Resum

La llum té aspectes corpusculars i aspectes ondulatoris. Segons quin sigui l'experiment que es duu a terme, cal aplicar una visió o una altra. Les teories modernes sobre la llum engloben simultàniament aquests dos aspectes. En aquesta pràctica estudiarem els aspectes ondulatoris de la llum. Utilitzarem els fenòmens d'interferència i difracció per descompondre la llum en funció de la seva longitud d'ona. Estudiarem també les fonts de llum i la transmissió de llum a través dels cossos transparents.

4.1 Fonament

La llum és una oscil·lació dels camps elèctric i magnètic. Les càrregues elèctriques poden perdre energia en forma de radiació lluminosa. Aquest efecte ja s'ha comentat en el capítol 2 quan tractàvem de l'emissió de radiació dels cossos a alta temperatura. Ara tractarem de la dispersió i la interferència d'ones lluminoses, aplicades al cas de la xarxa de difracció. Després presentarem les fonts de llum: les fonts tèrmiques (bombetes d'incandescència) i les fonts basades en descàrregues elèctriques en gasos (tub fluorescent i bombeta de baix consum). Finalment presentarem algunes idees sobre la transmissió, l'absorció i la reflexió de la llum.

4.1.1 Interferència i difracció. La xarxa de difracció

Moltes característiques del comportament ondulatori de la llum es poden entendre sense considerar detalladament les característiques dels camps elèctrics i magnètics de la radiació lluminosa. Per a això només cal un principi simple descobert per Christian Huygens cap al 1678:

Cada punt d'un front d'ona primari actua com a font de fronts d'ona esfèrics secundaris que avancen amb velocitat i freqüència iguals als de l'ona primària. El front d'ona primari en qualsevol instant posterior és l'envolvent d'aquests fronts d'ona secundaris.

Figura 4.1: Xarxa de difracció

Aquest principi ens permet d'entendre el comportament d'una xarxa de difracció: la podem imaginar com una sèrie d'escletxes que deixen passar la llum, tal com mostra la figura 4.1. Cada escletxa deixa passar un front d'ona. Totes les longituds d'ona interfereixen constructivament en línia recta. A més a més, per a una longitud d'ona determinada () hi ha un angle () per al qual la interferència torna a ser constructiva. Això passa quan les diferències de camí ( x ) entre els raigs consecutius són múltiples de la longitud d'ona:

,

on m és un enter que anomenem ordre de la interferència i d és la separació entre escletxes. Normalment la xarxa es caracteritza per la magnitud inversa de d , és a dir, el nombre de línies que conté per unitat de longitud.

4.1.2 Fonts de llum

L'emissió de llum apareix com a conseqüència de la pèrdua d'energia de les càrregues (electrons) que constitueixen els cossos. El cas més simple és la situació d'equilibri, en què un cos a alta temperatura emet una proporció important de la radiació en el rang visible. Els cossos sòlids, a temperatura elevada, emeten llum visible en tot el rang de longituds d'ona. Una aplicació d'aquest efecte és la bombeta d'incandescència, en què un fil conductor escalfat per un corrent elèctric assoleix una temperatura elevada i emet una intensa radiació visible. El vidre de la bombeta té com a finalitat principal evitar que el fil conductor estigui en contacte amb l'oxigen de l'aire, ja que la reacció química entre el metall a alta temperatura i l'oxigen destruiria el fil.

També podem construir fonts de llum en una situació fora de l'equilibri utilitzant, per exemple, una descàrrega elèctrica en un gas (tub fluorescent o bombeta de baix consum). Aplicant un camp elèctric elevat a un gas es pot crear una situació en què s'inicia una descàrrega elèctrica. En el gas apareix una concentració important d'ions i electrons que es mouen per efecte del camp elèctric. Aquestes càrregues converteixen el gas en un bon conductor. Els electrons donen energia a les molècules de gas amb què topen. Aquesta energia es perd després en forma de radiació visible. Des del punt de vista de la llum produïda, la diferència més important entre aquest tipus de bombeta i la d'incandescència és que la radiació produïda per la descàrrega presenta longituds d'ona discretes. Aquestes longituds d'ona depenen de l'energia dels nivells electrònics de les molècules del gas i del tipus de gas utilitzat. És habitual que aquest tipus de bombetes emetin també longituds d'ona molt curtes (ultraviolat), que no són visibles i poden resultar perjudicials; és per això que la superfície d'aquestes bombetes sol estar coberta per una substància fluorescent que absorbeix la radiació ultraviolada i emet radiació visible. La radiació visible emesa per aquesta substància sòlida ja no té longituds d'ona ben definides, sinó que presenta unes bandes de longitud d'ona més amples.

4.1.3 Absorció, reflexió i transmissió. Filtres

La llum que incideix sobre els cossos pot travessar-los (si són transparents), reflectir-s'hi a la superfície o quedar-hi absorbida. Aquestes característiques d'absorció, transmissió i reflexió de la llum depenen del cos considerat i de la longitud d'ona () de la llum incident. L'experiment de transmissió consisteix a fer incidir la radiació sobre l'objecte que volem estudiar i comparar la intensitat ( I ) de la llum tramesa a través de l'objecte amb la intensitat de la llum incident. Definim la transmitància, la reflectància i l'absorbància d'un objecte a una determinada longitud d'ona com:

, ,

Per a un balanç energètic simple, aquests tres quocients han de complir:

La intensitat d'una ona lluminosa que es propaga per un medi absorbent decreix exponencialment a mesura que avança l'ona:, on () és el coeficient d'absorció i d la distància recorreguda en el medi. Per a una làmina absorbent de gruix d i negligint la reflexió, el coeficient d'absorció es pot determinar a partir de la mesura de la transmitància mitjançant:

El coeficient d'absorció () d'una dissolució de molècules és proporcional a la densitat de les molècules responsables del mecanisme d'absorció. Aquesta propietat s'utilitza com a mètode d'anàlisi química.