Světlo: Elektromagnetické vlnění, spektrum a fotony

Elektromagnetické záření je jednou z mnoha možností, jak se může energie přemisťovat prostorem. Mezi formy elektromagnetického záření patří například teplo plápolajícího ohně, sluneční svit, rentgenové záření, se kterým se setkáte u lékaře, a také energie využívaná v mikrovlnné troubě na ohřátí jídla. Ačkoliv se tyto příklady mohou zdát být vcelku rozdílné, tak je spojuje to, že všechny vykazují vlastnosti vln.

S vlnami se můžeme setkat například při plavbě v oceánu. Vlny se dají popsat jako narušení určitého fyzického média nebo pole, což má za následek vibrace nebo oscilace. Růst vlny a její následný propad je jednoduše vibrace nebo oscilace vody na povrchu oceánu. Podobně je tomu u elektromagnetických vln, ale ty se zároveň liší v tom, že se skládají ze $2$‍ vln, které oscilují kolmo k sobě. Jednou z nich je oscilující magnetické pole a druhou je oscilující elektrické pole. To se dá vizualizovat následovně.

Bezesporu se hodí mít základní porozumění toho, co je elektromagnetické záření, nicméně většinu chemiků zajímá spíše než fyzikální podstata záření jeho interakce s hmotou. Konkrétně se chemici zabývají tím, jak různé typy elektromagnetického záření interagují s atomy a molekulami. Na základě těchto interakcí je chemik schopen určit strukturu molekuly a také to, jaké obsahuje chemické vazby. Nejprve se ale pojďme podívat na fyzikální vlastnosti vln světla.

Jak už asi víš, tak vlna má údolí (nejnižší bod) a hřeben (nejvyšší bod). Svislá vzdálenost mezi vrcholem hřebene a středovou osou vlny se nazývá amplituda. Tato vlastnost je spojována s jasem nebo intenzitou vlny. Vodorovná vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími údolími nebo hřebeny se nazývá vlnovou délkou vlny. Tyto délky se dají zobrazit následovně:

Pamatuj si, že některé vlny (včetně elektromagnetických vln) oscilují v prostoru, takže v průběhu času také oscilují v určité pozici. Veličina známá jako vlnová frekvence odkazuje na počet celých vln, které projdou daným bodem v prostoru za sekundu; jednotky SI pro frekvenci jsou Hertz $(\text{Hz})$‍, což je to samé jako “za sekundu” $($‍psáno jako ${\displaystyle \frac{1}{\text{s}}}$‍ nebo ${\text{s}}^{-1})$‍. Jak si asi dovedeš představit, tak vlnová délka a frekvence jsou nepřímo úměrné: to znamená, že čím kratší vlnová délka, tím vyšší frekvence, a naopak. Tento vztah můžeme vyjádřit pomocí následující rovnice:

kde $\lambda$‍ (řecky lambda) je vlnová délka (v metrech $\text{m}$‍) a $\nu$‍ (řecky nu) je frekvence (v Hertzích $\text{Hz}$‍). Jejich součin nám dá konstantu $c$‍, což je rychlost světla, která je $3,00\cdot {10}^8\text{ m/s}$‍. Tento vztah zohledňuje důležitý fakt, a to, že všechna elektromagnetická záření bez ohledu na jejich vlnovou délku nebo frekvenci se pohybují rychlostí světla.

Abychom si vztah mezi frekvencí a vlnovou délkou blíže popsali, tak se podívejme na následující příklad.

Vlna elektromagnetického záření má frekvenci $1,5\cdot {10}^{14}\text{ Hz}$‍.

Začneme tím, že si napíšeme rovnici, která dává do vztahu frekvenci, vlnovou délku a rychlost světla.

V následujícím kroku rovnici upravíme tak, že si vyjádříme vlnovou délku.

Nakonec dosadíme zadané hodnoty a rovnici vyřešíme.

Poslední veličinou, kterou se budeme zabývat je perioda vlny. Perioda vlny udává, jak dlouho trvá vlně projít jedním bodem v prostoru. Matematicky vyjádřeno je perioda vlny ($T$‍) obrácená hodnota vlnové frekvence ($f$‍):

Jednotkami periody jsou sekundy ($\text{s}$‍).

Teď, když už chápeme základní vlastnosti vln, tak se podíváme na různé typy elektromagnetického záření.

Elektromagnetické vlny se dají rozdělovat a řadit podle různých vlnových délek/frekvencí; toto seřazení se nazývá elektromagnetickým spektrem. Následující tabulka toto spektrum znázorňuje. Jsou zde zahrnuty všechny typy elektromagnetického záření, které se ve vesmíru vyskytují.

Je zřejmé, že viditelné spektrum—to je světlo, které jsme schopni vidět očima—tvoří pouze malou část ze všech existujících typů radiace. Napravo od viditelného světla jsou druhy energie, které mají nižší frekvenci (a tudíž delší vlnovou délku) než viditelné světlo. Tyto druhy energie zahrnují infračervené paprsky (IR) (tepelné vlny emitované tepelnými tělesy), mikrovlny a rádiové vlny. Tyto typy záření nás neustále obklopují a nejsou škodlivé, protože mají velmi nízké frekvence. Jak si vysvětlíme v sekci “fotony,” nízkofrekvenční vlny mají nízkou energii, a tudíž nejsou škodlivé pro naše zdraví.

Nalevo od viditelného spektra je ultrafialové záření, rentgenové záření a záření gama. Tyto druhy záření jsou pro živé organismy škodlivé, protože mají extrémně vysoké frekvence (a tudíž vysoké energie). Právě z tohoto důvodu se mažeme opalovacími krémy (abychom zabránili působení UV paprsků ze Slunce), a je to také důvod, proč na nás rentgenový laborant umístí olověný štít, aby rentgenové paprsky nezasáhly jinou oblast těla než tu, kterou snímkuje. Nejvíce ničivé je záření gama, které má nejvyšší energii a frekvenci. Naštěstí ale atmosféra Země toto záření přicházející z vesmíru absorbuje, a tudíž nás před ním chrání.

Naše další téma bude vztah mezi vlnovou frekvencí a energií.

Již jsme popsali, jak světlo putuje vesmírem jako vlna. Tohle je známé už nějakou dobu. Již na konci 17.století poprvé popsal nizozemský fyzik Christiaan Huygens vlnovou povahu světla. Ale ještě asi $200$‍ let po Huygensovi fyzikové předpokládali, že světelné vlny a hmota se od sebe velmi liší. Podle klasické fyziky se hmota skládá z částic, které mají hmotnost, a jejichž polohu v prostoru lze zjistit. Naopak světelné vlny mají nulovou hmotnost a jejich polohu v prostoru nelze určit. Protože se zdálo, že se jedná o dvě různé kategorie, tak vědci moc nechápali, jak spolu světlo a hmota interagují. To se ale změnilo v roce $1900$‍, když fyzik Max Planck začal se studiem černých těles – tělesa zahříval do té doby, než začala zářit.

Planck zjistil, že elektromagnetické záření emitované černými tělesy nemůže být vysvětleno klasickou fyzikou, která předpokládá, že hmota může absorbovat nebo emitovat jakékoliv množství elektromagnetického záření. Planck pozoroval, že hmota absorbuje nebo emituje pouze celočíselné násobky hodnoty $h\nu$‍, kde $h$‍ je Planckova konstanta $\mathrm{6,626}\cdot {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍, a $\nu$‍ je frekvence absorbovaného nebo emitovaného světla. Tohle bylo šokující zjištění, neboť to zpochybňovalo myšlenku, že energie je spojitá a může být přenášena v jakémkoliv množství. Ale Planck objevil, že ve skutečnosti je energie kvantována - což znamená, že se dají přenášet jen jednotlivé “balíčky” (nebo částice) o velikosti $h\nu$‍. Každý z těchto balíčků energie se nazývá kvantum (množné číslo: kvanta).

Tohle se může zdát matoucí, ale ve skutečnosti kvantované systémy již velmi dobře známe. Například peníze, které běžně používáme, jsou také kvantovány. Například, když jdete do obchodu, tak nikde neuvidíte cenu deset korun a půl haléře (10,005 Kč). To je z toho důvodu, že nejmenší peněžní jednotkou je jeden haléř—je tak nemožné převést peníze o jakékoliv nižší hodnotě než jeden haléř. A stejně jako nemůžeme zaplatit pokladnímu půl haléře, tak energie se nemůže přemisťovat v menším množství než je jedno kvantum. O kvantech můžeme přemýšlet jako o “haléřích” elektromagnetické energie—tedy jako o nejmenší možné jednotce energie, která se dá přesunout.

Planckův objev toho, že elektromagnetické záření je kvantováno, už navždy změnil myšlenku, že světlo se chová pouze jako vlna. Ve skutečnosti se zdá, že světlo má vlastnosti jak vlny, tak částice.

Planckovy objevy vydláždily cestu pro objev fotonu. Foton je elementární částice nebo také kvantum světla. Jak za chvíli uvidíme, fotony mohou být absorbovány nebo emitovány atomy nebo molekulami. Po absorpci fotonu je energie přesunuta na daný atom nebo molekulu. Protože je energie kvantována, tak se veškerá energie fotonu přesune (pamatujte si, že nemůžeme přemístit pouze část kvanta, protože se jedná o nejmenší možný “balíček energie”). To samé platí u obráceného procesu. Když atom nebo molekula energii ztratí, tak emituje foton, který obsahuje energii, která přesně odpovídá energii ztracené atomem nebo molekulou. Změna energie je přímo úměrná frekvenci emitovaného nebo absorbovaného fotonu. Tento vztah je dán známou Planckovou rovnicí:

kde $E$‍ je energie absorbovaného nebo emitovaného fotonu (v Joulech, $\text{J}$‍), $\nu$‍ je frekvence fotonu (v Hertzích, $\text{Hz}$‍) a $h$‍ je Planckova konstanta $6.626\cdot {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍.

Foton má frekvenci $2,0\cdot {10}^{24}\text{ Hz}$‍.

Nejprve použijeme Planckovu rovnici.

Dále dosadíme zadanou hodnotu pro frekvenci stejně jako hodnotu pro Planckovu konstantu $h$‍ a rovnici vyřešíme.

(Nápověda: Vzpomeň si, co jste se již naučili o vztahu mezi vlnovou délkou a frekvencí.)

Elektromagnetické záření se dá popsat pomocí jeho amplitudy (jasu), vlnové délky, frekvence a periody. Rovnice $E=h\nu$‍ nám říká, že frekvence světla je úměrná jeho energii. Objev ze začátku 20. století, že energie je kvantována, vedl k odhalení, že světlo není pouze vlna, ale dá se popsat také jako soubor částic známých jako fotony. Fotony nesou diskrétní množství energie nazývané kvanta. Tato energie může být přenesena na atomy a molekuly, pokud absorbují foton. A naopak mohou atomy a molekuly emitováním fotonů energii ztratit.