9. Το Φως ως Κύμα

Ελένη Καλδούδη

Όπως είδαμε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, το φως έχει ιδιότητες που χαρακτηρίζουν τα κύματα αλλά

και τα κινούμενα υλικά σωμάτια. Σε μια σειρά από φαινόμενα εμφανίζονται κυρίαρχες οι κυματικές

ιδιότητες και σε αυτές τις περιπτώσεις η θεώρηση του φωτός ως κλασικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι

αρκετή για μια καλή περιγραφή και ανάλυση. Τέτοια φαινόμενα είναι η ανάκλαση, η διάθλαση, το

φαινόμενο Doppler και κυρίως η συμβολή και περίθλαση του φωτός. Τα τελευταία βασίζονται στη

βασική αρχή της κυματικής θεωρίας, την αρχή της επαλληλίας, που ορίζει ότι κατά την ταυτόχρονη

διάδοση δύο ή περισσότερων κυμάτων στο χώρο, για κάθε χρονική στιγμή η μετατόπιση σε κάθε

σημείο του χώρου εξαιτίας της κυματικής διαταραχής είναι το διανυσματικό άθροισμα των

μετατοπίσεων κάθε επιμέρους κύματος στο συγκεκριμένο σημείο. Η αρχή αυτή της επαλληλίας

καθορίζει τα ενδιαφέροντα κυματικά φαινόμενα που παρατηρούνται όταν κύματα από διαφορετικές

διακριτές πηγές φτάνουν στο ίδιο σημείο του χώρου (φαινόμενα συμβολής) καθώς και όταν οι πηγές

των κυμάτων έχουν συνεχή κατανομή (φαινόμενα περίθλασης). Γενικά, η μελέτη του φωτός ως κύμα

εξηγεί ικανοποιητικά κυρίως τα φαινόμενα διάδοσης του φωτός, ενώ για τα φαινόμενα αλληλεπίδρασης

του φωτός με την ύλη απαιτείται η θεώρηση του φωτός ως σωματίδιο (φωτόνιο).

9.1. Μελέτη κυματικής διαταραχής

Τα κύματα είναι μια ειδική κατηγορία κίνησης: πρόκειται για τη διάδοση (δηλαδή κίνηση) στον χώρο

μιας ταλάντωσης. Δε μεταφέρεται μάζα, αλλά ενέργεια. Ένα σημείο του χώρου ταλαντώνεται και

παρασύρει σε ταλάντωση και το γειτονικό του κ.ο.κ. Υλικά είναι τα κύματα όπου μόρια ενός υλικού

μέσου ταλαντώνονται γύρω από τη θέση ισορροπίας τους – για παράδειγμα, κύματα στην επιφάνεια

της θάλασσας, σε μια τεντωμένη χορδή, ο ήχος. Αντίθετα, ενεργειακά (ή πεδίου) είναι τα κύματα στα

οποία ταλαντώνεται η τιμή ενός μεγέθους, π.χ. ένταση ηλεκτρικού πεδίου, σε ένα σημείο στον χώρο.

Είναι προφανές ότι τα κύματα πεδίου δεν απαιτούν υλικό μέσο για τη διάδοσή τους – μπορεί να

διαδοθούν και στον κενό χώρο.

t)y(x, t)λ,y(x

x

y

x1 x2

λ

y

σε μια τυχαία χρονική στιγμή

t)y(x,T) ty(x,

t

y

t1 t2

T

y

σε ένα τυχαίο σημείο του χώρου

Τ = περίοδοςλ = μήκος

κύματος

περιοδικότητα ως προς τη θέση: περιοδικότητα ως προς το χρόνο:

Σχήμα 9-1. Περιοδικότητα κυματικής κίνησης ως προς τη θέση (μήκος κύματος: η ελάχιστη

απόσταση μεταξύ δύο σημείων που έχουν την ίδια κινητική κατάσταση) και ως προς το χρόνο

(περίοδος: το ελάχιστο χρονικό διάστημα ώστε ένα σημείο του χώρου να βρεθεί στην ίδια κινητική

κατάσταση).

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

153

Η μελέτη μιας κυματικής διαταραχής περιλαμβάνει τον προσδιορισμό της κίνησης κάθε σημείου του

χώρου για κάθε χρονική στιγμή. Δηλαδή, θα πρέπει να υπολογίσουμε τη μετατόπιση από τη θέση

ισορροπίας για κάθε σημείο του χώρου, και για κάθε χρονική στιγμή. Στα κύματα η μετατόπιση κάθε

σημείου από τη θέση ισορροπίας είναι συνάρτηση: (α) της θέσης στο χώρο και (β) του χρόνου.

Συνήθως, για να χαρακτηρίσουμε κάποια κίνηση κυματική πρέπει να υπάρχει κάποιας μορφής

περιοδικότητα στην κίνηση ως προς τον χρόνο και ως προς τη θέση (Σχήμα 9-1).

Μια απλή περίπτωση κυματικής κίνησης είναι αυτή που δημιουργείται από μια πηγή που εκτελεί απλή

αρμονική ταλάντωση, δηλαδή η μετατόπιση (y) του σημείου του χώρου από τη θέση ισορροπίας είναι

ημιτονοειδής συνάρτηση του χρόνου (t). Δηλαδή (βλ. και Σχήμα 9-2):

όπου Α είναι το πλάτος της ταλάντωσης (δηλ. η μέγιστη απομάκρυνση από τη θέση ισορροπίας), ω

είναι η γωνιακή συχνότητα (δηλ. ω=2πν είναι η συχνότητα ν της κίνησης εκφρασμένη σε rad ανά

μονάδα χρόνου), t ο χρόνος και φ η αρχική φάση (εκφράζει τη μετατόπιση από τη θέση ισορροπίας

στην αρχή της παρατήρησης).

t=0 t=Τ/4 t=Τ/2 t=3Τ/4

Ο

t=Τ

υτ

Ο

υτ

Ο Ο Ο

υτ

Ο

Α

Αφ

Μ0

y0

O

A

Σχήμα 9-2. Η απλή αρμονική ταλάντωση ως η κίνηση της ορθής προβολής σημείου που εκτελεί

ομαλή κυκλική κίνηση. H παραπάνω ταλάντωση αντιστοιχεί στην κίνηση που κάνει η ορθή

προβολή στον άξονα y (που περνά από το κέντρο του κύκλου που ορίζει την κίνηση) σημείο που

εκτελεί ομαλή κυκλικής κίνησης

Από τη σχέση [9-1] μπορούμε να υπολογίσουμε τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ταλαντωτικής κίνησης,

ταχύτητας υτ και επιτάχυνση ατ ταλάντωσης:

𝜐𝜏 =𝑑𝑦

𝑑𝑡=

𝑑

𝑑𝑡[𝐴 𝜂𝜇(𝜔𝑡 + 𝜑)] =

= 𝛢𝑑

𝑑𝑡 [𝜂𝜇𝜔𝑡 𝜎𝜐𝜈𝜑 + 𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡 𝜂𝜇𝜑] = 𝛢 [

𝑑

𝑑𝑡(𝜂𝜇𝜔𝑡 𝜎𝜐𝜈𝜑) +

𝑑

𝑑𝑡(𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡 𝜂𝜇𝜑)] =

= 𝛢 𝜎𝜐𝜈𝜑 𝑑

𝑑𝑡 𝜂𝜇𝜔𝑡 + 𝐴 𝜂𝜇𝜑

𝑑

𝑑𝑡 𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡 = 𝜔𝛢 𝜎𝜐𝜈𝜑 𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡 − 𝜔𝛢 𝜂𝜇𝜑 𝜂𝜇𝜔𝑡 =

= 𝜔𝐴 𝜎𝜐𝜈(𝜔𝑡 + 𝜑)

[9-2]

και

𝛼𝜏 =𝑑𝜐𝜏

𝑑𝑡=

𝑑

𝑑𝑡[𝜔𝐴 𝜎𝜐𝜈(𝜔𝑡 + 𝜑)] = [9-3]

𝑦 = 𝐴 𝜂𝜇(𝜔𝑡 + 𝜑) [9-1]

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

154

= 𝜔𝛢𝑑

𝑑𝑡 [𝜎𝜐𝜈𝜑 𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡 − 𝜂𝜇𝜑 𝜂𝜇𝜔𝑡] = 𝜔𝛢 [

𝑑

𝑑𝑡(𝜎𝜐𝜈𝜑 𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡) +

𝑑

𝑑𝑡(𝜂𝜇𝜑 𝜂𝜇𝜔𝑡)] =

= 𝜔𝛢 𝜎𝜐𝜈𝜑 𝑑

𝑑𝑡 𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡 + 𝜔𝐴 𝜂𝜇𝜑

𝑑

𝑑𝑡 𝜂𝜇𝜔𝑡 = −𝜔2𝛢 [𝜎𝜐𝜈𝜑 𝜂𝜇𝜔𝑡 − 𝜂𝜇𝜑 𝜎𝜐𝜈𝜔𝑡] =

= −𝜔2𝐴 𝜂𝜇(𝜔𝑡 + 𝜑)

Για τα παραπάνω θυμόμαστε τα βασικά από τριγωνομετρία

𝜂𝜇(𝛢 ± 𝛣) = 𝜂𝜇𝛢 𝜎𝜐𝜈𝛣 ± 𝜎𝜐𝜈𝛢 𝜂𝜇𝛣

𝜎𝜐𝜈(𝛢 ± 𝛣) = 𝜎𝜐𝜈𝛢 𝜎𝜐𝜈𝛣 ∓ 𝜂𝜇𝛢 𝜂𝜇𝛣

𝑑

𝑑𝑥𝜂𝜇(𝛢𝑥) = 𝐴 𝜎𝜐𝜈(𝛢𝑥)

𝑑

𝑑𝑥𝜎𝜐𝜈(𝛢𝑥) = −𝐴 𝜂𝜇(𝛢𝑥)

[9-4]

Η διάδοση της παραπάνω ταλάντωσης στο χώρο δίνει ένα ημιτονοειδές κύμα. Αν δούμε το κύμα σε μια

διάσταση (Σχήμα 9-3), όπως αυτό διαδίδεται σε ένα μέσο που του επιτρέπει να διαδίδεται με ταχύτητα

υ, τότε σε χρόνο μιας περιόδου (Τ) η ταλάντωση έχει διαδοθεί κατά ένα μήκος κύματος (λ).

y

xO

λ

υ

Σχήμα 9-3. Αρμονικό κύμα όπως προκύπτει από πηγή που εκτελεί ημιτονοειδή ταλάντωση.

Από τον ορισμό της ταχύτητας:

𝜐 =𝛿𝜄ά𝜎𝜏𝜂𝜇𝛼

𝜒𝜌ό𝜈𝜊𝜍=

𝜆

𝛵⇒ 𝜆 = 𝜐𝛵 ή 𝜅𝛼𝜄 𝜆 =

𝜐

𝜈⇒ 𝜐 = 𝜆𝜈 [9-5]

Η εξίσωση [9-5] είναι γνωστή και ως κυματική εξίσωση και συνδέει τα βασικά χαρακτηριστικά του

κύματος, συχνότητα, ταχύτητα διάδοσης και μήκος κύματος. Εδώ να σημειώσουμε ότι η συχνότητα

είναι χαρακτηριστικό της πηγής, δηλαδή της ταλαντωτικής κίνησης. Η ταχύτητα διάδοσης εξαρτάται

από το μέσο, και καθορίζεται από την ευκολία με την οποία η ταλαντωτική κίνηση διαδίδεται σε

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

155

γειτονικά σημεία. Για παράδειγμα, σε ένα υλικό κύμα, μέσο με μόρια που συνδέονται με ισχυρούς

δεσμούς (π.χ. στερεά) επιτρέπει μεγάλη ταχύτητα υλικού κύματος καθώς η ταλάντωση ενός μορίου

συμπαρασύρει άμεσα σε κίνηση και τα γειτονικά του μόρια. Με δεδομένη συχνότητα πηγής και

ταχύτητα μέσου, το μήκος κύματος καθορίζεται τόσο ώστε να ισχύει η παραπάνω κυματική εξίσωση.

Έστω ένα σημείο Μ του μέσου που απέχει x από την πηγή της ταλάντωσης. Η διαταραχή φτάνει στο

Μ τη χρονική στιγμή (τ)

𝑥 =𝜐

𝜏 [9-6]

Μια τυχαία χρονική στιγμή t, το σημείο Μ έχει φάση ταλάντωσης (δηλ. απομάκρυνση από τη θέση

ισορροπίας) αυτήν που είχε η πηγή τη χρονική στιγμή (𝑡 − 𝜏). Επομένως, η απομάκρυνση κάθε σημείου

του χώρου ως συνάρτηση του χρόνου και της απόστασης από την πηγή της ταλάντωσης δίνεται:

𝑦 = 𝛢 𝜂𝜇[𝜔(𝑡 − 𝜏) + 𝜑] = 𝛢𝜂𝜇[𝜔𝑡 − 𝜔𝜏 + 𝜑] = 𝐴𝜂𝜇 [𝜔𝑡 − 𝜔𝑥

𝜐+ 𝜑] =

= 𝐴𝜂𝜇 [𝜔𝑡 −2𝜋

𝛵

𝑥

𝜐+ 𝜑] ⇒ 𝑦 = 𝛢𝜂𝜇 [𝜔𝑡 −

2𝜋

𝜆+ 𝜑]

[9-7]

Η ποσότητα 2𝜋/𝜆 ονομάζεται συχνά και κυματάριθμος.

9.2. Συμβολή σύμφωνων διακριτών φωτεινών κυμάτων

Για να παρατηρηθούν ενδιαφέροντα φαινόμενα συμβολής με το φως, πρέπει οι φωτεινές πηγές που

εμπλέκονται να παράγουν φως με ίδια συχνότητα (μονοχρωματικό) και με ίδια φάση (σύμφωνο). Ο

συνηθισμένος τρόπος για την παραγωγή μονοχρωματικών σύμφωνων πηγών φωτός είναι να φωτίσουμε

ένα πέτασμα που έχει μικρές οπές με πηγή μονοχρωματικού φωτός που ισαπέχει από τις οπές. Το φως

που εξέρχεται από τις οπές είναι σύμφωνο και ίδιας συχνότητας.

Έστω δύο σύμφωνες διακριτές φωτεινές πηγές Π1 και Π2 που δημιουργούνται με τον τρόπο που

αναφέρεται παραπάνω και διαδίδουν στο χώρο φως συχνότητας λ. Σε κάθε σημείο του χώρου που

απέχει απόσταση x1 από την πρώτη πηγή και απόσταση x2 από τη δεύτερη πηγή, το φως φτάνει με

διαφορά φάσης Δθ:

𝛥𝜃 =2𝜋(𝑥1 − 𝑥2)

𝜆 [9-8]

Σημεία στο χώρο όπου τα δύο κύματα φτάνουν με συμφωνία φάσης, δηλαδή Δθ=0, το πλάτος του

συνιστάμενου κύματος είναι μέγιστο (δημιουργική συμβολή) και για τα σημεία η διαφορά της

απόστασής τους από τις δύο πηγές είναι ακέραιο πολλαπλάσια του μήκος κύματος, δηλαδή:

για συμφωνία φάσης 𝛥𝜃 = 0 ισχύει (𝑥1 − 𝑥2) = 𝛥𝑥 = 𝑛𝜆, όπου n είναι ακέραιος [9-9]

Επίσης, για σημεία στο χώρο όπου τα δύο κύματα φτάνουν με αντίθεση φάσης, δηλαδή Δθ=π, το πλάτος

της συνιστάμενης ταλάντωσης είναι μηδενικό (καταστρεπτική συμβολή) και για τα σημεία αυτά η

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

156

διαφορά της απόστασής τους από τις δύο πηγές είναι ημιπεριττό πολλαπλάσιο του μήκους κύματος,

δηλαδή:

αντίθεση φάσης 𝛥𝜃 = 𝜋 ισχύει (𝑥1 − 𝑥2) = 𝛥𝑥 = (2𝑛 + 1)𝜆

2 , όπου n ακέραιος [9-10]

Σε κάθε άλλο σημείο του χώρου η κυματική κίνηση αντιστοιχεί σε κάποια ενδιάμεση κατάσταση. Ας

εξετάσουμε το φαινόμενο συμβολής σε μια διάταξη όπως αυτή που φαίνεται στο Σχήμα 9-4. Οι οπές

που απέχουν απόσταση d στο πρώτο πέτασμα δημιουργούν δύο σύμφωνες πηγές που διαδίδουν φωτεινά

κύματα στο χώρο. Σε δεύτερο πέτασμα, παράλληλο με το πρώτο σε απόσταση L από το πρώτο τα

φωτεινά κύματα δημιουργούν εναλλαγές περιοχών με μεγάλο ή μικρό πλάτος ταλάντωσης εξαιτίας

φαινομένων συμβολής. Οι εναλλαγές αυτές ονομάζονται κροσσοί συμβολής. Στα σημεία που έχουμε

μέγιστο η συμβολή των κυμάτων είναι δημιουργική κι επομένως ισχύει η συνθήκη της εξίσωσης [9-9],

δηλαδή η διαφορά δρόμων των δύο κυμάτων Δx είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους κύματος.

Επομένως στο τρίγωνο από το τρίγωνο ΑΒΓ έχουμε:

𝜂𝜇𝜃 =𝛥𝑥

𝑑⇒ 𝜂𝜇𝜃 =

𝑛𝜆

𝑑 [9-11]

Αν η απόσταση (d) μεταξύ των δύο πηγών είναι κατά πολύ μικρότερη από την απόσταση L των πηγών

από πέτασμα, τότε το ευθύγραμμο τμήμα ΑΓ είναι πρακτικά κάθετο στα ΑΔ και ΓΔ και η γωνία ΔΕΖ

είναι περίπου ίση με τη γωνία θ. Άρα:

𝜂𝜇𝜃 =𝑦𝑛

𝐿 [9-12]

Από τις Εξισώσεις [9-11] και [9-12] καταλήγουμε ότι:

δημιουργικήσυμβολή

καταστρεπτικήσυμβολή

θ

P

θd

L

Δx

ynΑ

Β

Γ

Δ

Ε Ζ

Σχήμα 9-4. Κροσσοί δημιουργικής και καταστρεπτικής συμβολής από δύο διακριτές σύμφωνες

φωτεινές πηγές.

𝑛𝜆

𝑑=

𝑦𝑛

𝐿⇒ 𝑦𝑛 =

𝑛𝜆𝐿

𝑑 [9-13]

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

157

Η εξίσωση [9-13] δίνει την απόσταση (yn) π από το κέντρο του πετάσματος για τα σημεία στα οποία

παρατηρείται συμφωνία φάσης, κι άρα δημιουργική συμβολή και μέγιστη ένταση φωτός.

Αντίστοιχα, τα σημεία στο δεύτερο πέτασμα στα οποία παρατηρείται συμφωνία φάσης, κι άρα

δημιουργική συμβολή και μέγιστη ένταση φωτός, βρίσκονται σε απόσταση yn:

𝑦𝑛 = (𝑛 +𝜆

2)

𝐿

𝑑 [9-14]

όπου n=0,1,2, … και d, λ << L

Οι εξισώσεις [9-13] και [9-14] αναδεικνύουν το γεγονός ότι η απόσταση τόσο των μέγιστων όσο και

των ελάχιστων εξαρτάται μεταξύ άλλων και από το μήκος κύματος. Επομένως κύματα με διαφορετικό

μήκος κύματος θα συμβάλλουν δημιουργικά σε διαφορετικά σημεία στο πέτασμα. Αυτό το φαινόμενο

το εκμεταλλευόμαστε μεταξύ άλλων και για την ανάλυση φωτός που αποτελείται από πολλές

συχνότητες στις επιμέρους συνιστώσες του. Συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται διατάξεις ονομάζονται

φράγματα περίθλασης και είναι πλέγματα με πολλές οπές (περίπου 500 ανά εκατοστό του μέτρου).

Σύμφωνα με την παραπάνω ανάλυση, κάθε χρωματική συνιστώσα δίνει μέγιστο δημιουργικής

συμβολής σε διαφορετική απόσταση από το κέντρο του πετάσματος, που δίνεται από τη σχέση [9-13]

που μπορεί να ξαναγραφεί χρησιμοποιώντας την κυματική εξίσωση [9-5] ως εξής:

𝑦𝑛 =𝑛𝜆𝐿

𝑑⇒ 𝑦𝑛 =

𝑛𝐿

𝑑

𝜐

𝜈 [9-15]

Επομένως, κύματα με μεγαλύτερη συχνότητα δίνουν μέγιστα συμβολής σε μικρότερες αποστάσεις από

το κέντρο του πετάσματος. Στο Σχήμα 9-5 φαίνεται ο χρωματικός διαχωρισμός φωτός με ίση

περιεκτικότητα σε κυανό και ερυθρό από διάφραγμα δύο οπών.

φράγμαπερίθλασης

δέσμη φωτός με ίση περιεκτικότητα σε κυανό και ερυθρό

+ = n=0

n=1

n=2

n=1

n=2

n=1

n=2

n=1

n=2

μικρή συχνότητα μεγάλη μετατόπιση των μεγίστων

yn = nλL/d

η θέση του μέγιστου ανάλογη της συχνότητας

Σχήμα 9-5. Χρωματικός διαχωρισμός φωτός με ίση περιεκτικότητα σε κυανό και ερυθρό από

φράγμα περίθλασης. Η ερυθρά συνιστώσα με τη μικρότερη συχνότητα δίνει μέγιστα σε αποστάσεις

μεγαλύτερες από αυτές της κυανής συνιστώσας.

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

158

Επίσης, από την εξίσωση [9-13] βλέπουμε ότι οι αποστάσεις των μέγιστων συμβολής εξαρτώνται και

από την απόσταση d μεταξύ των πηγών, δηλαδή των οπών του φράγματος. Μικρότερη απόσταση

αντιστοιχεί σε μέγιστα που απέχουν περισσότερο μεταξύ τους. Το Σχήμα 9-6 δείχνει αυτή την

αντίστροφη αναλογία.

πλέγμα

μέγιστα περίθλασης

μέγιστα περίθλασηςμέγιστα περίθλασης

d1 d2 d3 d4 d5

Σχήμα 9-6. Πλέγμα με μεταβλητή απόσταση μεταξύ των οπών. Στα σημεία που η απόσταση d είναι

μικρή (π.χ. d1), τα μέγιστα συμβολής σχηματίζονται σε μεγάλες μεταξύ τους αποστάσεις, οι οποίες

μικραίνουν όταν η απόσταση μεταξύ των οπών μεγαλώνει (π.χ. d5).

9.3. Περίθλαση συνεχώς κατανεμημένων σύμφωνων φωτεινών πηγών

Η περίθλαση αναφέρεται σε κυματικά φαινόμενα που εμφανίζονται όταν έχουμε επαλληλία από πολλές

συνεχώς κατανεμημένες σύμφωνες πηγές. Ως συνεχώς κατανεμημένες σύμφωνες πηγές μπορούμε να

θεωρήσουμε το μέτωπο ενός κύματος. Επομένως, η περίθλαση αφορά την κυματική συμπεριφορά όταν

στην διάδοση του κύματος υπάρχουν εμπόδια (ή οπές σε πετάσματα) με διαστάσεις συγκρίσιμες με το

μήκος κύματός του και σε αυτή οφείλεται η διάδοση του κύματος και στη «σκιά» των εμποδίων που

συναντά (Σχήμα 9-7).

Κύμα με μήκος κύματος πολύ μικρότερο από τις διαστάσεις του εμποδίου/οπής δεν δημιουργεί έντονα

φαινόμενα περίθλασης, κι επομένως δεν διαδίδεται στη σκιά του εμποδίου. Κύμα με μήκος κύματος

περίπου στις διαστάσεις του εμποδίου/οπής δημιουργεί έντονα φαινόμενα περίθλασης σε σχετικά μικρή

απόσταση (μερικά μήκη κύματος), και η κυματική συμπεριφορά εξαρτάται από τη συχνότητα και τις

διαστάσεις του εμποδίου. Τέλος, κύμα με μήκος κύματος πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του

εμποδίου/οπής δημιουργεί έντονα φαινόμενα περίθλασης σε ελάχιστη απόσταση, ουσιαστικά σα να

μην παρεμβλήθηκε το εμπόδιο/οπή.

Αυτή η συμπεριφορά καθορίζει, για παράδειγμα, και τη διακριτική ικανότητα που μπορούμε να

πετύχουμε στο οπτικό μικροσκόπιο. Φως με μεγαλύτερο μήκος κύματος από τις διαστάσεις του

αντικειμένου που θέλουμε να δούμε δημιουργεί έντονη περίθλαση, το φως συμπεριφέρεται σα να μη

παρεμβλήθηκε το εμπόδιο, κι άρα το εμπόδιο δεν είναι ορατό. Αν το φως έχει μήκος κύματος περίπου

στις διαστάσεις του αντικειμένου, έχουμε σημαντική περίθλαση αμέσως μετά το αντικείμενο, και τα

φαινόμενα αυτά κάνουν το αντικείμενο να φαίνεται θολό. Καλή διάκριση του αντικειμένου μπορούμε

να έχουμε μόνο όταν το μήκος κύματος είναι μικρό σε σχέση με το αντικείμενο (δηλαδή, η συχνότητα

του φωτός μεγάλη), ώστε η περίθλαση να είναι αμελητέα. Επομένως, αν θέλουμε να δούμε μικρότερα

αντικείμενα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε υψηλότερης συχνότητας φως.

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

159

Τέτοιο φως είναι οι ακτίνες Χ, με ενέργεια στην περιοχή 100eV-100keV και μήκος κύματος περίπου

στην περιοχή 10-8 έως 10-13 m, που αντιστοιχεί στις διαστάσεις του κρυσταλλικού πλέγματος.

περίθλαση = το κύμα διαδίδεται

και στη σκιά

σχετικά μεγάλομήκος κύματος

δεν βλέπειτο εμπόδιο

περίπου ίδιομήκος κύματοςδίνει περίθλασησε μικρή απόσταση

σχετικά μικρόμήκος κύματοςδεν δίνει έντονηπερίθλαση

Σχήμα 9-7. Περίθλαση κυμάτων όταν συναντούν εμπόδια με διαφορετικές διαστάσεις σε σχέση με

το μήκος κύματος.

9.4. Κυματική φύση του φωτός και το όριο στη διακριτική ικανότητα

Η υπόθεση στη γεωμετρική οπτική, (η οποία δεν εξετάζει την κυματική φύση του φωτός),

είναι ότι ένα άνοιγμα αφήνει τις ακτίνες του φωτός να περάσουν ευθύγραμμα. Ωστόσο, αν λάβουμε

υπόψη και την κυματική φύση του φωτός, κάθε σημείο του ανοίγματος αντιστοιχεί σε μια σημειακή

πηγή το φως από τις σημειακές πηγές συμβάλει σε κάθε σημείο του πετάσματος και δημιουργεί

κροσσούς συμβολής, όπως στο Σχήμα 9-8.

aΣ1

aΣ1

όπως θα προέβλεπε η γεωμετρική οπτική

όπως προκύπτει από την κυματική φύση

Σχήμα 9-8. Είδωλο αντικειμένου μέσα από οπή όπως θα το αναμέναμε βάσει της

γεωμετρικής οπτικής (αριστερά) και όπως πραγματικά σχηματίζεται εξαιτίας της

κυματικής φύσης του φωτός.

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

160

Έστω σημειακή πηγή Σ1 πίσω από άνοιγμα διαμέτρου α, που βρίσκεται σε απόσταση L από ένα

πέτασμα (π.χ. ένα ανιχνευτή) κάθε σημείο του ανοίγματος αποτελεί πηγή φωτός. Για να βρω το είδωλο

της πηγής στο πέτασμα θα πρέπει να υπολογίσω σε κάθε σημείο το άθροισμα (ολοκλήρωμα) όλων των

κυμάτων που φτάνουν από όλα τα σημεία της οπής. Προκύπτει ότι η συμβολή των άπειρων φωτεινών

κυμάτων από την επιφάνεια του ανοίγματος δίνει στο πέτασμα ελάχιστο (δηλ. καταστρεπτική

συμβολή), όταν ημθ= m (λ/α) όπου, m = ±1, ±2, ±3, …

φως από πηγή Σ1

a

P

θ

L

κεντρικό μέγιστο

1ο ελάχιστο

2ο μέγιστο

Σχήμα 9-9. Κροσσοί συμβολής από είδωλο αντικειμένου μέσα από οπή.

Σ1

Σ2

Σ1

Σ2

Σχήμα 9-10. Είδωλα δύο διαφορετικών αντικειμένων σε μεγάλη απόσταση (πάνω) και

απόσταση όση το διακριτικό όριο (κάτω).

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

161

H ένταση των μέγιστων μετά το 1ο (κεντρικό) είναι φθίνουσα:

Ι2 = 4,5% Ι1

Ι3 = 1,6% Ι1

Ι4 = 0,8% Ι1

1ο ελάχιστο: ημθ = λ/α, και αν λ<<α, θ≈0 και ημθ ≈ θ τότε,

1ο ελάχιστο: θ=λ/α, μικρότερο λ μικρότερο θ το 1ο ελάχιστο πιο κοντά στο

1ο μέγιστο

[9-16]

Όταν το κεντρικό μέγιστο του ενός συμπέσει με το πρώτο ελάχιστο του άλλου, θεωρούμε ότι τα δύο

σώματα μόλις διακρίνονται - αυτό είναι το όριο διακριτικής ικανότητας. Μικρότερο λ (δηλ.

μεγαλύτερη συχνότητα), σημαίνει ότι το 1ο ελάχιστο είναι πιο κοντά στο κεντρικό μέγιστο, άρα το όριο

διακριτικής ικανότητας βελτιώνεται (Σχήμα 9-10).

Στο οπτικό μικροσκόπιο: για να πετύχουμε τη μέγιστη διακριτική ικανότητα πρέπει να

χρησιμοποιήσουμε το μικρότερο δυνατό μήκος κύματος από το φάσμα ορατού φωτός. Άρα, πρέπει να

χρησιμοποιήσουμε τη μεγαλύτερη δυνατή συχνότητα από το φάσμα του ορατού φωτός, δηλαδή ιώδες

φως με λ~400 nm. Τότε, η μέγιστη δυνατή διακριτική ικανότητα (ιώδες φως) είναι ~200 nm. Στην

πράξη συχνά είναι μικρότερη (δηλ. μπορούμε να δούμε δομές μόνο όταν είναι αρκετά μεγαλύτερες από

200nm), γιατί έχουμε επιπλέον περιορισμούς της διακριτικής ικανότητας από την πειραματική διάταξη.

9.5. Πόλωση

Η πόλωση είναι χαρακτηριστικό εγκάρσιων κυμάτων και αναφέρεται στη διεύθυνση της ταλάντωσης

του ηλεκτρικού πεδίου. Πολωμένη είναι η δέσμη φωτός στην οποία όλα τα φωτόνια έχουν τη

συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου τους στην ίδια διεύθυνση – προφανώς και τη συνιστώσα του

μαγνητικού πεδίου στην ίδια διεύθυνση, κάθετη στη συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου (Σχήμα 9-11).

το φως στη γενική περίπτωση

σε μια δέσμη ΗΜ κυμάτων που κινούνται προς μια διεύθυνση, στη γενική περίπτωση, το Ε πεδίο έχει τυχαίο προσανατολισμό

πολωμένο φως

αν με κάποιο τρόπο μπορούμε να κάνουμε όλα τα ΗΜ κύματα να έχουν στην ίδια διεύθυνση το ηλεκτρικό τους πεδίο, μιλάμε για πολωμένο φως (ως προς αυτή τη διεύθυνση)

Ε

Ε

Ε

ΕΕ

ΕΕΕ

ΕΕ

Ε

Σχήμα 9-11. Πόλωση φωτός.

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

162

Ας θεωρήσουμε λοιπόν την απλή αναπαράσταση του ΗΜ, όπου δείχνουμε μόνο τη διεύθυνση διάδοσης

(μαύρο βέλος) και τη διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου Ε (κόκκινο βέλος), όπως στο Σχήμα 9-11. Αν

θεωρήσουμε ότι μιλάμε για ΗΜ στην περιοχή του ορατού, η αλληλεπίδραση με την ύλη είναι σε

μοριακό επίπεδο. Στην ουσία, το ηλεκτρικό πεδίο αλληλεπιδρά με ελεύθερα ή εξώτερης στιβάδας

ηλεκτρόνια (e-) και τα θέτει σε ταλάντωση στην ίδια διεύθυνση με αυτή του ηλεκτρικού πεδίου (η

ένταση του Ε ταλαντώνεται, επομένως αντίστοιχα ταλαντώνονται και τα ηλεκτρόνια). Το πολωμένο

φως που θα αλληλεπιδράσει με ελεύθερα ηλεκτρόνια, θα τα αναγκάσει σε ταλάντωση προς την

συγκεκριμένη διεύθυνση. Επομένως αυτά θα επαναεκπέμψουν φως με το ηλεκτρικό πεδίο Ε προς την

ίδια διεύθυνση (θα δημιουργήσουν ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο, που αναγκαστικά θα δημιουργήσει

ταλαντούμενο κάθετο μαγνητικό πεδίο, βλ. Maxwell) – άρα θα έχουμε εκπομπή πολωμένου φωτός με

πόλωση προς την ίδια διεύθυνση με την πόλωση του αρχικού φωτός (Σχήμα 9-12).

Εe-

e- Ε

πολωμένο φως συναντά ελεύθερα φορτία

τα αναγκάζει σε ταλάντωση στη διεύθυνση της

πόλωσης

η ταλάντωση δημιουργεί ΗΜ, πολωμένο στην αρχική διεύθυνση

Σχήμα 9-12. Αλληλεπίδραση πολωμένου φωτός με ηλεκτρόνια της ύλης.

Ας υποθέσουμε ότι πολωμένο φως συναντά κάποιο μόριο, που είναι π.χ. πιο μακρύ παρά φαρδύ (Σχήμα

9-13). Είναι λογικό να σκεφτούμε ότι τα ηλεκτρόνια που θα αλληλεπιδράσουν με το Ε θα μπορέσουν

να το κάνουν αν το Ε είναι παράλληλο με τον μακρύ άξονα του μορίου, παρά το αντίθετο, μια και προς

αυτή τη διεύθυνση μπορούν να κινηθούν ευκολότερα. Έτσι, στην περίπτωση που το Ε ( σημαίνει

‘παράλληλο’) με τον ‘μακρύ’ άξονα, τα ηλεκτρόνια ταλαντώνονται και επανεκπέμπεται πολωμένο φως.

Στην περίπτωση που Ε στο μακρύ άξονα, τα ηλεκτρόνια δεν έχουν την ελευθερία να ταλαντωθούν,

και άρα το φως δεν επανεκπέμπεται (ή επανεκπέμπεται πολύ λίγο). Η διεύθυνση του μορίου που

επιτρέπει την ταλάντωση λέγεται και οπτικός άξονας.

Ε Ε Ε ΕΧ

Σχήμα 9-13. Πολωμένο φως και ‘ασύμμετρα’ μόρια.

Στην ουσία, ένα τέτοιο μόριο, ανάλογα με τον προσανατολισμό του επιτρέπει τη διέλευση πολωμένου

φωτός, ανάλογα με την διεύθυνση πόλωσης ως προς τη διεύθυνση του οπτικού άξονα. Αν έχουμε

μεγάλο αριθμό από παρόμοια μόρια, με τυχαίους προσανατολισμούς το καθένα, δεν θα έχουμε

μακροσκοπικά ορατά αποτελέσματα. Αν έχουμε παρόμοια μόρια σε κρυσταλλική δομή, τότε θα έχουμε

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

163

ορατά μακροσκοπικά αποτελέσματα, δηλαδή το πολωμένο φως θα ‘περνά’ από τον κρύσταλλο όταν το

επίπεδο πόλωσης είναι παράλληλο προς μια συγκεκριμένη διεύθυνση και θα περνά λιγότερο σε άλλες

διευθύνσεις, με μέγιστη απορρόφηση για φως με διεύθυνση πόλωσης κάθετη με τον οπτικό άξονα.

Οπότε, στη γενική περίπτωση, για ύλη σε κατάσταση διαλύματος, δεν περιμένουμε να δούμε στροφή

σε πολωμένο φως.

Στη στερεοχημεία είναι γνωστό ότι τα εναντιοϊσομερή στρέφουν το πολωμένο φως (ο ένας δεξιά και ο

άλλος αριστερά κατά γωνία με ίδια απόλυτη τιμή). Πώς συμβαίνει αυτό σε ατομικό επίπεδο,αφού οι

εναντιοισομερείς ενώσεις βρίσκονται μέσα σε διάλυμα ως διαλυμένες ουσίες, άρα και τα μόρια τους

κινούνται χωρίς ακριβή προσανατολισμό μέσα στο διάλυμα (ενώ εαν ήταν σε στέρεη μορφή τα μόρια

θα βρίσκονταν σε καθορισμένες θέσεις, κάτι που θα εξηγούσε τη στροφή του πολωμένου φωτός);

Ε

x

y

z

πολωμένο φως εναντιοϊσομερές ταλάντωση προς δύο διευθύνσεις

Εy

Εx

Εεκπεμπόμενο

θ

Σχήμα 9-14. Εναντιοϊσομερή και πόλωση.

Τα εναντιοϊσομερή είναι ενώσεις που έχουν μεταξύ τους τη σχέση ειδώλου-αντικειμένου.

Παραδείγματα τέτοιων σχημάτων είναι η ‘βίδα’ ή σπείρα. Μια ποσοτική και σωστή παρουσίαση του τι

ακριβώς συμβαίνει με αυτές τις ενώσεις, απαιτεί σοβαρή μαθηματική αντιμετώπιση, ωστόσο μια

ποιοτική προσέγγιση μπορεί να δώσει τη βασική ιδέα για το τι συμβαίνει. Για να το δείξουμε αυτό, θα

πάρουμε ένα μόριο στο απλό σχήμα της σπείρας.

Σύμφωνα με όσα είπαμε, περιμένει κανείς το Ε να αναγκάσει ηλεκτρόνια να κινηθούν πάνω-κάτω στην

σπείρα, κατά τον άξονα της σπείρας (|| y), κι επομένως να έχει φαινόμενη ταλάντωση κατά τον y αλλά,

όπως αναγκάζονται να κινηθούν έτσι τα ηλεκτρόνια, υποχρεωτικά ταλαντώνονται και προς τη

διεύθυνση χ, μια και αναγκάζονται να ακολουθήσουν την σπείρα. Η ταλάντωση κάθετα στον άξονα

είναι μικρότερη.

Στην περίπτωση που έχουμε τη σπείρα με την αντίθετη φορά, η πόλωση του εκπεμπόμενου φωτός είναι

προς την αντίθετη κατεύθυνση, και πάλι σχηματίζοντας την ίδια γωνία. Το ενδιαφέρον είναι, πως αν

κανείς χρησιμοποιήσει μερικά ακόμα παραδείγματα για σπείρες με άλλο προσανατολισμό και τα

ανάλογα μαθηματικά, μπορεί να δείξει ότι αν ο άξονας της σπείρας έχει άλλη κατεύθυνση ως προς την

πόλωση του αρχικού φωτός, η συνισταμένη ταλάντωση θα είναι και πάλι η ίδια, και το εκπεμπόμενο

φως θα είναι και πάλι πολωμένο στην ίδια διεύθυνση (με γωνία θ ως προς την αρχική) όπως και την

προηγούμενη φορά. Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή στη διεύθυνση της πόλωσης δεν εξαρτάται από τον

προσανατολισμό του μορίου, και άρα μπορούμε μακροσκοπικά να την δούμε και σε σύνολο μορίων με

τυχαίο προσανατολισμό (=διάλυμα). Αυτό είναι γνωστό ως το φαινόμενο της οπτικής ενεργότητας

(optical activity).

Βιβλιογραφία

1. Crowell B, Light and Matter Series, Fullerton & www.lightandmatter.com

Η Φυσική της Ζωής Κεφ. 9: Το Φως ως Κύμα

164

2. Feynman RP, Leighton RB, Sands M, The Feynman Lectures in Physics, Addison-Wesley, Reading

MA 1963, 1977. τόμος 1, κεφ. 33, σελ. 33-6

3. Feynman RP, QED: The Strange Theory of Light and Matter (κυρίως κεφ. 2), Princeton University

Press, 1985

4. Feynman RP, QED: The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press, 1985

5. Hewitt PG, Οι Έννοιες της Φυσικής, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο, 2004

6. O’Loane JK, Optical Activity in Small Molecules, Nonemantiomorphous Crystals, and Nematic

Liquid Crystals, Chem. Rev., vol. 80, pp. 41-61, 1980.

7. Ooi L, Principles of X-ray Crystallography, Oxford University Press, Oxford, 2010.

8. Serway RA, Physics For Scientists & Engineers with Modern Physics, Saunders College

Publishing, Philadelphia, 1983

9. Serway RA, Physics for Scientists & Engineers, 3rd Ed., Saunders College Publishing, Philadelphia,

1990 – απόδοση στα ελληνικά: Λ.Κ. Ρεσβάνης, Βιβλιοπωλείο Κορφιάτη, Αθήνα, 1990. Τόμος ΙΙΙ

10. Αναγνωστόπουλος Α, Δόνη Ε, Καρακώστας Θ, Κομνηνού Φ, Κεφάλαια Φυσικής, Εκδόσεις Ζήτη,

Θεσσαλονίκη, 1998

11. Ασημέλλης Γ, Μαθήματα Οπτικής, Copy City, Θεσσαλονίκη, 2005

12. Προυκάκης Χ, Ιατρική Φυσική. Τόμος ΙΙ – Μηχανική, Κυματική – Κεφ. 11, Εκδόσεις Παρισιάνου,

Αθήνα, 2004