unda definita si constanta, adica un spectru de linii.

Lumina unda electromagnetica

14

Spectrele atomice: spectrul de liniiCand se trece o descarcare electrica printr-o fiola ce contine hidrogen la presiune joasa, moleculele se desfac in atomi ce sunt excitati si emit o lumina rosie. Daca aceasta trece printr-o prisma se pot observa patru linii colorate, adica un spectru de linii. Fiecare linie corespunde unei radiatii de o anumita lungime de unda emisa de atomul de hidrogen. Spatiul cuprins intre doua linii consecutive corespunde lungimilor de unda in care atomul de hidrogen nu emite radiatii. Spectrele atomice sunt, prin urmare, discontinue.

Lumina unda electromagnetica

15

In Fig. 11 este reprezentat spectrul de linii emis de hidrogen in zona vizibila (liniile lui Balmer) cu relativele lungimi de unda in nm. Pentru a observa spectrul emis de o substanta se foloseste un instrument numit spectroscop (Fig. 11c).

Lumina unda electromagnetica

16

Modelul atomic BohrFizicianul danez, Niels Bohr (1885-1962), in anul 1913, pentru a explica stabilitatea atomilor a propus un model atomic ce se bazeaza pe urmatoarele ipoteze: Un electron nu se poate roti la orice distanta de nucleu, ci numai in anumite

orbite circulare privilegiate, pe care poseda o energie bine definita. Rezulta ca un electron dintr-un atom poate poseda numai valori definite de energie. Atata timp cat se misca pe o orbita permisa, electronul nu emite energie. Orbitele permise ale unui electron iau numele de niveluri de energie: se noteaza

cu litera n (numar cuantic principal). Valoarea lui n e un numar intreg (1,2,3,4 s.a.m.d.), nu fractionar. Un atom si, deci, un electron, pentru faptul ca pot lua doar anumite valori de energie, ce depind de n, sunt numiti de energie cuantizata (Fig. 12).

Lumina unda electromagnetica

17

Energia unui electron si raza orbitei sale cresc odata cu cresterea valorii lui n. In

atomul de hidrogen, electronul poseda minimul de energie cand se gaseste pe orbita n=1 (stare stationara). Energia electronului creste cand se afla pe orbita n=2 si superioare (stari excitate). Cand unui atom ii este furnizata energie, prin incalzire sau descarcare electrica,

electronul sare de pe o orbita cu un nivel scazut de energie pe una cu un nivel superior, adica intr-o stare excitata. In starea excitata electronul ramane pentru intervale de timp foarte mici si tinde sa sara pe o orbita cu un nivel mai mic de energie. Cand electronul sare de pe o orbita superioara pe una inferioara, energia in exces este emisa sub forma de lumina de lungime de unda bine definita (Fig. 13a). Energia radiatiei emisa de electron in trecerea de pe o orbita superioara pe una inferioara, corespunde unei linii a spectrului de determinata lungime de unda.

Lumina unda electromagnetica

18

Modelul lui Bohr explica spectrul de linii in domeniul vizibil (liniile lui Balmer) al atomului de hidrogen. Aceste linii corespund unor salturi electronice de la nivele superioare la nivelul n=2, si sunt caracterizate de urmatoarele lungimi de unda: de la n=6 n=2 410,2 nm n=5 n=2 434,1 nm n=4 n=2 486,1 nm n=3 n=2 656,3 nm Spectrul vizibil al hidrogenului e format din patru linii deoarece electronul fiecarui atom, excitat, se poate deplasa pe oricare dintre orbitele permise. In continuare, cand electronii se intorc din aceste stari excitate distincte pe orbita n=2, emit radiatii de diferite lungimi de unda. Succesiv electronul trece de la nivelul n=2 la nivelul n=1, emitand o radiatie UV, invizibila.

Lumina unda electromagnetica

19

Bibliografie:Paolo Pistar Chimica 1, ed. Atlas