Miért van világos ott is, ahová nem süt a Nap?
A gyertyaláng és a rádióállomás
Ha a Napon, a Holdon
vagy más égitesten mégoly hatalmas robbanás
történnék is, hangja nem jutna el a Földre.
A hangrezgések nem tudnak
áthatolni a bolygóközi téren. De a fény
a távoli égitestekről is eljut hozzánk, és eljutnak az űrrakéták rádiójelzései
is.
De nem kell a világűrbe menni, hogy az említett jelenségeket meg. figyeljük.
Tegyünk üvegbura alá egy csengőt, egy villanylámpát és egy kis rádióadóállomást.
Ha kiszivattyúzzuk a burából a levegőt, a csengő hangját
nem halljuk. De a bura alatt levő villanylámpa fénye
vagy a rádióadó jelzései kitűnően átjutnak a bura légritka terén.
Mivel a fény, a rádióhullám
a légritka téren át is terjed, ez azt mutatja, hogy egészen másféle jelenségek
ezek, mint a hang.
De mivel a fény is,
a rádióhullám is
átjutnak a csillagközi téren, ebből arra lehet gondolni hogy a fény
és a rádióhullámok
rokonságban vannak egymással (ábra).
A gyertyaláng is, a rádióadóállomás is lényegileg ugyanolyan elektromágneses hullámokat sugároz ki. Csupán a hullámhosszban van különbség
Az utóbbi száz évben sikerült bebizonyítani, hogy azok a rádióhullámok, amelyek
rádiókészülékünket működtetik, lényegileg ugyanolyan hullámok, mint a fényhullámok,
csakhogy a rádióhullámok százezerszer - ezermilliószor hosszabbak, mint a fényhullámok.
Gondoltuk volna, hogy szemünk és a rádiókészülék lényegében ugyanarra a célra
szolgál? A rádiókészülék a rádióhullámokat veszi észre, szemünk pedig az ezermilliószor
rövidebb fényhullámokat.
A gyertyalángot tekinthetjük ilyen rövid hullámokat kibocsátó rádióállomásnak.
A rádióállomás antennatornyát pedig olyan gyertyának gondolhatjuk, amelyből
a kiinduló hullámok olyan hosszúak, hogy szemünk már nem érzékeny rájuk. Ha
az az adóantenna egyre rövidebb rádióhullámokat bocsátana ki, végül olyan rövideket,
mint a fényhullám, akkor az antennatorony világítana, mint a gyertyaláng.
Milyen hosszú a hang-, a rádió- és a fényhullám?
Amikor a zenész hegedűjének,"a" húrját hangsíp
segítségével behangolta. akkor ez az "a" hangot
adó húr másodpercenként 440-et rezdül, 440 hanghullám
indul ki belőle.
De egy másodperc alatt a hang
kb. 340 méter messzire jut el. Ezért az a 440 hanghullám
340 méter hosszú úton át oszlik el. Milyen hosszú út jut egy hullámra?
A 340 méter 440-ed része (ábra). Tehát
A másodpercenként 440 rezgésszámú "a" hang hullámhosszának számítása
A 440-es rezgésű
hang hullámhossza
340 méter : 440 = 0,773 méter = 77,3 centiméter.
A rádióhullámok
meg a fényhullámok is
egy másodperc alatt 300 000 kilométert tesznek meg. Könnyű egy műszerrel megmérni
azt, hogy a rádióadótoronyban az elektromos áram hányszor fut fel-le egy másodperc
alatt. Ennyi a rezgésszáma. Ennyi hullám
indul ki az antennából egy másodperc alatt.
A Kossuth adó hullámhosszának számítása
Például a Kossuth rádió csepeli adótornyában egy másodperc alatt 539 000 rezgés történik, 539 000 hullám indul ki belőle és 539 000 hullám oszlik el az egy másodperc alatt befutott 300 000 kilométeres úton (ábra). Ezért
A budapesti ultrarövid hullámú rádióadó pedig 4,5 méteres hullámokat sugároz,
több mint százszor rövidebbeket, mint a Kossuth-adó.
De ha azt akarnánk, hogy a Kossuth rádió csepeli antennatornya világítson, mint
a gyertyaláng, akkor ezermilliószor rövidebb rádióhullámokat kellene kisugároznia,
mint most, mert például a vörös fény hullámának hossza kb. 0,0008 milliméter,
az ibolyántúlié kb. 0,0004 mm. A 0,000556 mm hullámhosszú rádióhullámokat sugárzó
antenna zöld fényben ragyogna. Az elektromos áramnak pedig másodpercenként 539
000 milliószor kellene fel-le szaladnia az antennatoronyban. Ezt nem tudjuk
megvalósítani.
Mi bizonyítja azt, hogy a fényben is energia terjed, mégpedig hullámszerűen?
Emlékezzünk csak vissza a hanghullámokra. Ha például a dobot megütjük a dobverővel,
munkát végzünk, és a dob bőre rezegni kezd. A hang keltéséhez szükséges munkavégzés
egy része hangrezgések, hanghullámok alakjában terjed tovább. Hogy valóban energia
terjed tovább, az bizonyítja, hogy a hang megrezegteti tenyerünket, dobhártyánkat.
Hasonlóképpen munkavégzés,
energia szükséges
a rádióhullámok
vagy a fény keltéséhez
is. Képzeljünk el két nagy sebességgel
haladó molekulát
vagy atomot. Ha összeütköznek,
akkor az összeütköző részecskék energiájának
egy része fényrezgések,
fényhullámok alakjában
terjed tovább.
Például az izzó vas azért világít, mert a nagy hőmérsékleten sebesen mozgó vasatomok
összeütköznek. Új világítóeszközünk, a fénycső azért világít, mert a fénycsövön
keresztülhaladó elektromos áramban sebesen mozgó elektronok nekiütköznek a csőben
levő gázok atomjainak.
Mi bizonyítja azt, hogy a fényben
energia terjed?
Ha a napsugárba tartjuk kezünket, meleget érzünk. A melegebb anyag molekulái
sebesebben mozognak, nagyobb az energiájuk. Ezt az energiatöbbletet a fény szállította
oda.
Azt valóban könnyű észrevenni, hogy a fényben energia terjed. De mikor jött
rá az emberiség arra, hogy a fényben rezgésszerűen, hullámszerűen terjed az
energia? Mert ha a napfényt látjuk, igazán semmi sem mutat arra, hogy ez a fény
valamiféle rezgőmozgás, hullámmozgás.
A résekre baloldalról fény esik. A résekből a fal felé kiinduló sok fénysugár közül kísérjük figyelemmel a rajzon látható két fénysugarat. Van a falon olyan hely, ahová az egyik résből kiinduló fénysugár hullámheggyel, a másikból kiinduló pedig hullámvölggyel érkezik. Itt sötétség lesz
Kísérlet. Amikor a szabadban fürdünk, könnyen elvégezhetjük a következő
kísérletet: a csendes állóvíz tükrére tegyünk egy parafa dugót, azután mártogassuk
ujjunk a vízbe. A mártogatás
helyéről vízhullámok
indulnak ki, energia
terjed. A dugó emelkedik és süllyed. Ha hullámhegy érkezik oda, emelkedik, ha
hullámvölgy, akkor süllyed.
Ezután a dugó másik oldalán is mártogassuk a másik kezünket vízbe.
A dugóhoz most mindkét kezünktől érkeznek hullámok.
Ha mindkét helyről hullámhegy érkezik egyszerre a dugóhoz, akkor kétszer olyan
magasra emelkedik, mintha csak egy hullámhegy érkeznék. Ha pedig mindkét helyről
hullámvölgy érkezik egyszerre a dugóhoz, akkor kétszer olyan mélyre süllyed.
De ha ügyesen mártogatunk, akkor lesznek olyan pillanatok, amikor egyik kezünktől
hullámhegy érkezik a dugóhoz - emelni akarja, a másik kezünktől meg hullámvölgy
- ez meg süllyeszteni akarja. Végeredményben a dugó mozdulatlan marad.
Ehhez hasonló kísérletet lehet elvégezni a fénnyel
is. Világítsuk meg a falat egy lámpával - a fal világos lesz. Ezután világítsuk
meg a falat egy másik fényforrással
is - a fal még fényesebb lesz.
Ez természetes, ez mindennapi tapasztalat.
De a fizikusok elő tudják idézni azt az esetet is, hogy jóllehet mindkét fényforrásból
fény jut a falra, a
fal mégsem lesz világos, hanem sötét marad (ábra). Ez csak úgy magyarázható,
ha feltételezzük azt, hogy az egyik fényforrásból
hullámheggyel, a másikból meg hullámvölggyel érkezik a falra a fény,
vagyis a fény hullámmozgás.
(A fény hullámtermészetét
Thomas Young brit fizikus
igazolta 1803-ban kísérletének leírása és animációi címszavánál, megtalálhatók.)
Madártollal bizonyítjuk, hogy a fény hullámmozgás
Gyermekkorában alighanem mindenki nézett már madártollon át a Nap
vagy a lámpa fehér fénye
felé. Szivárványszínű csíkokat látott. Hogyan lehet ez, hiszen fehér fény
jött át a tollszőrök közötti igen keskeny réseken! Hogyan lett a fehér fényből
különböző színű fény?
A magyarázat egyszerű. A fehér fényben
összekeveredve benne vannak a szivárvány összes színei. A fény
a tollban egymás mellett levő szűk réseken át jut szemünkbe. Igen ám, de a rések
különböző távolságban vannak szemünktől. Tegyük fel, hogy a madártollra eső
fehér fényben benne
levő vörös színű fény
átjön az egyik résen és hullámheggyel érkezik szemünkbe. A kissé odább
levő szomszéd résből jövő fény
már valamivel hosszabb utat tesz meg, ezért hullámvölggyel érkezik szemünkbe.
De a hullámhegy és a hullámvölgy kioltják egymást - eltűnik a vörös szín a szemünkbe
érkező fényből. Megmarad
a többi szín, ezek keveréke azonban zöld színt ad, így zöld színt látunk.
Ugyanígy kioltódhat a tollra eső fehér fényből a benne levő sokféle szín bármelyike,
és a megmaradt színek keveréke bármilyen színt adhat.
Ezeket a fénytalálkozási jelenségeket is csak úgy tudjuk megmagyarázni, ha a
fényt hullámmozgásnak gondoljuk.
Bizony ez annyira szokatlannak látszik, hogy a tudomány csak 1800 körül fogadta
el a fénynek ezt az úgynevezett hullámelméletét.
Mikor sikerült megmérni a fény terjedési sebességét?
Mindennapi jelenségek (pl. a visszhang) bizonyítják azt, hogy a hangnak időre
van szüksége terjedéséhez.
De a gyufa fénye
a lángralobbanás pillanatától számított egy másodperc múlva már 300 000 kilométer
messzire jut. Ezért semmiféle mindennapi tapasztalatunk sem mutat arra, hogy
a fény terjedéséhez
idő kell. Römer Olaf
dán csillagász a párizsi csillagvizsgálóban 1675-ben olyan megfigyelést tett,
miközben a Jupiter bolygó
holdjainak keringésidejét
vizsgálta, amit csak a fény
véges terjedési sebességével
lehetett megmagyarázni. Sőt megfigyelése alapján ki is számította a világűrben
terjedő fény sebességét.
(A meghatározás elve a fénysebesség
címszónál látható.) De még a következő évtizedekben is akadtak kiváló tudósok,
akik nem hittek abban, hogy a fénynek
időre van szüksége a terjedéshez.
Földi fényforrásból
kiinduló fény terjedési
sebességét először 1849-ben sikerült megmérnie a francia Fizeau (olv.
Fizó) fizikusnak. Azóta az is kiderült, hogy a fény
sebességénél nagyobb sebesség
lehetetlen a természetben.
A fény terjedési sebessége valamivel kisebb, mint 300 000 km másodpercenként,
pontosabban 299 793 km másodpercenként légüres térben. (A fény sebessége vízben
225 000 km, üvegben kb. 200 000 km másodpercenként.)
Miért lesznek láthatóvá a tárgyak, ha fény esik rájuk?
A vízhullámok, a hanghullámok visszaverődnek a tárgyakról. A fény mint hullámmozgás ugyancsak visszaverődik, a visszavert fény szemünkbe jut és látjuk a tárgyat (ábra).
A közönséges ablaküveg halvány képet ad, mert a ráeső fénynek csak 10%-át veri vissza
Egy tárgy annál jobban látható, mennél több fény
verődik vissza róla.
De hogy az a tárgy minden irányból látható legyen, azért minden irányban lehetőleg
sok fényt kell visszavernie.
Ezért felületének nem szabad simának lennie.
Nem minden anyag veri vissza egyformán jól a fényt.
Például az ezüst a ráeső fénynek
kb. 90%-át veri vissza, az alumínium 75%-át. Ezért vonják be ezüsttel a tükrök
hátsó felületét. Így sok fényt
ver vissza, fényerős képet látunk.
A durva felület minden irányban szétszórja az egy irányból érkező fényt. A felület minden irányból látható
Sőt az is érthető, hogy miért szemcsés felületű a jó mozivászon és miért
kenik be alumínium-festékkel.
A szemcsés felület minden irányba szórja a fényt
(ábra), a kép minden irányból látható, az alumínium
pedig azt biztosítja, hogy sok fény
verődjék vissza
a nézők szemébe.
De a mozivászon fizikájánál sokkal fontosabb azt tudni, hogy
a fehérre meszelt fal 80%-át,
a világossárga fal 55%-át,
a zöld fal pedig csak 25%-át
veri vissza a fénynek.
A falakról visszaverődő fény
eljut a szoba legtávolabbi sarkába is, ezért van világos ott is, ahová nem süt
a Nap.
Aki még este is világos szobát akar és kevés villanyköltséget, az jól jegyezze
meg, hogy a fehér fal 80%-os és a világossárga fal 55%-os fényvisszaverő képességű.