7

nauka/technika

Przez światło należy rozumieć zakres fal elektromagnetycznych obejmujący podczerwień,

zakres widzialny i nadfiolet, a wiec przedział długości fali od 50 nm do 100

µ

m.

Podział całego zakresu widma fal elektromagnetycznych na szereg zakresów

i podzakresów związany jest z przede wszystkim z różnymi technikami wytwarzania

i wykrywania promieniowania elektromagnetycznego o różnych częstotliwościach.

Falowa koncepcja natury światła

Za poczàtek naukowych dociekaƒ na te-
mat natury Êwiat∏a nale˝y uznaç poczàtek
XVII wieku, kiedy to Robert Hooke posta-
wi∏ hipotez´, ˝e Êwiat∏o to fale (sk∏aniajàc
si´ raczej ku idei fal poprzecznych). Uwa-
˝a∏, ˝e Êwiat∏o rozchodzi si´ w eterze,
(podobnie jak dêwi´k w oÊrodkach mate-
rialnych) z nieskoƒczonà pr´dkoÊcià.
W „Traktacie o Êwietle”, który Christiaan
Huygens przed∏o˝y∏ w 1678 roku Akade-
mii Paryskiej rozwinà∏ falowà hipotez´
Hooke’a,przyjmujàc jednak za∏o˝enie, ˝e
sà to fale pod∏u˝ne. W konsekwencji Huy-
gens wyjaÊni∏ zjawiska odbicia, za∏amania
oraz podwójnego za∏amania Êwiat∏a.
W tym samym czasie przeciwstawny po-
glàd prezentowa∏ Isaac Newton, który
swojà pierwszà teori´ Êwiat∏a i barw og∏o-
si∏ w roku 1672, na posiedzeniu Królew-
skiego Towarzystwa Naukowego w Londy-
nie. Badajàc zjawisko rozczepienia Êwiat∏a
w pryzmacie doszed∏ on do wniosku, ˝e
Êwiat∏o to strumieƒ specyficznych czàstek
poruszajàcych si´ w eterze z wielkà szyb-
koÊcià i wywo∏ujàcych w nim drgania po-
d∏u˝ne. Oparta na tej hipotezie teoria
korpuskularna Êwiat∏a potrafi∏a wyjaÊniç
wszystkie zjawiska, które wiàza∏y si´
z prostoliniowym rozchodzeniem si´ Êwia-
t∏a (odbicie, za∏amanie Êwiat∏a). Istotny
problem stanowi∏o tylko objaÊnienie zja-
wiska interferencji.

Zjawisko interferencji

Falowa koncepcja natury Êwiat∏a od˝y∏a
ponownie z poczàtkiem XIX w., kiedy to

Thomas Young oraz niezale˝nie Augustin J.
Fresnel rozpocz´li systematyczne badania
nad zjawiskiem interferencji Êwiat∏a. W ro-
ku 1801 Thomas Young wykona∏ s∏ynne
doÊwiadczenie z dwoma równoleg∏ymi
szczelinami, przez które przepuszcza∏ Êwia-
t∏o pochodzàce z tego samego êród∏a. Za-
obserwowany na ekranie charakterystycz-
ny uk∏ad prà˝ków zinterpretowa∏ Young ja-
ko wynik interferencji fal pochodzàcych
z dwóch szczelin. W miejscach, w których
spotykajà si´ fale o zgodnych fazach po-
wstaje prà˝ek jasny, natomiast tam gdzie
spotykajà si´ fale o fazach przeciwnych
powstaje prà˝ek ciemny. Badania te
utwierdzi∏y przekonanie, ˝e zjawiska te
mo˝na wyjaÊniç jedynie na gruncie falowej
teorii Êwiat∏a. W roku 1819 Arago i Fresnel
pokazali eksperymentalnie, ˝e dwie wiàzki
Êwiat∏a spolaryzowane w tej samej p∏asz-
czyênie interferujà ze sobà, natomiast
dwie wiàzki Êwiat∏a spolaryzowane
w p∏aszczyznach wzajemnie prostopad∏ych
nie interferujà. Wynik ten utrwali∏ osta-
tecznie poglàd o poprzecznoÊci drgaƒ fali
Êwietlnej. Teoria falowa uzupe∏niona o do-
Êwiadczenia Arago i Fresnela potrafi∏a wy-
jaÊniç wszystkie zjawiska optyczne, jakie
wtedy znano, ∏àcznie ze zjawiskiem pola-
ryzacji Êwiat∏a.

Badania zjawisk elektromagnetycznych

Jednak prawie natychmiast pojawi∏o si´
pytanie nast´pne: jaka jest fizyczna natu-
ra tych fal? Rozstrzygni´cie tego proble-
mu przynios∏y dopiero, sformu∏owane
przez Maxwella, równania pola elektro-

Granice ka˝dego z zakresów widma sà umowne, a poszczególne obszary zachodzà
na siebie. Nale˝y tak˝e podkreÊliç, ˝e widmo fal elektromagnetycznych nie jest
ograniczone zarówno od strony niskich, jak i wysokich cz´stoÊci i obejmuje
obecnie fale o d∏ugoÊciach ró˝niàcych si´ prawie 25 rz´dów wielkoÊci.

długość fali

częstotliwość

fale niskiej częstości

(10

10

-10

4

) m

0.03 Hz-30 kHz

fale radiowe

(10

4

-1) m

< 300 MHz

fale radarowe

(100-5) cm

< 6 GHz

mikrofale

(5 cm -100

µµ

m)

< 3

⋅

10

12

Hz

podczerwień

daleka

(100-5)

µµ

m

< 6

⋅

10

13

Hz

średnia

(5- 1.5)

µµ

m

< 2

⋅

10

14

Hz

bliska

(1.5- 0.7)

µµ

m

< 4.5

⋅

10

14

Hz

światło widzialne

(700- 370) nm

< 8.1

⋅

10

14

Hz

nadfiolet

bliski

(370-300) nm

< 1

⋅

10

15

Hz

daleki

(300-180) nm

< 1.7

⋅

10

15

Hz

próżniowy

(180-50) nm

< 15

⋅

10

15

Hz

promieniowanie
Roentgena

(50 - 0.001) nm

3

⋅

10

20

Hz

promieniowanie
gamma

(1-0.01) pm

< 3

⋅

10

22

Hz

promieniowanie
kosmiczne

< 0.01 pm

<< 3

⋅

10

22

Hz

Fala podłużna

Kierunek rozchodzenia się fali

Kierunek drgań

Fala poprzeczna

Kierunek rozchodzenia się fali

Kierunek drgań

Fale pod∏u˝ne – sà to fale, w których drgania odbywaja si´ równolegle
do kierunku rozchodzenia si´ fali.

Fale poprzeczne – kierunek drgaƒ fali pod∏u˝ny.

Fale elektromagnetyczne

czyli czym naprawdę jest światło?

Prof. Ryszard Naskr´cki

dziekan Wydzia∏u Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

8

nauka/technika

»

magnetycznego. Rozpocz´te w pierwszej
po∏owie XIX w badania zjawisk elektro-
magnetycznych dotyczy∏y przede wszyst-
kim zwiàzków pomi´dzy polem magne-
tycznym i pràdem elektrycznym p∏ynà-
cym w przewodniku. Najpierw Oersted
stwierdzi∏, ˝e przewodnik z pràdem wy-
twarza wokó∏ siebie pole magnetyczne.
Oznacza∏o to, ˝e tylko poruszajàce si´ ∏a-
dunki elektryczne mogà wytwarzaç pole
magnetyczne. Krótko po tym Jean Bapti-
ste Biot i Felix Savart podali wzór (prawo
Biota-Savarta), który pozwala okreÊliç za-
le˝noÊç nat´˝enia pola magnetycznego
wytwarzanego przez pràd elektryczny
w przewodniku od nat´˝enia i kierunku
tego pràdu. Prawo to uogólni∏ Andre Ma-
rie Ampere (prawo Ampera) podajàc
wzór opisujàcy nat´˝enie pola magne-
tycznego powstajàcego wokó∏ przewodni-
ka (o dowolnym kszta∏cie) w którym p∏y-
nie pràd o nat´˝eniu I. W roku 1831 M.
Faraday odkry∏ zjawisko (oraz prawo rzà-
dzàce tym zjawiskiem) odwrotne - induk-
cj´ elektromagnetycznà. Okaza∏o si´, ˝e
zmienne pole magnetyczne (zmienny
strumieƒ magnetyczny) mo˝e indukowaç
w przewodniku pràd elektryczny w posta-
ci si∏y elektromotorycznej. IloÊciowy opis
tego zjawiska stanowi prawo Faradya,
które stwierdza, ˝e indukowana si∏a elek-
tromotoryczna równa jest szybkoÊci zmia-
ny strumienia magnetycznego przecinajà-
cego obwód o okreÊlonym kszta∏cie geo-
metrycznym.

Równania Maxwella

W roku 1864 J.C. Maxwell analizujàc te
zjawiska i prawa nimi rzàdzàce doszed∏
do wniosku, ˝e pole magnetyczne mo˝e
byç wytwarzane nie tylko przez pràd
elektryczny, ale w ogólnoÊci przez zmien-
ne pole elektryczne. I odwrotnie - zmien-
ne pole magnetyczne indukuje nie tylko

pràd w przewodniku, ale tak˝e pole elek-
tryczne w ca∏ej otaczajàcej przestrzeni.
JeÊli w tej przestrzeni znajdzie si´ prze-
wodnik, to na skutek oddzia∏ywania pola
elektrycznego pop∏ynie w nim pràd elek-
tryczny. Za∏o˝enia te wyra˝one w Êcis∏ej
matematycznej formie stanowià s∏ynne
równania Maxwella, stanowiàce podsta-
w´ elektrodynamiki klasycznej. Najwa˝-
niejszym

wnioskiem

wyp∏ywajàcym

z równaƒ Maxwella by∏o jednak stwier-
dzenie o istnieniu nowych, nieznanych
wówczas fal, które nazwano falami elek-
tromagnetycznymi oraz to, ˝e w pró˝ni
fale te rozchodzà si´ z pr´dkoÊcià Êwiat∏a.
Ta niezwykle Êmia∏a hipoteza o istnieniu
fal elektromagnetycznych doczeka∏a si´
doÊwiadczalnego potwierdzenia w roku
1886 roku przez Heinricha Hertza. Wyko-
rzystujàc proste urzàdzenie z∏o˝one
z cewki Ruhmkorffa (jest to w∏aÊciwie
transformator o niezamkni´tym obwodzie
magnetycznym) po∏àczonej z iskiernikiem
Hertz wytworzy∏ drgania o bardzo wyso-
kiej cz´stoÊci, rz´du 100 Mhz (drganiom
takim odpowiadajà fale o d∏ugoÊci 3 m),
które wykrywa∏ za pomocà pierÊcienia
wykonanego z miedzianego drutu, w któ-
rym fale te indukowa∏y pràd elektryczny.
Dok∏adna analiza w∏asnoÊci tych hipote-
tycznych fal wykaza∏a, ˝e powinny roz-
chodziç si´ z pr´dkoÊcià Êwiat∏a, podlegaç
identycznym (jak Êwiat∏o) prawom odbi-
cia i za∏amania, wykazywaç dyfrakcj´, in-
terferencj´ i polaryzacj´. Fakty te, oraz
w∏asnoÊci odkrytego nieco wczeÊniej pro-
mieniowania podczerwonego i nadfiole-
towego, doprowadzi∏y Maxwella do
wniosku, ˝e Êwiat∏o nale˝y wraz z pod-
czerwienià i nadfioletem do rodziny fal
elektromagnetycznych, w której poszcze-
gólne rodzaje promieniowania ró˝nià si´
jedynie d∏ugoÊcià fali.

„Sprawili bogowie, ˝e tlàcy si´ w nas ogieƒ, podobny Êwiat∏u dziennemu, wydziela si´ przez
êrenice równym i g´stym strumieniem; strumieƒ ten wyp∏ywa na zewnàtrz ku Êwiat∏u jak
podobne do podobnego i jednoczàc si´ z nim tworzy rodzaj substancji wzd∏u˝ linii widzenia
oka”
Platon, ok. 400 lat p.Ch.

„Cechà Êwiat∏a jest to, ˝e p∏ynie, ˝e jest wysy∏ane przez swoje êród∏o na du˝à odleg∏oÊç”
Jan Kepler, 1604.

„Czy promienie Êwiat∏a nie sà bardzo ma∏ymi cia∏ami wysy∏anymi przez swoje êród∏o na du˝à
odleg∏oÊç?”
Izaak Newton, 1672.

DoÊwiadczenie Younga z dwiema szczelinami.
U do∏u obraz interferencyjny widziany na ekranie.

Rozdwajanie si´ wiàzki padajàcej na odbità
i za∏amanà – wed∏ug Newtona.