17-6 Vlnová povaha svetla

17-6 Vlnová povaha svetla

Experimenty vykazujúce interferenciu dokazujú, že svetlo je vlnenie, kým polarizačné vlastnosti svetla ukazujú ešte ďalej, dokazujú, že je priečnym vlnením. Na začiatku 19. storočia bola táto vlastnosť svetla pred vedcami ešte skrytá.

Ak zoberieme do úvahy, že svetlo sa šíri v priestore ako transverzálne vlnenie, je celkom logické predpokladať, že v tomto priestore musí byť nejaké prostredie, v ktorom vykonáva kmity kolmé na smer šírenia sa. Nakoľko svetlo sa ľahko šíri aj vo vákuu, museli predpokladať, že toto hypotetické prostredie vypĺňa celý vesmír, a preniká aj do vnútra materiálnych telies. Týmto predpokladaným prostredím bol „svetelný éter“, „svetový éter“, alebo len jednoducho: „éter“. Toto prostredie muselo byť dostatočne tuhé a pevné, aby dokázalo sprostredkovať aj transverzálne svetelné vlnenie veľmi vzdialených hviezd, muselo však byť aj mimoriadne riedkym, aby planéty, mesiace a iné telesá pohybujúce sa v nej veľkou rýchlosťou, neboli vynaložené veľkému treniu. Tieto vzájomne protirečiace požiadavky nebolo možné skĺbiť dohromady.

V roku 1864, veľký teoretický fyzik, James Clerk Maxwell opublikoval prácu, ktorá sa zaoberala so správaním sa elektrických a magnetických polí. V tejto práci ukázal, že kombinácia elektrického a magnetického poľa (ktoré v skratke nazývame elektromagnetickým poľom), sa za priaznivých podmienok šíri v priestore, a rýchlosť jej šírenia sa je 3 × 108 m/s. Je dôležité upozorniť na to, že Maxwellova práca sa nezaoberala so svetlom; táto rýchlosť 3 × 108 m/s vyvstala z kombinácie určitých elektrických a magnetických konštánt. Silnú zhodu medzi hodnotou tohto čísla a veľkosťou rýchlosti svetla nemôžeme považovať za slepú náhodu. Väčšina fyzikov v tejto zhode videla dôkaz toho predpokladu, že svetlo je elektromagnetické vlnenie. Predpoklad a jedna zhoda však ešte nie je istota. Nemecký fyzik Heinrich Hertz sa však v roku 1888 pustil do práce, aby Maxwellovu teóriu dokázal aj experimentálne. Teraz sa oboznámime so základnými myšlienkami Hertzovej práce.

Ak zoberieme kondenzátor a nabijeme ho (na jeho dosky privedieme opačné elektrické náboje), musíme pritom konať určitú prácu pri odvedení elektrónov z kladne nabitej dosky a pre ich udržanie na záporne nabitej doske. Ak začneme hľadať, že kam zmizla táto práca, zistíme, že sa nahromadila v elektrickom poli vytvorenom medzi doskami kondenzátoru. Predpokladajme, že tento kondenzátor zoskratujeme pomocou cievky (obrázok 17.13a). Z jednej dosky kondenzátora tečie elektrickú prúd cez cievku na druhú dosku, elektrický náboj na doskách sa teda zmenšuje, elektrické pole medzi nimi slabne. Čo sa ale stalo s energiou nahromadenou v elektrickom poli, ak toto pole slabne? Odpoveď je na túto otázku, že energia sa nahromadila („preliala“) do toho magnetického poľa, ktoré vyvolá tečúci elektrický prúd okolo seba v cievke (17.13b). Na obrázku 17.13c vidíme situáciu, keď sa kondenzátor vybil úplne; elektrické pole zmizlo, všetka energia prešla do magnetického poľa. Na doskách už sú rovnaké náboje, a medzi nimi niet elektrického napätia, ktoré by udržiaval tok elektrického prúdu – keby celý jav bol týmto u konca, prúd by skončil. Podľa Le Chatelier-ovho princípu sa však systém snaží zachovať svoj stav, tj. snaží sa udržať elektrický prúd. Magnetické pole vracia svoju energiu cievke, aby v nej tiekol prúd (obrázok 17.13d), a dosky kondenzátoru sa preto – teraz s opačnými elektrickými nábojmi – nabijú znova. Nakoniec, keď magnetické pole sa vyčerpá, je nulové, elektrický prúd sa zastaví a nachádzame sa znova v začiatočnom štádiu (obrázok 17.13e) s tým rozdielom, že elektrické náboje dosiek kondenzátoru sa vymenili. V každom prípade, proces – v opačnom smere – sa môže začať, a môže sa opakovať znova a znova.

Takáto oscilácia elektrického prúdu sa dá prirovnať ku kyvadlu. Na začiatok kyvadlo vychýlime, tým mu dáme potenciálnu energiu (aj kondenzátor dostáva energiu koncentrovanú vo svojom elektrickom poli). Tým, že sa kyvadlo dostáva do pohybu, potenciálna energia sa premieňa na kinetickú (energia elektrického poľa kondenzátora sa premieňa v energiu magnetického poľa cievky). Kyvadlo sa vychýli na druhú stranu a kinetická energia sa premieňa na potenciálnu energiu (energia magnetického poľa postupne vymizne a objaví sa znova ako energia elektrického poľa). A zrovna tak, ako sa mení doba kmitu kyvadla s jeho dĺžkou, mení sa aj doba oscilácie nášho systému (perióda, doba kmitu) výmenou kondenzátoru, alebo tiež výmenou cievky.

Samozrejme, kyvadlo nekýva nekonečne dlho: jeho energiu postupne vstrebá trenie. Elektróny kmitajúceho obvodu pohybujúce sa sem a tam prekonávajú odpor vodičov, zahrievajú ich, a svoju energiu postupne stratia, a nakoniec sa tiež zastavia.

V našej analógii s kyvadlom môžeme ísť ďalej. Ak naše závažie zavesíme nie na pevnú tyč, ale na vlákno, kyvadlo časť svojej energie predá vláknu, ktoré sa napína a sťahuje, energia sa objaví vo vlneniach postupujúcich vo vlákne v oboch smeroch. Časť energie nášho elektrického oscilačného obvodu sa tiež vyžiari do priestoru v podobe „elektromagnetických vĺn“.

Hertz použil jednoduchý elektrický oscilátor a v určitej vzdialenosti od neho postavil naprosto primitívny rádiový prijímač vhodný pre zachytenie elektromagnetických vĺn. Taliansky inžinier Guglielmo Marconi zdokonalil tieto experimenty a v roku 1899 uskutočnil prvé rádiové spojenie cez Lamanšský prieplav, a v roku 1901 cez celý Atlantický oceán. Každý rádiový prijímač, radar, či televízny prijímač je v podstate pokračovaním a vylepšením tejto začiatočnej iniciatívy; základným princípom činnosti vysielačov a prijímačov je stále v oscilačnom obvode vytvoreným Hertzom.