ΤΑΞΙΔΙ ΣΤΟ ΦΩΣ

Ας ασχοληθούμε σήμερα και με κάτι κοινό κοινότατο που όμως μάς πήρε πολλά χρόνια μέχρι να γίνει κατανοητή η ουσία και η προέλευσή του.

Μετά από χρόνια μελετών επί μελετών, θεωριών επί θεωριών και πειραμάτων επί πειραμάτων, μπορούμε λοιπόν σήμερα να θέσουμε το ερώτημα για το τι είναι τέλος πάντων αυτό το «ζώο» που ονομάζουμε φως.

Το φως είναι πάνω απ’ όλα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ένα κύμα δηλαδή που διαδίδεται στο χώρο και στο χρόνο με την ταχύτητα προφανώς του φωτός! Κάθε κύμα, όπως και αυτά της θάλασσας, χαρακτηρίζεται από το πλάτος του, και από τη συχνότητά του. Προς το παρόν, μιας και είναι έξω από τις ανάγκες του παρόντος κειμένου, θα αφήσουμε απ’ έξω τη φάση του, η οποία έχει σημασία μόνο σε περιπτώσεις συμβολής δυο ή περισσότερων κυμάτων και στα LASERS.

Η διαφορά του ηλεκτρομαγνητικού κύματος όμως σε σχέση με τα κύματα της θάλασσας ή τα ηχητικά είναι ότι τα δεύτερα χρειάζονται ένα υλικό μέσο για να διαδοθούν, νερό ή αέρα αντιστοίχως, ενώ το φως δεν τα χρειάζεται, δηλαδή ο μηχανισμός διάδοσής του δεν προϋποθέτει υλική βάση. Στα κύματα της θάλασσας για παράδειγμα μια διαταραχή από ένα βοτσαλάκι ας πούμε, σε ένα σημείο του νερού, διαδίδεται και στα διπλανά του μόρια αναγκάζοντάς τα να ανεβαίνουν ή να κατεβαίνουν στο νερό, παραμένοντας όμως στο ίδιο σημείο. Προφανώς η διάδοση της αρχικής διαταραχής στο νερό επιτυγχάνεται διότι κάθε μόριο νερού αλληλεπιδρά με κάποια δύναμη με το διπλανό του, δηλαδή είναι συνδεδεμένα ανά δυο με ένα ελατηριάκι, για να το πούμε πιο απλά.

Η διάδοση του φωτός στο κενό η οποία περιγράφεται από τις εξισώσεις του Maxwell επιτυγχάνεται όταν ένα μαγνητικό πεδίο που μεταβάλλεται στο χώρο, προκαλεί μεταβολή στο χρόνο του ηλεκτρικού πεδίου και το αντίστροφο. Δηλαδή ένα μεταβαλλόμενο στο χώρο ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί ένα μεταβαλλόμενο στο χρόνο μαγνητικό πεδίο. Φως επομένως είναι κάθε ταλαντευόμενο στο χρόνο μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο. Κοντολογίς όταν το ένα δίνει πάσα στο άλλο σε ένα αέναο κύκλο έχουμε γεννητούρια. Για περισσότερη σαφήνεια θα ήθελα να σημειώσω ότι το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται από συγκέντρωση φορτίων, που μπορεί να είναι ένα ή παραπάνω. Ενώ το μαγνητικό πεδίο, στην περίπτωση του φωτός, προκαλείται από κινούμενα ηλεκτρικά φορτία.

Μέχρις εδώ, είχαμε την κλασική άποψη. Διότι στην κβαντική εικόνα το φως είναι σωματίδιο, το Φωτόνιο, με μηδενική μάζα όταν κάθεται, που όμως δεν κάθεται. Η αναγκαιότητα να περιγραφεί το φως και σαν σωματίδιο γεννήθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα από τον Planck όταν οι προσπάθειές του να περιγράψει το φάσμα της ακτινοβολίας που γεννά μια θερμική κοιλότητα όπως ο Ήλιος, απέβαιναν άκαρπες. Με το να υποθέσει ότι το φως δεν είναι κύμα αλλά σωματίδιο οι εξισώσεις ήρθαν κι έκατσαν ομαλά πάνω στη γνωστή φασματική καμπύλη. Η σύλληψη αυτή, που δεν έπεσε φυσικά από τον ουρανό, αλλά στηρίχτηκε σε μια σειρά προηγούμενων προσπαθειών, έμελλε να ανοίξει το παράθυρο στο μεγαλείο της κβαντικής φυσικής, δηλαδή στο μεγάλο και αλάνθαστο εργαλείο πρόσβασης στον μικρόκοσμο: μόρια, άτομα, πυρήνες.

Στην κβαντική εικόνα του κόσμου το φως δεν είναι ένα συνεχές κύμα, αλλά ένα ποτάμι από μπαλάκια, τα φωτόνια, τα οποία χαρακτηρίζονται από μια συγκεκριμένη συχνότητα, όπως και το κλασσικό κύμα. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα ενός κύματος ή ενός φωτονίου, τόσο μεγαλύτερη και η ενέργεια που κουβαλάει. Και όσο μεγαλύτερη ενέργεια έχει ένα φωτόνιο τόσο πιο μεγάλη ζημιά μπορεί να κάνει στην ύλη, στα άτομα δηλαδή και τα μόρια στα οποία επιτίθεται.

Πριν μιλήσουμε για τις «ζημιές» ας πούμε και κάτι ελάχιστα για την πειθαρχία των φωτονίων. Στο φως, στο συνηθισμένο που βλέπουμε γύρω μας, της λάμπας, του ήλιου, των LEDs και άλλων πηγών, τα φωτόνια δεν είναι της ίδιας ακριβώς συχνότητας και το κυριότερο δεν έχουν καμιά συνεννόηση μεταξύ τους. Αυτό το φως λέγεται ασύγχρονο και δεν είναι και πολύ χρήσιμο για πειράματα. Στην αντίθετη περίπτωση που τα φωτόνια συμπεριφέρονται πειθαρχημένα σαν στρατιωτάκια, δηλαδή πηγαίνουν στοιχημένα σε φάση και είναι της ίδιας ακριβώς συχνότητας, έχουμε το φως των LASERS.

Τώρα οι «ζημιές» που κάνουν τα φωτόνια στα άτομα ή μόρια είναι διαφόρων ειδών και εξαρτώνται από τι ενέργεια (τι συχνότητα δηλαδή) κουβαλάνε. Τα πιο ενεργειακά μπορούν να διώξουν ένα ή και περισσότερα ηλεκτρόνια, οπότε αυτό που μένει πίσω θα αποκτήσει θετικό φορτίο. Τα λιγότερο ενεργειακά μπορούν να διεγείρουν ηλεκτρόνια, χωρίς όμως να τα διώξουν, τα ακόμα λιγότερο, να αναγκάσουν τους μοριακούς δεσμούς να ταλαντώνονται πιο γρήγορα, ενώ όσα φωτόνια είναι ντιπ κοιμισμένα καταφέρνουν να πετύχουν μόνο καμιά περιστροφή του μορίου κι αυτή τεμπέλικη. Μπορούν ακόμα να σπάσουν ένα μοριακό δεσμό και να χωρίσουν το μόριο σε δυο κομμάτια.

Τι σημαίνει όμως «διεγερμένα ηλεκτρόνια»; Για να το καταλάβουμε θα πρέπει να θυμηθούμε ότι τα ηλεκτρόνια δεν είναι γενικώς ξέμπαρκα αλλά βρίσκονται τακτοποιημένα σε ορισμένες αποστάσεις από τον πυρήνα, σχεδόν περιορισμένα σε πακετάκια που λέγονται κυματοπακέτα, κυματοσυναρτήσεις ή τροχιακά. Όλα αυτά τα ζωάκια μπορεί να έχουν διάφορα σχήματα, αλλά κάπου παρουσιάζουν μεγαλύτερη πυκνότητα η οποία και μας δείχνει την περιοχή του χώρου με την μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο. Όσο μακραίνει η απόσταση από τον πυρήνα τόσο και πιο πολύπλοκα σχήματα παίρνουν. Επίσης, όσο πιο μακριά από τον πυρήνα βρίσκεται το ηλεκτρόνιο, τόσο και μεγαλύτερη είναι η ενέργειά του.

Μια βασική αρχή της κβαντομηχανικής είναι ότι το ηλεκτρόνιο, αλλά και όλα τα σωματίδια του μικρόκοσμου επιτρέπεται να πάρουν μόνο διακριτές ενέργειες. Όχι ενδιάμεσες, όπως συμβαίνει στον κλασσικό κόσμο. Αυτή λοιπόν είναι η περίφημη κβάντωση της ενέργειας. Και προσοχή αναφέρεται σε όλα τα είδη ενέργειας: Και στις περιστροφικές και στις δονητικές.

Μετά από αυτή την απαραίτητη εισαγωγή, λέμε λοιπόν ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι διεγερμένο, όταν με το που απορροφά ένα φωτόνιο φεύγει από μια καθορισμένη ενέργεια και μεταπηδάει σε μια μεγαλύτερη, και σε μεγαλύτερη απόσταση από τον πυρήνα. Δηλαδή όταν μεταπηδάει σε υψηλότερη ενεργειακή στιβάδα. Το ίδιο μπορούμε να πούμε ότι συμβαίνει κι όταν το μόριο διεγείρεται δονητικώς και περιστροφικώς, δηλαδή όταν με την απορρόφηση μικρότερης ενέργειας φωτός αρχίζει να ταλαντώνεται ή να περιστρέφεται γρηγορότερα.

Παρενθετικά, (αυτό το κομάτι είναι εκτός ύλης) στην κβαντική εικόνα των πεδίων τα φωτόνια κάνουν κι άλλη δουλειά. Είναι οι διαμεσολαβητές των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δηλαδή που γεννάνε κινούμενα ηλεκτρικά φορτία μπορούμε να το φανταστούμε και σαν μια μηχανή που φτύνει συνέχεια φωτόνια τα οποία χρησιμεύουν ώστε τα ηλεκτρικά φορτία να μπορούν ν’ αλληλεπιδρούν!

Φως δεν είναι μόνο το ορατό, αλλά και όλες οι συχνότητες από τα ραδιοφωνικά κύματα με μήκος κύματος κάποια μέτρα, μέχρι τις ακτίνες γάμμα, με μήκος κύματος ακόμα πιο μικρό και από αυτό των ακτίνων Χ.

Θα είχε ενδιαφέρον να δούμε εν τάχει ποιες είναι οι φυσικές πηγές όλων αυτών των διαφορετικών ειδών φωτός.

Τα ραδιοκύματα προέρχονται από περιστρεφόμενα αστρονομικά αντικείμενα όπως γαλαξίες, κβάζαρς και αστέρες νετρονίων και είναι αποτέλεσμα της επιτάχυνσης των πρωτονίων και ηλεκτρονίων που βρίσκονται στην επιφάνεια του αντικειμένου.

Το υπέρυθρο (ΙR) φως είναι αυτό που σε γενικές γραμμές αισθανόμαστε σαν ζέστη. Οι μεγαλύτερες συχνότητες στην περιοχή του υπερύθρου προέρχονται από τη δονητική αποδιέγερση μορίων, ενώ οι χαμηλότερες από την περιστροφική. Προηγουμένως εξηγήσαμε τι σημαίνει ηλεκτρονιακή διέγερση, αλλά και δονητική και περιστροφική. Ένα μόριο όμως διεγερμένο δεν μένει έτσι εσαεί. Αποδιεγείρεται είτε αυθόρμητα είτε από κρούσεις με άλλα μόρια ή άτομα. Τότε ακριβώς εκπέμπει και ένα φωτόνιο, μικρότερης όμως ενέργειας από αυτό που είχε απορροφήσει αρχικά.

Το ορατό φως προέρχεται κυρίως από ηλεκτρονιακές αποδιεγέρσεις, δηλαδή όταν ηλεκτρόνια μεταπίπτουν από μια υψηλή ενεργειακή στάθμη στη βασική τους, οπότε και ηρεμούν.

Οι υπεριώδεις ακτινοβολίες προέρχονται κι αυτές από αποδιεγέρσεις περισσότερο ενεργειακών ηλεκτρονίων που βρίσκονται κυρίως στα άτομα αλλά και σε οργανικές ενώσεις.

Οι ακτίνες Χ προέρχονται από μεταπτώσεις σε εσωτερικές στιβάδες ηλεκτρονίων, τα οποία αρχικά βρίσκονταν σε υψηλότερης ενέργειας,εξωτερικές.

Ενώ, οι ακτίνες γ που είναι και οι πλέον θανατηφόρες, προέρχονται από την αμοιβαία εξουδετέρωση ηλεκτρονίων ποζιτρονίων, από την διάσπαση πυρήνων και κατά τη διάρκεια της πυρηνικής διάσπασης και σύντηξης.

Κάνοντας μια πολύ σύντομη ξενάγηση στα έτσι και στ’ αλλιώς του φωτός θα ήμουν πολύ ευχαριστημένη αν σάς άνοιγα κάπως την όρεξη. Τόσο δα λιγάκι!

ΥΓ. Θα ήθελα να πληροφορήσω τους αγαπητούς αναγνώστες ότι το παρόν θέμα είναι sos για τις εξετάσεις του θερινού εξαμήνου.