Fyzikální podstata světla

Fyzikální podstata světla
100. výročí udělení první Nobelovy ceny za fyziku W. C. Röntgenovi v roce 1901^*)

Světlo většina lidí vnímá jako naprostou samozřejmost a nad jeho fyzikální podstatou ani nepřemýšlí. Přestože už ve starověku se učenci zabývali problematikou optického zobrazování, vážnější úvahy o podstatě světla spadají až do 17. století. V roce 1678 předložil Christian Huighens (1629 – 1695) pařížské Akademii pojednání o povaze světla jako podélného vlnění. Izac Newton (1643 – 1727) však považoval světlo za tok částic. Jeho autorita způsobila, že až do konce 18. století převládala korpuskulární představa světla. Teprve v 19. století nastal velký rozvoj vlnové teorie, podpořený vědeckými objevy v oboru elektřiny a magnetismu.

Dnes víme, že světlo jsou příčné elektromagnetické vlny v dosti úzké oblasti vlnových délek, které se současně projevují jako tok fotonů. Je tedy možné použít obě teorie. Než se ale dospělo k tomuto výsledku, muselo poznání projít dlouhým vývojem. Teprve po objevu galvanického článku roku 1799 Alessandrem Voltou (1745 – 1827) mohl začít systematický výzkum v oboru elektřiny. Hans Christian Oersted (1777 –1851) roku 1820 zjistil, že elektrický proud kolem sebe vytváří magnetické pole, a tudíž elektřina a magnetismus spolu musejí nějak souviset. Dále Andrien-Marie Ampere (1775 – 1836) předpověděl a dokázal vzájemné silové působení elektrických proudů a formuloval Amperův zákon. Michael Faraday (1791 – 1867) objevil elektromagnetickou indukci a formuloval Faradayův zákon.

Tím byla připravena půda pro Jamese Clerka Maxwella (1831 – 1879), který ve svých čtyřech rovnicích (po zredukování původních osmi) shrnul vše, co bylo do té doby známo o elektřině a magnetismu, a vytvořil tak jednotnou teorii elektromagnetického pole [1]. Vyplývá z nich, že časová změna elektrického pole budí pole magnetické a naopak časová změna magnetického pole budí pole elektrické. Rovněž z nich plyne, že obě pole se šíří v podobě vln rychlostí světla, která je konečná. Součin permitivity a permeability prostředí dává převrácenou hodnotu druhé mocniny rychlosti světla. Elektromagnetické vlny tedy byly teoreticky předpovězeny mnohem dříve, než byly experimentálně potvrzeny. Shoda rychlosti jejich šíření s rychlostí světla byla natolik nápadná, že přivedla Maxwella na myšlenku, že podstata světla spočívá v těchto vlnách. Podařilo se mu ze svých rovnic odvodit i základní zákony fyzikální optiky, a sjednotit tak optiku s teorií elektromagnetického pole.

Maxwellova teorie byla dlouho přijímána s velkou nedůvěrou. Elektromagnetické vlny nebyly experimentálně ověřeny a očima tehdejší fyziky se jejich existence zdála být velmi nepravděpodobná. Sám Maxwell se už potvrzení své teorie nedočkal. To se podařilo až devět let po jeho smrti Heinrichu Rudolfu Hertzovi (1857 – 1894), který vykonával experimenty s jiskrovým výbojem mezi dvěma hrotovými elektrodami a odezvu přijímal anténou. Tak experimentálně prokázal elektromagnetické vlny s vlnovou délkou kratší než jeden metr, ale těmto vlnám nepřisuzoval žádný význam pro praxi. Tento omyl však velmi záhy vyvrátili Marconi, Tesla a Popov objevem bezdrátové telegrafie. Do současné doby přibylo dalších aplikací nepočítaně.

Elektromagnetické vlny tak přestaly být pouhou hypotézou a staly se součástí ucelené fyzikální teorie elektromagnetického pole. Jak taková vlna vlastně vypadá, je vidět na obr. 1. Jak již bylo řečeno, časová změna elektrického pole budí pole magnetické a naopak. Vektory intenzity elektrického pole a magnetické indukce kmitají v navzájem kolmých směrech a navzájem budí jeden druhý. Postupná elektromagnetická vlna se šíří ve směru kolmém k oběma těmto vektorům. (V důsledku polarizace může vznikat periodické stáčení roviny kmitání každého vektoru a nastávat periodická změna amplitudy. To už je ale nad rámec tohoto článku. Pozn. autora.)

Vlnové délky elektromagnetických vln (neboli elektromagnetického záření) mohou však být ve velmi širokém rozmezí od řádu 10^–13 m i kratších až po stovky či tisíce metrů nebo i delší. Z toho viditelné záření tvoří jen úzkou oblast v intervalu vlnových délek l Î (380 nm; 760 nm) a každá vlnová délka odpovídá určité barvě. S prodlužující se vlnovou délkou v tomto intervalu barvy postupně přecházejí od fialové, přes modrou, zelenou a žlutou, až k červené. Sluneční světlo vnímáme jako bílé, protože je složeno ze spojitého spektra všech barev. Jeho spektrum rozložené hranolem či optickou mřížkou jistě každý zná, stejně jako každý viděl duhu na obloze.

Kratší vlnové délky než viditelné (VIS) záření má ultrafialové (UV) záření l Î (10^–8 m; 3,8·10^–7 nm), ještě kratší vlnové délky má röntgenové (X) záření l Î (10_–11 m; 10_–8 m) a nejkratší vlnové délky má záření gama (g) l < 10^–11 m. Větší vlnové délky než viditelné záření má infračervené (IR) záření l Î (7,6·10^–7 m; 10^–4 m), ještě větší vlnové délky mají mikrovlny (m) l Î (10^–4 m; 10^–1 m) a největší vlnové délky mají rádiové (RAD) vlny l > 10^–1 m. Rozhraní jednotlivých oblastí nejsou striktně definována a v jiné literatuře se mohou trochu lišit. Přehledně jsou jednotlivé oblasti spektra elektromagnetických vln seřazeny na obr. 2. Všechny uvedené druhy záření tedy mají stejnou podstatu, ale jejich vlastnosti se velmi liší. Proto jsou různé druhy záření využitelné v různých oborech fyziky a techniky. Příklady využití jsou uvedeny rovněž v obr. 2.

Zajímavou vlastností elektromagnetických vln je jejich již zmíněný dualistický charakter. Chovají se současně jako vlny i jako částice. Vlnový charakter převládá u záření s delší vlnovou délkou, korpuskulární neboli částicový charakter převládá u záření s kratší vlnovou délkou. V elektromagnetické vlně není energie rozdělena spojitě, ale je soustředěna v jakýchsi shlucích – kvantech, které jsou chápány jako kvazičástice, tj. částice s nulovou klidovou hmotností. Z tohoto hlediska má světlo také povahu částicovou a mluví se o vlnově částicovém dualismu.

V důsledku vlnového charakteru podléhají elektromagnetické vlny všem zákonitostem vlnění, jako je zákon odrazu a lomu na rozhraní dvou prostředí nebo interferenční jevy na tenkých vrstvách (např. olejových skvrnách) či po difrakci na optické mřížce. (Všeobecně známé zákony uvádíme bez bližšího vysvětlení, neboť tento článek nesupluje učebnici fyziky. Pozn. autora.) Posuv frekvence záření v důsledku Dopplerova jevu směrem k červenému okraji viditelného záření je znám z pozorování vzdálených hvězd a galaxií jako rudý posuv. Periodické změny frekvence v důsledku Dopplerova jevu způsobené obíháním hvězdy kolem společného těžiště s velkou planetou jsou nepřímým důkazem existence velkých planet u některých hvězd.

Důsledkem částicového charakteru jsou projevy spadající do oboru kvantové mechaniky. Záření se projevuje jako tok částic, nebo lépe řečeno kvazičástic, zvaných fotony. Podle frekvence příslušné elektromagnetické vlny mají fotony energii E = h n, kde n je frekvence a h je Planckova konstanta pojmenovaná podle jednoho ze zakladatelů kvantové mechaniky Maxe Plancka (1858 – 1947). Jelikož vlnová délka je nepřímo úměrná frekvenci a přímo úměrná době kmitu podle vztahu l = c/n = c T, mají větší energii fotony s kratší vlnovou délkou. Graf na obr. 3 ukazuje závislost energie fotonů na vlnové délce. Je vidět, že zatímco fotony viditelného záření mají energie v intervalu E Î (1,63 eV; 3,27 eV), energie fotonů záření g jsou v řádu megaelektronvoltů, ale naopak např. fotony mikrovlnného záření mají energie fotonů jen v řádu tisícin až setin elektronvoltů. Z celého širokého spektra elektromagnetických vln se tedy světlem nazývá pouze úzká oblast viditelného záření, která je na obr. 3 zvýrazněna malým kolečkem.

Jako příklady korpuskulárních projevů elektromagnetického záření lze uvést fotoelektrický jev interakce dopadajících fotonů s volnými elektrony uvnitř materiálu, Comptonův jev nebo tvorbu či anihilaci párů částice a antičástice. Na tomto místě je třeba připomenout i přínos Alberta Einsteina (1879 – 1955), který v roce 1921 získal Nobelovu cenu za objasnění zmíněného fotoelektrického jevu. Právě Einstein zavedl pro kvazičástice světla pojem „foton“ a na jevu anihilace částic za vzniku nejméně dvou fotonů záření g dokázal souvislost hmoty a energie podle slavné rovnice E = m c². Rovněž teoreticky předpověděl gravitační čočky neboli působení gravitačního pole na fotony a důsledkem toho zakřivování dráhy světla poblíž velmi hmotných objektů. Toto zakřivení bylo poprvé experimentálně potvrzeno v roce 1919 při úplném zatmění Slunce expedicí Arthura Eddingtona.

Fotony tvrdého ultrafialového záření a všech vyšších energií jsou nebezpečné pro živé organismy, neboť poškozují buňky. Země je proti nim chráněna ozónovou vrstvou v horních vrstvách atmosféry, která odfiltrovává záření vlnových délek kratších než 290 nm. Na povrch Země proto dopadá nejvíce záření právě ve viditelné oblasti spektra, a proto není náhodou, že u lidského zraku se vyvinula citlivost právě na tento obor vlnových délek. Graf závislosti citlivosti lidského oka na vlnové délce je na obr. 4 [4]. Je vidět, že největší citlivost má lidské oko na záření s vlnovou délkou l = 550 nm, která odpovídá maximální intenzitě dopadající na povrch Země. Jiní živočichové žijící ve specifických podmínkách mohou mít vidění trochu posunuté buď k infračervenému, nebo k ultrafialovému okraji viditelného záření.

Při hlubším zájmu můžeme doporučit kteroukoliv učebnici vyšší fyziky, např. publikace [1 až 3], zájemcům o osvětlovací techniku doporučujeme publikaci [4]. Pro zájemce o tzv. populární výklad lze doporučit publikaci [5], která vyšla loni v nakladatelství Academia.

[1] SEDLÁK, B. – ŠTOLL, I.: Elektřina a magnetismus. Praha, Academia 1993.

[2] HORÁK, Z. – KRUPKA, F.: Fyzika. Praha, SNTL 1976.

[3] KRUPKA, F. – KALIVODA, L.: Fyzika. Praha, SNTL 1989.

[4] MIŠKAŘÍK, S.: Moderní zdroje světla. Praha, SNTL 1979.

[5] BÜHRKE, T.: Převratné objevy fyziky. Praha, Academia 1999.

^*) Když Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923) objevil v roce 1895 nové, neznámé záření, netušil, že v podstatě jde o elektromagnetické vlny velmi krátké vlnové délky, v té době již známé, a že jejich zajímané vlastnosti jsou vlastně důsledkem relativně vysoké energie fotonů. Je téměř symbolické, že je pojmenoval paprsky X, protože tak se zpravidla matematicky označuje neznámá, a na neznalost jejich podstaty a nebezpečnosti tehdy doplatilo i mnoho lidí. První Nobelova cena za fyziku, kterou získal Röntgen v roce 1901, by tedy právem náležela i jeho zmíněným předchůdcům. Ti pouze měli smůlu, že žili v době, kdy se podobné ceny ještě neudělovaly. Tento článek věnujeme vzpomínce na 100. výročí udělení této první Nobelovy ceny (1901 až 2001).