nauka/technika
Przez światło należy rozumieć zakres fal elektromagnetycznych obejmujący podczerwień,
zakres widzialny i nadfiolet, a wiec przedziaÅ‚ dÅ‚ugoÅ›ci fali od 50 nm do 100 µm.
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.
Prof. Ryszard Naskr´cki
dziekan Wydzia"u Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
Fale elektromagnetyczne
czyli czym naprawdę jest światło?
Falowa koncepcja natury światła Thomas Young oraz niezaleŻnie Augustin J.
długość fali częstotliwość
fale niskiej częstości (1010-104) m 0.03 Hz-30 kHz
Za początek naukowych dociekał
na te- Fresnel rozpocz´li systematyczne badania
fale radiowe (104 -1) m < 300 MHz
mat natury Ęwiat"a naleÅ»y uznaç poczÄ…tek nad zjawiskiem interferencji Ęwiat"a. W ro-
fale radarowe (100-5) cm < 6 GHz
XVII wieku, kiedy to Robert Hooke posta- ku 1801 Thomas Young wykona" s"ynne
µ
mikrofale (5 cm -100 µm) < 3Å"1012 Hz
wi" hipotez´, Å»e Ęwiat"o to fale (sk"aniajÄ…c doĘwiadczenie z dwoma równoleg"ymi
podczerwień
µ
si´ raczej ku idei fal poprzecznych). Uwa- szczelinami, przez które przepuszcza" Ęwia- daleka (100-5) µm < 6Å"1013 Hz
µ
Å›rednia (5- 1.5) µm < 2Å"1014 Hz
Å»a", Å»e Ęwiat"o rozchodzi si´ w eterze, t"o pochodzÄ…ce z tego samego Ä™ród"a. Za-
µ
bliska (1.5- 0.7) µm < 4.5Å"1014 Hz
(podobnie jak dÄ™wi´k w oĘrodkach mate- obserwowany na ekranie charakterystycz-
Å›wiatÅ‚o widzialne (700- 370) nm < 8.1Å"1014 Hz
rialnych) z nieskoł
czonÄ… pr´dkoĘciÄ…. ny uk"ad prÄ…Å»ków zinterpretowa" Young ja-
nadfiolet
bliski (370-300) nm < 1Å"1015 Hz
W  Traktacie o Ęwietle , który Christiaan ko wynik interferencji fal pochodzących
daleki (300-180) nm < 1.7Å"1015Hz
Huygens przed"oŻy" w 1678 roku Akade- z dwóch szczelin. W miejscach, w których
próżniowy (180-50) nm < 15Å"1015 Hz
mii Paryskiej rozwinÄ…" falowÄ… hipotez´ spotykajÄ… si´ fale o zgodnych fazach po-
promieniowanie
Hooke a, przyjmując jednak za"oŻenie, Że wstaje prąŻek jasny, natomiast tam gdzie
Roentgena (50 - 0.001) nm 3Å"1020 Hz
promieniowanie
sÄ… to fale pod"uÅ»ne. W konsekwencji Huy- spotykajÄ… si´ fale o fazach przeciwnych
gamma (1-0.01) pm < 3Å"1022 Hz
gens wyjaĘni" zjawiska odbicia, za"amania powstaje prąŻek ciemny. Badania te
promieniowanie
oraz podwójnego za"amania Ęwiat"a. utwierdzi"y przekonanie, Że zjawiska te
kosmiczne < 0.01 pm << 3Å"1022 Hz
W tym samym czasie przeciwstawny po- moÅ»na wyjaĘniç jedynie na gruncie falowej
Granice kaŻdego z zakresów widma są umowne, a poszczególne obszary zachodzą
glÄ…d prezentowa" Isaac Newton, który teorii Ęwiat"a. W roku 1819 Arago i Fresnel na siebie. NaleÅ»y takÅ»e podkreĘliç, Å»e widmo fal elektromagnetycznych nie jest
ograniczone zarówno od strony niskich, jak i wysokich cz´stoĘci i obejmuje
swojÄ… pierwszÄ… teori´ Ęwiat"a i barw og"o- pokazali eksperymentalnie, Å»e dwie wiÄ…zki
obecnie fale o d"ugoĘciach róŻniÄ…cych si´ prawie 25 rz´dów wielkoĘci.
si" w roku 1672, na posiedzeniu Królew- Ęwiat"a spolaryzowane w tej samej p"asz-
Fala podłużna
skiego Towarzystwa Naukowego w Londy- czyęnie interferują ze sobą, natomiast
nie. Badając zjawisko rozczepienia Ęwiat"a dwie wiązki Ęwiat"a spolaryzowane
Kierunek rozchodzenia siÄ™ fali
w pryzmacie doszed" on do wniosku, Że w p"aszczyznach wzajemnie prostopad"ych
Ęwiat"o to strumieł
specyficznych czÄ…stek nie interferujÄ…. Wynik ten utrwali" osta-
poruszajÄ…cych si´ w eterze z wielkÄ… szyb- tecznie poglÄ…d o poprzecznoĘci drgaÅ‚
fali
Kierunek drgań
koĘcią i wywo"ujących w nim drgania po- Ęwietlnej. Teoria falowa uzupe"niona o do-
d"uÅ»ne. Oparta na tej hipotezie teoria Ęwiadczenia Arago i Fresnela potrafi"a wy- Fale pod"uÅ»ne  sÄ… to fale, w których drgania odbywaja si´ równolegle
do kierunku rozchodzenia si´ fali.
korpuskularna Ęwiat"a potrafi"a wyjaĘniç jaĘniç wszystkie zjawiska optyczne, jakie
Fala poprzeczna
wszystkie zjawiska, które wiÄ…za"y si´ wtedy znano, "Ä…cznie ze zjawiskiem pola-
z prostoliniowym rozchodzeniem si´ Ęwia- ryzacji Ęwiat"a.
Kierunek rozchodzenia siÄ™ fali
t"a (odbicie, za"amanie Ęwiat"a). Istotny
problem stanowi"o tylko objaĘnienie zja- Badania zjawisk elektromagnetycznych
wiska interferencji. Jednak prawie natychmiast pojawi"o si´
pytanie nast´pne: jaka jest fizyczna natu-
Zjawisko interferencji ra tych fal? Rozstrzygni´cie tego proble-
Kierunek drgań
Falowa koncepcja natury Ęwiat"a odŻy"a mu przynios"y dopiero, sformu"owane
Fale poprzeczne  kierunek drgał
fali pod"uŻny.
ponownie z początkiem XIX w., kiedy to przez Maxwella, równania pola elektro-
7
nauka/technika
magnetycznego. Rozpocz´te w pierwszej prÄ…d w przewodniku, ale takÅ»e pole elek-
po"owie XIX w badania zjawisk elektro- tryczne w ca"ej otaczajÄ…cej przestrzeni.
magnetycznych dotyczy"y przede wszyst- JeĘli w tej przestrzeni znajdzie si´ prze-
kim zwiÄ…zków pomi´dzy polem magne- wodnik, to na skutek oddzia"ywania pola
tycznym i prÄ…dem elektrycznym p"ynÄ…- elektrycznego pop"ynie w nim prÄ…d elek-
cym w przewodniku. Najpierw Oersted tryczny. Za"oŻenia te wyraŻone w Ęcis"ej
stwierdzi", Że przewodnik z prądem wy- matematycznej formie stanowią s"ynne
twarza wokó" siebie pole magnetyczne. równania Maxwella, stanowiące podsta-
Oznacza"o to, Å»e tylko poruszajÄ…ce si´ "a- w´ elektrodynamiki klasycznej. NajwaÅ»-
dunki elektryczne mogÄ… wytwarzaç pole niejszym wnioskiem wyp"ywajÄ…cym
magnetyczne. Krótko po tym Jean Bapti- z równał
Maxwella by"o jednak stwier-
ste Biot i Felix Savart podali wzór (prawo dzenie o istnieniu nowych, nieznanych
Biota-Savarta), który pozwala okreĘliç za- wówczas fal, które nazwano falami elek-
leÅ»noĘç nat´Å»enia pola magnetycznego tromagnetycznymi oraz to, Å»e w próŻni
wytwarzanego przez prÄ…d elektryczny fale te rozchodzÄ… si´ z pr´dkoĘciÄ… Ęwiat"a.
w przewodniku od nat´Å»enia i kierunku Ta niezwykle Ęmia"a hipoteza o istnieniu
tego prÄ…du. Prawo to uogólni" Andre Ma- fal elektromagnetycznych doczeka"a si´
rie Ampere (prawo Ampera) podając doĘwiadczalnego potwierdzenia w roku
wzór opisujÄ…cy nat´Å»enie pola magne- 1886 roku przez Heinricha Hertza. Wyko-
tycznego powstającego wokó" przewodni- rzystując proste urządzenie z"oŻone
ka (o dowolnym kszta"cie) w którym p"y- z cewki Ruhmkorffa (jest to w"aĘciwie
nie prÄ…d o nat´Å»eniu I. W roku 1831 M. transformator o niezamkni´tym obwodzie
Faraday odkry" zjawisko (oraz prawo rzÄ…- magnetycznym) po"Ä…czonej z iskiernikiem
dzÄ…ce tym zjawiskiem) odwrotne - induk- Hertz wytworzy" drgania o bardzo wyso-
cj´ elektromagnetycznÄ…. Okaza"o si´, Å»e kiej cz´stoĘci, rz´du 100 Mhz (drganiom
zmienne pole magnetyczne (zmienny takim odpowiadają fale o d"ugoĘci 3 m),
strumieł
magnetyczny) moÅ»e indukowaç które wykrywa" za pomocÄ… pierĘcienia
w przewodniku prąd elektryczny w posta- wykonanego z miedzianego drutu, w któ-
ci si"y elektromotorycznej. IloĘciowy opis rym fale te indukowa"y prąd elektryczny.
tego zjawiska stanowi prawo Faradya, Dok"adna analiza w"asnoĘci tych hipote-
które stwierdza, Że indukowana si"a elek- tycznych fal wykaza"a, Że powinny roz-
tromotoryczna równa jest szybkoĘci zmia- chodziç si´ z pr´dkoĘciÄ… Ęwiat"a, podlegaç
ny strumienia magnetycznego przecinają- identycznym (jak Ęwiat"o) prawom odbi-
cego obwód o okreĘlonym kszta"cie geo- cia i za"amania, wykazywaç dyfrakcj´, in-
metrycznym. terferencj´ i polaryzacj´. Fakty te, oraz
w"asnoĘci odkrytego nieco wczeĘniej pro-
Równania Maxwella mieniowania podczerwonego i nadfiole-
W roku 1864 J.C. Maxwell analizujÄ…c te towego, doprowadzi"y Maxwella do
Rozdwajanie si´ wiÄ…zki padajÄ…cej na odbitÄ…
zjawiska i prawa nimi rządzące doszed" wniosku, Że Ęwiat"o naleŻy wraz z pod-
i za"amanÄ…  wed"ug Newtona.
do wniosku, Że pole magnetyczne moŻe czerwienią i nadfioletem do rodziny fal
byç wytwarzane nie tylko przez prÄ…d elektromagnetycznych, w której poszcze-
elektryczny, ale w ogólnoĘci przez zmien- gólne rodzaje promieniowania róŻniÄ… si´
ne pole elektryczne. I odwrotnie - zmien- jedynie d"ugoĘcią fali.
ne pole magnetyczne indukuje nie tylko
 Sprawili bogowie, Å»e tlÄ…cy si´ w nas ogieÅ‚
, podobny Ęwiat"u dziennemu, wydziela si´ przez
Ä™renice równym i g´stym strumieniem; strumieÅ‚
ten wyp"ywa na zewnątrz ku Ęwiat"u jak
podobne do podobnego i jednoczÄ…c si´ z nim tworzy rodzaj substancji wzd"uÅ» linii widzenia
oka
Platon, ok. 400 lat p.Ch.
 CechÄ… Ęwiat"a jest to, Å»e p"ynie, Å»e jest wysy"ane przez swoje Ä™ród"o na duŻą odleg"oĘç
Jan Kepler, 1604.
DoĘwiadczenie Younga z dwiema szczelinami.
 Czy promienie Ęwiat"a nie są bardzo ma"ymi cia"ami wysy"anymi przez swoje ęród"o na duŻą
U do"u obraz interferencyjny widziany na ekranie.
odleg"oĘç?
Izaak Newton, 1672.
8