ASPress - czasopisma pedagogiczne


ARCHIWUM WYDAŃ CYFROWYCH
       
Język Niemiecki



Wydania z lat 2009-2016 dostepne są w wersji elektronicznej jako pliki PDF. Są one identyczne z wersjami drukowanymi. Jednakże nie zawierają materiałów, które były na płytach CD/DVD dołączanych do niektórych wydań drukowanych.
W wersji drukowanej dostepne jest tylko jedno wydanie - 3/2016.
Więcej


Zbiór 52 felietonów poświęconych współczesnej Polsce, Polakom, polityce, roli telewizji i mediów we współczesnym świecie, globalizacji i konsekwencji wynikającej z naszego otwarcia na świat.
Wydanie w postaci pliku PDF
Cena 10 zł.
Zamów


Książka o podróżach, poznawaniu, odkrywaniu i podbijaniu świata, o pokonywaniu kolejnych horyzontów ludzkiego rozwoju. Ludzie wędrują od wieków, zawsze chcieli zobaczyć, co jest za kolejną rzeką, górą, morzem, za nowym horyzontem. Ta wędrówka pozwoliła najpierw poznać naszą planetę, a dziś już zaprowadziła człowieka poza granice Układu Słonecznego. Kim są ci, którzy zmieniają historię świata? Dlaczego Krzysztof Kolumb odkrył Amerykę, a Mikołaj Kopernik „poruszył” Ziemię?
Wydanie w postaci pliku PDF.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydanie drukowane



Historia powstania  * Dane techniczne * Słynne rajdy * Rozwiązania konstrukcyjne

Pierwszy pojazd z napędem na obie osie skonstruowano w 1824 r. a więc ponad pól wieku wcześniej od samochódu. Jednak dopiero wojskowi amerykańskiej armii jako pierwsi chcieli mieć pojazd, który pojedzie każdą drogą, pokona głębokie rowy  i wyposażony będzie we wciągarkę, tak by mógł poruszać się w każdym terenie.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydania specjalne "Geografii w Szkole"

2011

2010

2009

2008


Cena kompletu wydań 50 zł
Cena jednego wydania 10 zł
Zamów



Nowość!


Więcej

Foton - cóż to takiego?

 (Miniatura dydaktyczna)

W encyklopedii[1] czytamy: foton – kwant pola elektromagnetycznego; cząstka elementarna o zerowej masie spoczynkowej poruszająca się z prędkością światła i biorąca udział jedynie w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Jego energia pęd i częstotliwość związane są wzorami E = hν, p = E/c. Foton nie ma ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego. Jego spin jest całkowity, a zatem foton podlega statystyce Bosego-Einsteina.[2]

Na lekcjach fizyki mówi się uczniom, że światło jest falą należącą do rodziny fal elektromagnetycznych, której członkowie różnią się głównie długością owych fal.[3] Podkreśla się też przede wszystkim podobieństwa, a niewiele mówi się o różnicach. A są one na tyle liczne i ważne, iż ową rodzinę należałoby podzielić na dwie podrodziny: na elektromagnetyczne fale radiowe i fotony.

Zauważmy, że nawet w nazewnictwie występują różnice, bo fale radiowe to zawsze fale: fale długie, średnie, krótkie, czy ultrakrótkie, ale w przypadku fotonów mówi się często o promieniowaniu. Jest więc promieniowanie podczerwone, widzialne, ultrafioletowe, rentgenowskie czy gamma. Mówi się wprawdzie o świetle jako zjawisku falowym, ale głównie w optyce geometrycznej. Natomiast w optyce fizycznej częściej posługujemy się nazwą „foton”.

Dlaczego jednak obie podrodziny zaliczanie są do tej samej rodziny fal elektromagnetycznych? Decyduje o tym fakt, że są one polem elektromagnetycznym, że poruszają się w próżni prostoliniowo z tą samą prędkością 300 tysięcy km/s, że można je opisać, używając tych samych wielkości fizycznych jak długość i częstotliwość oraz że podlegają tym samym zjawiskom jak odbicie, załamanie, interferencja czy polaryzacja. Ta ostatnia cecha informuje nas dodatkowo, że we wszystkich tych przypadkach mamy do czynienia z falą poprzeczną.

Czym jest fala elektromagnetyczna i dlaczego używamy tu nazwę „fala”? Fala elektromagnetyczna to przemieszczające się zmienne pole elektryczne i magnetyczne. Cechą charakterystyczną tych zmian jest to, że odbywają się one z określoną częstotliwością, przy czym owe zmiany dotyczą natężenia tych pól. W przypadku fali o określonej częstotliwości, wartości wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego, badanych wzdłuż promienia ich rozchodzenia się, można – podobnie jak dla fali mechanicznej – opisać z pomocą funkcji sinus.

Dlaczego jednak proponuję podział na owe „podrodziny”?

O ile w przypadku fal radiowych zachodzą pewne podobieństwa np. do fali kulistej emitowanej przez drgający kamerton, to w przypadku fotonów brak tej cechy. Mamy tu bowiem do czynienia ze swoistą „zgęstką” pola elektromagnetycznego emitowaną kierunkowo. Ponadto fale radiowe emitowane są na ogół w sposób ciągły i rozchodzą się w przestrzeni podobnie, jak wspomniana fala dźwiękowa wytwarzana przez kamerton.[4] Fala radiowa – podobnie jak wspomniana wyżej fala dźwiękowa – może być równocześnie odbierana przez wielu „odbiorców”. Natomiast „odbiorcą” fotonu jest zwykle jeden atom lub pojedyncza cząsteczka. W przypadku fali radiowej przekaz energii odbywa się pomiędzy jednym nadajnikiem a wieloma odbiorcami. Natomiast w przypadku fotonu mamy do czynienia z oddziaływaniem elektromagnetycznym pomiędzy dwoma obiektami – atomami lub cząsteczkami. Dodam, że foton jest cząstką, która dotąd istnieje, dopóki nie zostanie pochłonięta.[5] Może więc przemierzać dowolnie duże odległości. Natomiast natężenie fali radiowej maleje do zera wraz z odległością.

Przyjrzyjmy się bliżej źródłom fal radiowych oraz fotonów.

Źródłem fal radiowych jest antena (ew. klistron dla mikrofal), w której – na ogół – w sposób ciągły płynie prąd sinusoidalnie przemienny,[6] a w przypadku fotonów jest to jednorazowy akt emisji, spowodowany np. przeskokiem elektronu w konkretnym atomie i jest ściśle związany ze skwantowaniem poziomów energetycznych tegoż atomu lub cząsteczki.[7] Nieco odmienny charakter ma emisja fotonów gamma[8] oraz tworzenie się promieni rentgenowskich. Te ostatnie powstają w wyniku hamowaniem elektronów w materiale antykatody. Z tym, że i tu występuje promieniowanie charakterystyczne związane z przejściem elektronu pomiędzy poszczególnymi warstwami elektronów w danym atomie.

Jak widać, istnieją zasadnicze różnice w tym, jak powstają poszczególne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego.[9] Różnice dotyczą również ich właściwości.

Jak już wspomniałem, fale radiowe mogą ulegać tym samym zjawiskom, co fale mechaniczne. Z tym, że fale mechaniczne i radiowe mogą interferować niejako „same ze sobą”. Natomiast w przypadku fotonów możliwość ta jest bardzo wątpliwa. Nie wiemy wprawdzie, przez którą szczelinę siatki dyfrakcyjnej przeszedł dany foton, ale wiemy, do którego punktu (atomu lub cząsteczki) ekranu dotarł.[10] Chcąc otrzymać widmo interferencyjne, musimy zatem użyć strumienia fotonów. Tak też jest w przypadku interferencji elektronów. Inne zjawiska, jak np. fotoemisja czy zjawisko Compton dają się opisywać wyłącznie poprzez przyjęcie korpuskularnych właściwości fotonów. Tu bowiem foton zachowuje się jak klasyczna cząstka elementarna.[11] Wprawdzie nie posiada on masy, ale możemy przypisać mu pęd, a nawet spin.

Różnice między falą radiową a fotonami są na tyle duże, że nie można o nich zapominać nawet wówczas, gdy emitowane są fale o tej samej długości. Dotyczy to najkrótszych mikrofal, które pokrywają się z fotonami z głębokiej podczerwieni. Wprawdzie podobnie oddziałują z materią, wywołując z reguły wzrost temperatury ciała poprzez zwiększenie energii kinetycznej ruchu atomów lub cząsteczek, ale inaczej są emitowane: mikrofale, które wytwarza swoista antena nadawcza, jaką jest klistron. Natomiast fotony podczerwieni powstają w wyniku kwantowej zmiany częstotliwości drgań atomów w cząsteczce lub kwantowej zmiany częstotliwości jej obrotów.

Mówi się wprawdzie, że właściwości korpuskularne fotonów są tym wyraźniejsze, im mają one krótszą falę. I odwrotnie: ich efekt korpuskularny maleje wraz ze wzrostem długości owych fal. Nie można jednak przyjmować, że antena radiowa emituje fotony, mimo że teoretycznie można obliczyć energię takiego fotonu. Radiowej fali elektromagnetycznej nie można też przypisać ani pędu ani spinu.

A teraz słów parę o odbiorze fal elektromagnetycznych.

Odbiornikiem elektromagnetycznych fal radiowych jest antena. Jest to na przykład pręt metalowy, w którym pole magnetyczne fali nośnej wzbudza prąd indukcyjny o częstotliwości równej częstotliwości nośnej tej fali. Odbiornikiem światła bywa np. oko lub klisza fotograficzna. Z tym, że oko reaguje na składową elektryczną fotonów, która wywołuje reakcję w cząsteczkach fuksyny. Podobnie jest w kliszy fotograficznej, w której foton zapoczątkowuje reakcję fotochemiczną w cząsteczce związku światłoczułego – np. bromku srebra.

Na koniec przytoczę prawa Maxwella, opisujące zmiany pola elektrycznego i magnetycznego w fali elektromagnetycznej przemieszczającej się w próżni, gdyż bez nich trudno jest w pełni zrozumieć mechanizm powstawania i rozprzestrzeniania się tej fali. Oto one: rot E = – μdH/dt, rot H = εo dE/dt, div E = 0, div H = 0. Zgodnie z powyższym, linie pola elektrycznego i magnetyczne w biegnącej faki radiowej można zilustrować nastpująco:[12]

 

 

 Dodam, że w opisie struktury fali elektromagnetycznej biegnącej w ośrodku jednorodnym pokutuje wiele uproszczeń niezgodnych z rzeczywistością. Bywa ona bowiem przedstawiana jako łańcuszek wzajemnie splecionych ogniw, co jest nieporozumieniem. Bywa też ilustrowana jedynie jako splecione i wzajemnie prostopadłe dwie sinusoidy. Trzeba jednak pamiętać, że owe sinusoidy dotyczą wyłącznie wartości wektorów E i H (lub D i B)[13], a iloczyn wektorowy wektorów E i H jest wektorem[14] zgodnym z wektorem prędkości przemieszczania się czoła fali elektromagnetycznej i że owe trzy wektory tworzą trójkę prawoskrętną.

Czy tak „wygląda” foton? Wątpię! I jest to kolejny dowód na istnienie znaczących różnic pomiędzy falą radiową a fotonem. I na tyle dużych, że zamiast mówić o falach elektromagnetycznych wolałbym określenie bardziej ogólne, a mianowicie promieniowanie elektromagnetyczne.

                                                          

 

Waldemar Reńda - Fizyka w Szkole nr 6/2019



[1]              Tekst zaczerpnięty z „Ilustrowanej encyklopedii dla wszystkich. Fizyka” pod redakcją A. Januszajtisa i J. Langera, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1987, s. 88.

[2]              Cząstki podlegające statystyce Bosego-Einsteina. Oznacza to, że nie obowiązuje dla nich zasada Pauli’ego.

[3]              Ponieważ będę zajmował się wyłącznie falami rozchodzącymi się w próżni lub powietrzu, zatem poprzestanę jedynie przy tej cesze owych fal.

[4]              Z tym, że fala dźwiękowa jest falą podłużną, ale w tym przypadku chodzi mi o podobieństwo kształtu czoła tych fal.

[5]              Z STW wynika, że jest cząstką bezczasową.

[6]              Dla częstotliwości nośnej.

[7]              W przypadku cząsteczki skwantowanie dotyczy energii rotacji i oscylacji. Zmiana tej energii wywołuje emisję promieniowania w zakresie podczerwieni. Tworzą się wówczas widma pasmowe.

[8]              Fotony gamma powstają m.in. w wyniku przemieszczania się nukleonów w jądrze po emisji cząstki alfa, lub np. w procesie anihilacji elektronów.

[9]              Wg mnie jest to lepsza nazwa dla całej rodziny fal elektromagnetycznych.

[10]            Nie oznacza to, że przeszedł przez wiele szczelin równocześnie. Aby dowiedzieć się, przez którą szczelinę przeszedł, należałoby tam właśnie umieścić odbiornik. Ale wówczas ów foton zostałby pochłonięty i nie mógłby uczestniczyć w tworzeniu obrazu interferencyjnego.

[11]            Jest też zwykle umieszczany w spisie owych cząstek.

[12]         Zob.: Nowa Encyklopedia Powszechna, PWN, tom 2., str. 315. Rysunek przedstawia w sposób przybliżony rozkład linii pól elektrycznego (czerwone) i magnetycznego (zielone) powstających wokół dipola anteny nadawczej. Problemem jest tu jedynie związanie natężeń owych pól z gęstością linii.

[13]            Pogrubienie oznacza wektor.

[14]            Wektor Poyntinga.