Widmo elektromagnetyczne i światło lasera

Potrzebne wiadomości: Częstotliwość, długość fali i światło.

Jedna rodzina fal

W kolejności rosnącej częstotliwości wymieniamy fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, nadfiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma. Granice zakresów są umowne, a część nazw uwzględnia pochodzenie promieniowania. W próżni wszystkie rozchodzą się z c i spełniają c=\lambda f.

W modelu płaskiej fali w próżni zmienne pola elektryczne i magnetyczne są wzajemnie prostopadłe oraz prostopadłe do kierunku propagacji. Fala nie potrzebuje powietrza. To odróżnia ją od mechanicznego dźwięku. Zmiany obu pól są ze sobą powiązane w równaniach elektromagnetyzmu.

Co oznaczają długość i częstotliwość?

Częstotliwość mówi, ile okresów mija w sekundzie. Długość fali jest odstępem między punktami o tej samej fazie w danej chwili. W czasie jednego okresu 1/f zaburzenie przebywa w próżni odległość c/f. Stąd λ=c/f; nie jest to odległość pokonywana przez elektron w antenie.

Dla 100 MHz mamy 100 milionów drgań na sekundę, więc λ=3 m. Dla dwukrotnie większej częstotliwości długość w próżni wynosi 1,5 m. Po przejściu do przezroczystego ośrodka częstotliwość wyznaczona przez źródło nie zmienia się na nieruchomej granicy, lecz zmiana szybkości zmienia długość fali.

Światło i dźwięk: podobny rysunek to nie ten sam mechanizm

Fala dźwiękowa w powietrzu przenosi zaburzenia ciśnienia i gęstości. Bez cząsteczek ośrodka nie ma kolejnych porcji gazu, które mogłyby się ściskać i rozprężać. Fala elektromagnetyczna jest zmianą pól i może rozchodzić się bez gazu. Słońce widzimy przez przestrzeń niemal pustą, choć jego dźwięk nie dociera do nas tą samą drogą.

Jeżeli pomiędzy źródłem a czujnikiem pozostawimy metalowy pręt, drgania mogą dotrzeć przez niego mimo próżni obok. Dlatego zadanie wyklucza mechaniczną drogę przez konstrukcję: to istotny warunek, a nie zbędne słowo.

Pojedynczy foton i cała wiązka

Energia fotonu to E=hf. Moc jest energią przekazywaną w sekundzie. Jeżeli w każdej sekundzie dociera Ṅ jednakowych fotonów, P=Ṅhf. Przy stałej mocy podwojenie f oznacza podwojenie energii jednego fotonu i dwukrotne zmniejszenie ich liczby na sekundę.

Ta zależność nie oznacza, że wiązki o tej samej mocy oddziałują identycznie z materiałem. Pochłanianie, energia fotonu, wielkość plamki i czas ekspozycji też mają znaczenie. Moc całkowita i koncentracja energii to różne informacje.

Co wyróżnia laser?

Laser może dawać wiązkę o wąskim widmie, dobrze określonych relacjach faz i małej rozbieżności. „Monochromatyczna” i „równoległa” są użytecznymi przybliżeniami, nie idealnymi własnościami każdego realnego urządzenia. Emisja wymuszona pozwala wzmacniać promieniowanie o odpowiednich własnościach; energię dostarcza pompowanie ośrodka.

Fale radiowe służą komunikacji, podczerwień m.in. obrazowaniu cieplnemu, a rentgenowskie obrazowaniu struktur. Zastosowanie zależy od oddziaływania z materią. Energia pojedynczego fotonu rośnie z częstotliwością; moc całej wiązki zależy również od liczby fotonów. Nie kierujemy laserów ani silnych źródeł światła w oczy i nie eksperymentujemy samodzielnie z promieniowaniem jonizującym.

Po co laserowi uporządkowanie?

Wąski zakres częstotliwości i uporządkowane relacje faz ułatwiają interferencję i precyzyjne pomiary. Mała rozbieżność pomaga kierować energię na mały obszar. Realna wiązka jednak się rozszerza, a widmo ma skończoną szerokość. Laser nie jest po prostu synonimem jasnej lampy ani źródłem, które nie potrzebuje energii zasilania.

Zadania do tego tematu

• Długość fali sygnału o częstotliwości 100 megaherców
• Dźwięk i światło w próżni
• Ta sama moc nie oznacza tej samej liczby fotonów

Dalsza lektura

Materiał referencyjny