Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που αντιπροσωπεύει το ορατό φως δεν είναι παρά ένα μικρό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, το οποίο εκτείνεται από τις υψηλών συχνοτήτων ακτίνες γ και Χ έως τα ραδιοκύματα, που έχουν πολύ μικρή συχνότητα. Η μονάδα μέτρησης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι το μήκος κύματος μετρημένο σε νανόμετρα (1 νανόμετρο = 0.000000001 μέτρα). Η συχνότητα της ακτινοβολίας είναι αντιστρόφως ανάλογη του μήκους κύματος. Έτσι, μεγάλα μήκη κύματος παραπέμπουν σε χαμηλή συχνότητα και το αντίστροφο. Όλα αυτά με δεδομένο ότι η ακτινοβολία "τρέχει" με δεδομένη ταχύτητα, την ταχύτητα του φωτός, που είναι περίπου 300.000 km/s. Το φως γενικά ταξιδεύει ευθύγραμμα, εκτός αν διαθλασθεί ή ανακλαστεί από κάποια επιφάνεια. Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετράγωνου της απόστασης που έχει διανυθεί.

Ακτίνες γ

Οι ακτίνες γ, που έχουν τη μεγαλύτερη συχνότητα και τα μικρότερα μήκη κύματος εκπέμπονται από ραδιενεργά υλικά και βρίσκονται και στο διάστημα. Οι ακτίνες αυτές έχουν μια εκπληκτική διατρητική ικανότητα. Μπορούν να διατρήσουν μια επιφάνεια τσιμέντου με πάχος 3 μέτρα! Τα μήκη κύματος αυτής της ακτινοβολίας εκτείνονται από 0.1 έως 0.000001 νανόμετρα.

Ακτίνες Χ

Οι ακτίνες Χ, των οποίων η συχνότητα βρίσκεται σε τιμές μεταξύ των ακτίνων γ και των υπεριώδων ακτίνων έχουν τέτοια διατρητική ικανότητα ώστε να διαπερνούν εύκολα αρκετά υλικά και να καταστρέφουν ιστούς δέρματος πολλών ζώων. Αυτό μας έχει οδηγήσει στο να χρησιμοποιούμε τις ακτίνες Χ (με αρκετή φειδώ όμως) ώστε να παρατηρούμε το ανθρώπινο σώμα. Τα μήκη κύματος των ακτίνων Χ έχουν μεγάλη έκταση. Εκτείνονται από ένα μέχρι 0.00001 νανόμετρα.

Υπεριώδης ακτινοβολία (Ultraviolet radiation)

Έχει συχνότητα λίγο παραπάνω από αυτή του ορατού φωτός. Ωστόσο η έντασή τους είναι τέτοια που μπορεί να καταστρέψει ιστούς και κύτταρα. Ο ήλιος είναι μια πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και μικρές δόσεις αυτής της ακτινοβολίας βοηθούν στην παραγωγή της βιταμίνης D και προκαλούν το μαύρισμα του ανθρώπινου δέρματος. Φυσικά, μεγαλύτερες δόσεις προκαλούν σοβαρά εγκαύματα. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χρησιμοποιείται ευρέως στον επιστημονικό χώρο σε διάφορα πειράματα, καθώς και από τους αστρονόμους για την παρατήρηση του ηλιακού συστήματος, του γαλαξία μας και άλλων περιοχών του σύμπαντος. Το μήκος κύματος της υπεριώδους ακτινοβολίας εκτείνεται από 50 μέχρι 350 και 400 νανόμετρα.

Yπέρυθρη ακτινοβολία (infrared radiation)

Εκτείνεται σε ένα μήκος κύματος από εκεί που σταματάει η ορατή ακτινοβολία, δηλαδή περίπου τα 700 νανόμετρα μέχρι περίπου το ένα χιλιοστό. Αυτού του τύπου η ακτινοβολία έχει να κάνει με θερμότητα. Για παράδειγμα, το ανθρώπινο σώμα εκπέμπει θερμότητα όχι στο ορατό φως, αλλά σε περιοχές της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Όλα τα σώματα λίγο έως πολύ εκπέμπουν θερμότητα σε αυτά τα μήκη κύματος ανάλογα με τη θερμοκρασία τους. Οι πιο κοινές χρήσεις της υπέρυθρης ακτινοβολίας έχουν να κάνουν με τη νυχτερινή όραση, ανιχνευτές σε δορυφόρους και αεροπλάνα, καθώς και την αστρονομία.

Pαδιοκύματα (radiowaves) και Mικροκύματα (microwaves)

Ο επόμενος τύπος ακτινοβολίας που συναντάμε καθώς διατρέχουμε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι τα μικροκύματα. Αυτά έχουν ένα μήκος κύματος που εκτείνεται από ένα χιλιοστό μέχρι 30 εκατοστά. Ο ανθρωπος εκμεταλεύτηκε αυτήν την ακτινοβολία στην κατασκευή φούρνων μικροκυμάτων, οι οποίοι μπορούν να θερμάνουν φαγητά, καθώς η ακτινοβολία αυτή απορροφάται από τις τροφές και τις θερμαίνει. Τα μικροκύματα είναι ένα μέρος μιας μεγαλύτερης κατηγορίας ακτινοβολίας, τα ραδιοκύματα. Τα ραδιοκύματα εκπέμπονται από τη Γη, τα κτήρια, τα αυτοκίνητα κι άλλα μεγάλα σε μέγεθος αντικείμενα. Πάνω στα ραδιοκύματα έχει βασιστεί η λειτουργία των ραντάρ τα οποία ανιχνεύουν την παρουσία και την κίνηση σωμάτων που εκπέμπουν αυτού του τύπου την ακτινοβολία. Τα ραδιοκύματα επίσης είναι ευρέως γνωστά για την ικανότητά τους να μεταφέρουν ραδιοφωνικά σήματα και σήματα τηλεόρασης. Τα ραδιοκύματα έχουν μήκος κύματος, που εκτείνεται σε μια αρκετά μεγάλη περιοχή, από ένα εκατοστό έως δεκάδες και εκατοντάδες μέτρα. Τα ραδιοφωνικά σήματα αποτλούνται από δύο είδων εκπομπές, τα ΑΜ σήματα (amplitude modulated waves) και τα FM σήματα (frequency modulated waves). Τα FM σήματα έχουν μικρότερο μήκος κύματος από τα ΑΜ και μπορούν να εντοπιστούν από μεγάλα σώματα, όπως σπίτια, κτήρια και τούνελ. Αντίθετα τα ΑΜ σήματα μπορούν να "αποφύγουν" τέτοια σώματα και να ταξιδέψουν σε πιο μεγάλες αποστάσεις.

Τελικά τι παρατηρούμε; Ότι τα χρώματα ενός ουράνιου τόξου, δηλαδή η ακτινοβολία που μπορεί να εντοπιστεί από το ανθρώπινο μάτι (από 400 έως 700 νανόμετρα) δεν είναι παρά ένα πολύ μικρό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Εμείς, αν και δεν το αντιλαμβανόμαστε, βρισκόμαστε υπό το συνεχή βομβαρδισμό ηλεκτομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία εκτείνεται σε πολύ διαφορετικά μήκη κύματος.

Τι είναι το φώς;

Αρχικά όπως είναι φυσικό οι αρχαίοι Έλληνες, εφευρέτες όλων των επιστημών δεν ήταν δυνατόν ν’ αδιαφορήσουν για αυτή την οντότητα. Έτσι αρχής γενομένης από τον Θαλή τον Μιλήσιο (640-546 π.Χ.) άρχισαν να αναζητούν τις αιτίες των διαφόρων φαινομένων, μεταξύ αυτών και των οπτικών, και να θεμελιώνουν και αναπτύσσουν την οπτική επιστήμη, η οποία βεβαίως ξεκινά με το φώς και την όραση. Ο Πυθαγόρας ο Σάμιος (580-500 π.Χ.) και οι οπαδοί του πίστευαν ότι η όραση οφείλεται σε φωτεινές ακτίνες πού ανακλώνται στα διάφορα αντικείμενα, εκπεμπόμενες όμως από τα μάτια. Ο Εμπεδοκλής (495-435 π.Χ.) βελτιώνει κάπως την θεωρία και ερμηνεύει διάφορα φαινόμενα δεχόμενος ότι το φώς είναι σωματιδιακή κίνηση πολύ μεγάλης ταχύτητας πού απορρέει από το φωτίζον σώμα, ενώ οι φυσικοί φιλόσοφοι Λεύκιππος και Δημόκριτος (460-379 π.Χ.) υποστηρίζουν, όπως είναι φυσικό,  την σωματιδιακή φύση του φωτός και μιλούν για εκπομπές, πάντα από τα μάτια όμως , στοιβάδων ατόμων. Ο Πλάτων (428-347 π.Χ.) ασχολείται κι’ αυτός με την οπτική και προσπαθεί να συγκεράσει τις διάφορες απόψεις προτείνοντας ότι το φώς είναι πύρ, ή κάτι σαν πύρ, για να φτάσουμε στον παμμέγιστο Αριστοτέλη, ο οποίος έλεγε: «τὸ δὲ φῶς οἷον χρῶμά ἐστι τοῦ διαφανοῦς, ὅταν ᾖ ἐντελεχείᾳ διαφανὲς ὑπὸ πυρὸς ἢ τοιούτου οἷον τὸ ἄνω σῶμα· καὶ γὰρτούτῳ τι ὑπάρχει ἓν καὶ ταὐτόν» (Το φως είναι τρόπον τινά το χρώμα του διαφανούς, όταν το διαφανές γίνεται εντελεχεία διαφανές είτε υπό του πυρός είτε υπό άλλης αιτίας τοιαύτης, οίον είναι το άνω σώμα (ο ήλιος)· διότι και τούτο το σώμα έχει τι το αυτό με το πυρ). δοκεῖ τετὸ φῶς ἐναντίον εἶναι τῷ σκότει· ἔστι δὲ τὸ σκότος στέρησις τῆς τοιαύτης ἕξεως ἐκ διαφανοῦς, ὥστε δῆλον ὅτικαὶ ἡ τούτου παρουσία τὸ φῶς ἐστιν.( Το φως φαίνεται ότι είναι το εναντίον προς το σκότος. Το δε σκότος είναι στέρησις της τοιαύτης καταστάσεως του διαφανούς, ώστε φανερόν είναι ότι και το φως είναι η παρουσία της καταστάσεως ταύτης).

Εν συνεχεία ο Επίκουρος (341-270 π.Χ.), ο Ευκλείδης (365-300 π.Χ.), ο Αρχιμήδης (287-212 π.Χ.), ο Κλαύδιος Πτολεμαίος (287-212 π.Χ.) και ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς  δίνουν νέα ώθηση στην οπτική επιστήμη και τις πρακτικές εφαρμογές της.  Είναι γνωστή η ιστορία, σύμφωνα με την οποία ο Αρχιμήδης με κάτοπτρα πού συγκέντρωναν τις ηλιακές ακτίνες κατέκαυσε τον ρωμαϊκό στόλο κατά τον Β΄ Καρχηδονιακό Πόλεμο.  Χρειάστηκαν να περάσουν περίπου 2.000 χρόνια για να προστεθεί κάτι νέο στις θεωρίες περί της φύσεως του φωτός με τις θεωρίες του Καρτέσιου και του Νεύτωνα στο τέλος τού 17^ου και αρχές του 18^ου μ.Χ. αιώνα, οι οποίοι υποστήριξαν την σωματιδιακή φύση του φωτός (όχι και τόσο νέα θεωρία βεβαίως). Φαινόμενα όμως πού δεν ερμηνεύονταν με την σωματιδιακή φύση ανάγκασαν αργότερα τον Χόιγκενς να υποστηρίξει την κυματική φύση (μηχανισμός μεταφοράς δηλαδή ενέργειας), και να συμφωνήσουν μαζί του ο Όιλερ, πού έλεγε ότι ο ήλιος είναι καμπάνα πού κουδουνίζει φώς, και ο Γιούγκ, ο οποίος το 1801 απέδειξε υποτίθεται την κυματική φύση του φωτός. Η θεωρία αυτή προϋπέθετε την ύπαρξη ενός ελαστικού μέσου μέσα στον οποίο και με την βοήθεια του οποίου διαδίδεται το φώς. Έτσι δέχτηκαν την ύπαρξη του αιθέρα, την ξεχασμένη πεμπτουσία του Αριστοτέλη, η οποία υπάρχει παντού στο σύμπαν.

Η έρευνα όμως συνεχίστηκε, το κυνήγι του φωτός δεν τέλειωσε, αφού οι Μάικελσον – Μόρλεϊ με το περίφημο πείραμά τους απέδειξαν το 1887, ότι αιθέρας δεν υφίσταται και συνεπώς η κυματική θεωρία του φωτός (μηχανικό κύμα, όπως ο ήχος) κατέρρευσε. Έτσι φτάσαμε στον Μάξγουελ ο οποίος απέδειξε με τις περίφημες εξισώσεις του, ότι το φώς εξακολουθεί να είναι κύμα, αλλά ηλεκτρομαγνητικό (όπως τα ραδιοτηλεοπτικά) και ως τέτοιο δεν έχει ανάγκη μέσου διαδόσεως, έτσι ο αιθέρας δεν χρειάζεται. Για την ακρίβεια ο Μάξγουελ καθόρισε το φώς σαν τμήμα ενός απέραντου συνεχούς φάσματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, εκείνου το οποίο ερεθίζει το μάτι.  Κοινό χαρακτηριστικό όλων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι η ταχύτητα, 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, ενώ αυτό πού τα διαφοροποιεί είναι η συχνότητα ή το μήκος κύματος. Μετά από 25 χρόνια ο Χέρτζ επιβεβαίωσε την ηλεκτρομαγνητική κυματική φύση του φωτός, τα ηλεκτρομαγνητικά μάλιστα κύματα τα έλεγαν από το όνομά του και ερτζιανά. Τα κύματα αυτά συνιστούν διάδοση ηλεκτρικού (Ε) και μαγνητικού (Η) πεδίου κάθετων μεταξύ τους και ως προς την διεύθυνση πού διαδίδονται  και παράγονται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία, παλλόμενα ηλεκτρικά δίπολα κ.ά.

Όμως το 1900 ο Μάξ Πλάνκ, ένας Γερμανός φυσικός  εισάγει την έννοια των κβάντα (πακέτα ενέργειας), τα οποία θα μετονομασθούν σε φωτόνια, και η θεωρία περί φωτός αναδιαμορφώνεται. Το φώς αποτελείται από τα φωτόνια λέει ο Πλάνκ, σωματίδια δηλαδή με μηδενική όμως μάζα ηρεμίας, και κάθε φωτόνιο ισοδυναμεί με ένα πακέτο ενέργειας. Η σωματιδιακή δηλαδή θεωρία επανέρχεται στο προσκήνιο και οι παλαιές αντιπαραθέσεις μεταξύ των υποστηρικτών της κυματικής και των υποστηρικτών της σωματιδιακής φύσης αναζωπυρώθηκαν. Το 1905 ένας άλλος Γερμανός φυσικός, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, για να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο εισάγει την έννοια του φωτοηλεκτρονίου και διατυπώνει την άποψη ότι το φώς αποτελείται από σωματίδια, πού όμως έχουν ιδιότητες κύματος, αποδεχόμενος στην πραγματικότητα την ορθότητα και των δύο θεωριών και συμβιβάζοντας τις αντιμαχόμενες μερίδες. Το 1923 ένας Αμερικανός φυσικός, ο Άρθουρ Κόμπτον έδειξε ότι τα φωτόνια έχουν ορμή και ενίσχυσε την θεωρία του Αϊνστάιν.

Σημερινές αντιλήψεις

Σήμερα, με την εξέλιξη της κβαντομηχανικής και την συμβολή των Νίλς Μπόρ, Ντέ Μπρολί, Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, Έρβιν Σρέντιγκερ, Μάξ Μπόρν και Φέινμαν, τα πράγματα είναι πιο απλά(;). Δεχόμαστε δηλαδή ότι το φώς άλλοτε συμπεριφέρεται σαν κύμα και άλλοτε σαν πλήθος σωματιδίων και … καθαρίσαμε! Άλλωστε και το ηλεκτρόνιο, υποατομικό σωματίδιο, το δεχόμαστε άλλοτε σαν κύμα και άλλοτε σαν σωματίδιο, ανάλογα με το φαινόμενο πού θέλουμε να παρατηρήσουμε και γενικότερα ισχυριζόμαστε ότι η ύλη ισοδυναμεί με ενέργεια πού εκδηλώνεται άλλοτε ως κύμα και άλλοτε ως σωματίδια. Η ύλη δηλαδή και η ενέργεια είναι οι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Τι είναι το νόμισμα όμως, αυτό καθ’ εαυτό αγνοείται. Για την ακρίβεια αυτό πού παρατηρούμε δεν είναι η ίδια η φύση, αλλά ένας τρόπος αντιδράσεως αυτής. Ανάλογα πώς παρατηρούμε π.χ. το ηλεκτρόνιο, αυτό αντιδρά και αυτό πού μας δείχνει είναι η αντίδρασή του, κυματική ή σωματιδιακή. Δηλαδή μετά από δύο χιλιετίες παραμένουμε στις ιδέες ουσιαστικά πού είχαν οι αρχαίοι Έλληνες για το φώς, απλώς διατυπώθηκαν σαφέστερα ίσως και κομψότερα, αφού βοήθησε προς τούτο και η μεγάλη εξέλιξη των μαθηματικών.

Αρα:

                               Φώς = Σωματίδια + Κύμα

Παραγωγή φωτός

Άς δούμε τώρα πώς παράγεται το φώς. Με την πρόοδο πού έχει επιτευχθεί τις τελευταίες δεκαετίες στην θεωρητική φυσική και στις θεωρίες πού περιγράφουν  την  δομή του ατόμου είναι κατανοητός ο τρόπος πού παράγονται τα φωτόνια, δηλαδή το φώς. Είναι γνωστό ότι η ύλη αποτελείται από τα περίφημα άτομα των προσωκρατικών φυσικών φιλοσόφων Λεύκιππου και Δημόκριτου με διαφοροποιημένες βεβαίως ιδιότητες. Τα άτομα αυτά είναι μικρογραφίες του ηλιακού συστήματος αφού στο κέντρο τους υπάρχει ο πυρήνας, ενώ γύρω από αυτόν περιφέρονται αλλά και περιστρέφονται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, σε καθορισμένες τροχιές πού καθορίζουν και την ενέργειά τους. Ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια, τα πρωτόνια, και από ουδέτερα,  τα ουδετερόνια ή νετρόνια. Όταν για κάποιο λόγο, π.χ. επίδραση φωτός (φωτονίων) ή κρούση με άλλο σωματίδιο, ένα ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει την τροχιά του και μεταβαίνει σε άλλη τροχιά υψηλότερης ενεργειακής στάθμης, όπως λέμε, προσλαμβάνοντας ενέργεια, τότε το άτομο διεγείρεται. Στην κατάσταση αυτή το άτομο δεν παραμένει επί πολύ, αλλά επανέρχεται στην προηγούμενη σταθερή κατάσταση (αποδιέγερση) ενώ το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην τροχιά του δίνοντας την ενέργεια πού προσέλαβε προηγουμένως. Η απόδοση της ενέργειας αυτής γίνεται με την μορφή ενός φωτονίου. Τα φωτόνια αυτά πού δραπετεύουν κατά κάποιο τρόπο από τα άτομα, συνιστούν αυτό πού αντιλαμβανόμαστε ως φώς.

Έτσι γεννιούνται τα δομικά συστατικά τού φωτός, δηλαδή τα φωτόνια. Ανάλογα μάλιστα με την ενέργεια πού αποδίδεται στο αποβαλλόμενο φωτόνιο, αυτό αντιστοιχεί σε ορισμένη συχνότητα ή μήκος κύματος. Αν τώρα αυτό το μήκος κύματος είναι τέτοιο πού μπορεί και διεγείρει τον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ματιού μιλάμε για το ορατό φώς, αλλιώς έχουμε την αόρατη (ακτίνες Γ, ακτίνες Χ, υπεριώδη, υπέρυθρη, ραντάρ, ραδιοκύματα, μικροκύματα) περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Με άλλα λόγια το σύνολο των συχνοτήτων πού μπορούν να προκύψουν από την αποδιέγερση των ατόμων αποτελεί το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ένα τμήμα του οποίου είναι το φώς. Συγκεκριμένα η πολύ μικρή περιοχή πού αντιστοιχεί στο ορατό και φαίνεται σαν έγχρωμη ταινία. Το φώς είναι το σύνολο αυτών των χρωμάτων πού αθροιστικά εισερχόμενα στο μάτι του παρατηρητή δίνουν το σύνηθες λευκό φώς.