Natura wyposażyła nas w odbiorniki fal świetlnych – oczy i od zarania wieków poznajemy nasz piękny świat tym sposobem. Trudno uwierzyć, że przez większość tego czasu nie bardzo wiedzieliśmy czym jest światło. Dopiero w ostatnich 100 – 200 latach „nagie małpy” - jak nas raczył nazwać Andrzej Dragan w swojej książce Kwantechizm, zrobiły olbrzymi skok w zrozumieniu wszechświata i pewne zagadnienia stały się bardziej zrozumiałe. Dotyczy to także światła.
Zagadnieniem tym zajmował się także Max Planck (1858 – 1947). Wykazał on, że promieniowanie (fale elektromagnetyczne) wytwarza materia, która ma temperaturę większą od zera w skali bezwzględnej Kelwina (0 K = -2730 C ). W takim razie, oprócz gwiazd (Słońca) świeci większość materii we wszechświecie, a na naszej planecie tym bardziej. Tu świeci wszystko.
Technicy (zaliczam się do nich) lubią posługiwać się obrazkami. Dlatego zamieszczam charakterystyki widmowe (w zależności od długości fali) świecenia ciał o różnych temperaturach.
Powierzchnia Słońca ma temperaturę ok. 5500 K i charakterystyka jej świecenia ma przebieg podobny do podanego na rysunku przez najwyższą krzywą. Kolorowy (tęczowy – bez żadnych domysłów, proszę) pionowy pasek to zakres naszego widzenia. Rzeczywiście różne długości fal świetlnych widzimy jako kolorowe. Jeżeli się zmiesza te kolory, otrzyma się światło białe, takie z jakim mamy do czynienia na co dzień. Reszty promieni nie widzimy (na rysunku kolor czarny), co nie oznacza, że ich nie ma. Są, tylko ich nie widzimy.
My (nasze ciała) też świecimy, a długość fali maksymalnej wydajności naszego świecenia przypada na ok. 10 μm, daleko poza zakresem widzenia. Wojskowi jednak to wykorzystali i zbudowali przyrządy pozwalające nas na tej długości fali obserwować. Poprawiają naturę, niestety w celu łatwiejszego się zabijania.
Max Planck długo się biedził, chcąc wyznaczyć zależność (wzór) na podane powyżej charakterystyki widmowe świecenia. Można rzec, że biedził się dosłownie i stosunkowo długo. Dopiero pewne założenie doprowadziło go do pozytywnego rezultatu.
Uznał, że światło jest pękiem złożonym z najmniejszych, elementarnych części promieniowania – kwantów, które nazwano fotonami. Foton to bardzo dziwny twór. Nie istnieje w spoczynku i ma zerową masę spoczynkową. Foton istnieje wyłącznie jako fala rozprzestrzeniająca się z ogromną prędkością (w próżni równą 300 tys. km/s). Atmosfera ziemska nieco ją modyfikuje (zmniejsza), ale nieznacznie. Nadal jest bardzo duża. Prędkość, z jaką się porusza światło jest wielkością charakterystyczną. Zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina, żadne ciało materialne tej prędkości przekroczyć nie może.
Foton masy spoczynkowej nie ma, ale niesie ze sobą energię. Zgodnie z zasadą równoważności masy i energii A. Einsteina, ma on masę równoważną energii i pęd. Skutki tego możemy poznać nadmiernie się opalając.
Powróćmy do „biedzenia się” Maxa Plancka. Udało mu się wzór na promieniowanie materii utworzyć (nie ma potrzeby go przytaczać), gdy założył, że energia fotonu jest proporcjonalną do częstotliwości (ν) fali, z jaką się on (foton) propaguje w przestrzeni. To pozornie bardzo prosta zależność: Ef = hν. Współczynnik proporcjonalności h na część odkrywcy nazwany został stałą Plancka. To niezwykle mała wielkość. Jeżeli chcemy wyrazić energię fotonu w dżulach, to h=6,6260693 10—34 (J s).
Jeżeli foton jest falą, to jako zjawisko okresowe opisywane funkcją sinusoidalną, ma inne wielkości go charakteryzujące. Jedną już poznaliśmy, to częstotliwość powtarzania, liczba cykli w jednej sekundzie (ν) mierzona w hercach (Hz). Inną jest okres powtarzania (T) – czas, po którym funkcja jest odtwarzana i długość fali (λ) – droga, jaką przebywa fala w czasie jednego okresu.
Jeżeli wydaje się to trochę skomplikowane, proszę wybaczyć: to nie ja, takie jest światło. Jeszcze, niestety, trochę do jego obrazu dodamy. Jeżeli wzór powyższy jest energią kwantu światła – fotonu, to jest on (foton) niepodzielny. Co więc oznacza część wartości podanej powyższym wzorem?
Weźmy dla przykładu jej połowę. Zobaczmy: ½(hν) =h•½ (ν) =h(ν/2).
To nie jest połowa kwantu napisanego górnym wzorem, chociaż liczbowo tyle wynosi. W rzeczywistości to energia zupełnie innego fotonu. Ten foton ma inną częstotliwość. Gdybyśmy mogli go zobaczyć, miałby inny kolor. Tak będzie przy każdym innym podziale. Udowodniliśmy, że zależność wyjściowa to energia fotonu i że foton jest niepodzielny.
Jeszcze jeden wniosek można stąd wysnuć. Częstotliwość fali świetlnej jest praktycznie miarą energii fotonu. Zamiennie w tej roli może występować długość fali i tymi miarami w praktyce się posługujemy. Przypomnimy sobie, że mamy fale długie, średnie, krótkie, mikrofale i fale nanometrowe, te zakresu optycznego (laserowe).
Wszyscy dobrze wiemy, że lustra (zwierciadła) mogą być częściowo przepuszczalne. Nie dziwi nas, że zwierciadło jest np. półprzepuszczalne. Jeżeli na takie zwierciadło padnie strumień światła, jego część (w przybliżeniu połowa) się odbije, a część pozostała przejdzie na drugą stronę. Spotykamy się z tym zjawiskiem na co dzień i nas to nie dziwi. Pytanie, czy przypadkiem dziwić nie powinno? No to przejdźmy do naszego niepodzielnego fotonu. Przecież światło jest pękiem fotonów Najlepiej niech padnie na takie zwierciadło właśnie jeden foton - czy on przejdzie, czy się odbije? Proszę pamiętać, że foton jest niepodzielny. Jeżeli tak, to przy padaniu na zwierciadło może albo przejść, albo się odbić. To jest właściwa odpowiedź.
Z podobną sytuacją spotykamy się częściej. Gdy sędzia piłkarski losuje boisko dla którejś z drużyn, rzuca monetę. Przed jej upadkiem nie wiadomo, czy na wierzchu będzie orzeł czy reszka. Podobnie tu, gdy foton padnie na zwierciadło, nie wiemy, czy odbije się on od zwierciadła, czy przejdzie na jego drugą stronę. W takim razie stopień odbicia zwierciadła wyznacza prawdopodobieństwo tego zdarzenia. Może to z tego powodu Albert Einstein narzekał na zasady fizyki kwantowej, mówiąc, że Bóg nie gra w kości. Wydaje się, że trzeba będzie się jednak do tego przyzwyczaić.
Nie ukrywam, że moje próby pisania o tych sprawach mają na celu wyjaśnienie babci – jak pisał Andrzej Dragan – budowę i zasady działania lasera. Babci dawno nie mam, ale może uda mi się przybliżyć te zagadnienia państwu. W następnym odcinku spróbuję rozprawić się ze statystyką Ludwika Boltzmanna. Niestety, też jest potrzebna.
Zdzisław Jankiewicz