If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Světlo: Elektromagnetické vlnění, spektrum a fotony

Vlastnosti elektromagnetického záření a fotonů

Úvod do elektromagnetických vln

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.
Elektromagnetické záření se dá zakreslit jako oscilující elektrické pole (oscilující v ploše stránky/obrazovky počítače) a na něj kolmé magnetické pole (v tomto případě oscilující před a za stránku). Osa Y je amplitudou a osa X je vzdáleností v prostoru.
Elektromagnetické vlny se skládají z oscilujícího elektrického pole a na něj kolmého oscilujícího magnetického pole. Obrázek z UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
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.

Základní vlastnosti vln: Amplituda, vlnová délka a frekvence

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:
Dvourozměrné zobrazení vlny. Amplituda je vzdálenost od středové osy (označené červeně) k vrcholku hřebene. Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma hřebeny nebo údolími.
Základní vlastnosti vlny včetně amplitudy a vlnové délky Obrázek z UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0.
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 left parenthesis, start text, H, z, end text, right parenthesis, což je to samé jako “za sekundu” left parenthesispsáno jako start fraction, 1, divided by, start text, s, end text, end fraction nebo start text, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, right parenthesis. 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:
c, equals, lambda, \nu
kde lambda (řecky lambda) je vlnová délka (v metrech start text, m, end text) a \nu (řecky nu) je frekvence (v Hertzích start text, H, z, end text). Jejich součin nám dá konstantu c, což je rychlost světla, která je 3, comma, 00, dot, 10, start superscript, 8, end superscript, start text, space, m, slash, s, end text. 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.

Příklad: Výpočet vlnové délky světelného vlnění

Vlna elektromagnetického záření má frekvenci 1, comma, 5, dot, 10, start superscript, 14, end superscript, start text, space, H, z, end text.
Jaká je vlnová délka tohoto vlnění?
Začneme tím, že si napíšeme rovnici, která dává do vztahu frekvenci, vlnovou délku a rychlost světla.
c, equals, lambda, \nu
V následujícím kroku rovnici upravíme tak, že si vyjádříme vlnovou délku.
lambda, equals, start fraction, c, divided by, \nu, end fraction
Nakonec dosadíme zadané hodnoty a rovnici vyřešíme.
lambda, equals, start fraction, 3, comma, 00, dot, 10, start superscript, 8, end superscript, start fraction, start text, m, end text, divided by, start cancel, start text, s, end text, end cancel, end fraction, divided by, 1, comma, 5, dot, 10, start superscript, 14, end superscript, start fraction, 1, divided by, start cancel, start text, space, s, end text, end cancel, end fraction, end fraction, equals, 2, comma, 00, dot, 10, start superscript, minus, 6, end superscript, start text, space, m, end text
Kontrola porozumění: Co se stane s frekvencí světla, pokud se jeho vlnová délka zvýší 10krát?

Perioda

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):
T, equals, start fraction, 1, divided by, f, end fraction
Jednotkami periody jsou sekundy (start text, s, end text).
Teď, když už chápeme základní vlastnosti vln, tak se podíváme na různé typy elektromagnetického záření.

Elektromagnetické spektrum

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.
Elektromagnetické spektrum se skládá ze všech druhů záření ve vesmíru. Záření gama má nejvyšší frekvenci, zatímco radiové vlny nejnižší. Viditelné světlo je zhruba uprostřed tohoto spektra a pokrývá jen jeho velmi malou část.
Elektromagnetické spektrum. Obrázek z UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
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.

Kvantování energie a duální povaha světla

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.
Roztavená láva se chová jako černé těleso - při velmi vysokých teplotách vyzařuje elektromagnetické záření ve viditelné oblasti.
Roztavená láva vyzařující záření jako černé těleso. Obrázek převzat s laskavým svolením U.S. Geological Survey.
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 6, comma, 626, dot, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text, 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.

Foton

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:
E, equals, h, \nu
kde E je energie absorbovaného nebo emitovaného fotonu (v Joulech, start text, J, end text), \nu je frekvence fotonu (v Hertzích, start text, H, z, end text) a h je Planckova konstanta 6, point, 626, dot, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text.

Příklad: Výpočet energie fotonu

Foton má frekvenci 2, comma, 0, dot, 10, start superscript, 24, end superscript, start text, space, H, z, end text.
Jaká je energie tohoto fotonu?
Nejprve použijeme Planckovu rovnici.
E, equals, h, \nu
Dále dosadíme zadanou hodnotu pro frekvenci stejně jako hodnotu pro Planckovu konstantu h a rovnici vyřešíme.
E, equals, left parenthesis, 6, comma, 626, dot, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start cancel, start text, s, end text, end cancel, right parenthesis, dot, left parenthesis, 2, comma, 0, dot, 10, start superscript, 24, end superscript, start cancel, start text, space, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, end cancel, right parenthesis, equals, 1, comma, 3, dot, 10, start superscript, minus, 9, end superscript, start text, space, J, end text
Kontrola porozumění: Vlnová délka oranžového světla je asi 590, minus, 635, start text, space, n, m, end text a vlnová délka zeleného světla je asi 520, minus, 560, start text, space, n, m, end text. Světlo o jaké barvě má vyšší energii?
(Nápověda: Vzpomeň si, co jste se již naučili o vztahu mezi vlnovou délkou a frekvencí.)

Závěr

Elektromagnetické záření se dá popsat pomocí jeho amplitudy (jasu), vlnové délky, frekvence a periody. Rovnice E, equals, 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.