by 
Δημοσιεύτηκε από τον/την Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας στις 6 Απρίλιος 2015 και ώρα 18:05
1. To φως έχει υλική υπόσταση
2. Το φως ως ακτινοβολία
3. Ένα αντικείμενο μύθος. Το γυάλινο πρίσμα
4. «Αόρατες» ακτίνες που δεν είναι φως
θερμαίνουν τα σώματα περισσότερο
5. «Αόρατες» ακτίνες με έντονη χημική δράση.
6. Φως + φως = σκοτάδι. Το φως έχει κυματική υπόσταση. Μέτρηση του μήκους κύματος
7. Ακτινοβολία, θερμοκρασία και μήκος κύματος.
8. Εμπειρίες και ερωτήματα
9. Ακτινοβολία και Θερμοδυναμική
10. Το αόρατο αέριο εκπέμπει ακτινοβολία φως
11. Φάσμα της ακτινοβολίας. Oι χημικοί και οι αστρονόμοι ενθουσιάζονται.
12. Φαινόμενο θερμοκηπίου
13. Φως από σώματα χαμηλής θερμοκρασίας
14. Ακτινοβολία ηλεκτρομαγνητική
15. Ακτινόμετρο του Crookes.
16. Ακτινοβολία και Θεωρία των κβάντα
17. Φωτόνια
18. Τελικά τι συμβαίνει με τα άτομα και το σώμα εκπέμπει φως;». Ακτίνες Λέιζερ.
19. Ακτινοβολία και Βαρύτητα.
20. Ακτινοβολία και κοινωνική ζωή
21. Η ανθρώπινη νόηση και φαινόμενο «φωτοσύνθεση» .
22. Η ακτινοβολία φως ως ελαιοχρωματιστής της φύσης.
1. To φως έχει υλική υπόσταση.
Μέχρι και τον πέμπτο αιώνα πριν από τον Χριστό, η ανθρώπινη νόηση διατηρούσε πάνω στην εμπειρία «μέρα και νύχτα» μια αντίληψη που θα μπορούσαμε να τη χαρακτηρίσουμε ποιητική. Η θεώρηση ήταν ότι το φως είναι ένας λαμπερός ατμός και το σκοτάδι ένας μαύρος ατμός που υψώνεται τα βράδια από την επιφάνεια της γης. Το φως και το σκοτάδι αποτελούσαν δύο οντότητες μεταξύ τους ανεξάρτητες. Υπάρχουν σχετικές αναφορές σε αρχαία κείμενα.
Σε ένα από τα εντυπωσιακά άλματα της ανθρώπινης νόησης κατά τους αιώνες που ακολούθησαν η παλιά αντίληψη ανετράπη. Σύμφωνα με τη νέα αντίληψη την οποία αποδεχόμαστε και σήμερα το σκοτάδι δεν έχει υλική υπόσταση, το σκοτάδι δεν είναι παρά η απουσία φωτός. Εκείνο που έχει υλική υπόσταση είναι το φως και το φως είναι κάτι που «πέφτει» – το ρήμα μάλλον διαμορφωμένο από την εμπειρία της βαρύτητας – στα σώματα. Η γλώσσα της καθημερινής ζωής εξακολουθεί βέβαια να χρησιμοποιεί το ρήμα «πέφτει» και για το σκοτάδι.
2. To φως ως ακτινοβολία
Τα πλάσματα κάτοικοι του συγκεκριμένου πλανήτη, η ακτινοβολία και η νόηση, την οποία ανέπτυξε ένα από τα πλάσματα αυτά. Για την ανθρώπινη νόηση επί χιλιάδες χρόνια η ακτινοβολία ήταν μόνο φως και μέχρι την ανακάλυψη της φωτιάς την πρόσφερε μόνο ο Ουρανός και κυρίως ο «πατέρας» Ήλιος αλλά όχι όλο το εικοσιτετράωρο. Το σούρουπο το φως λιγόστευε και μέχρι την ανακάλυψη της φωτιάς η νύχτα ήταν ουσιαστικά χωρίς καθόλου φως, με την εξαίρεση της λάμψης των αστεριών και του σεληνόφωτος, σε νύχτες με ξαστεριά διέκριναν και το ουράνιο ρυάκι, τον Γαλαξία.
Το “πώς εκπέμπεται” – ο μηχανισμός εκπομπής- το ”‘ πώς ταξιδεύει” – ο μηχανισμός διάδοσης- το ”πόσο γρήγορα ταξιδεύει” καθώς και το ”τι μπορεί να προκαλέσει όταν πέφτει όχι μόνο στο ανθρώπινο μάτι αλλά και σε άλλα σώματα” ήταν ερωτήματα στα οποία οι απαντήσεις άρχισαν να έρχονται μέσα από ποικίλες συνεργασίες της αισθητηριακής ΕΜΠΕΙΡΙΑΣ, της ΕΝΝΟΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΣΚΕΨΗΣ και των ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ .
Στη σύγχρονη σκέψη στο εσωτερικό της έννοιας ακτινοβολία φωλιάζει η έννοια ενέργεια.
Κάποια ίχνη της ιδέας ότι «το φως σχετίζεται με ενέργεια1» πρέπει να υπήρχαν από την αρχαιότητα. Η σκέψη του Αρχιμήδη να πυρπολήσει, με σκοπό την ανάφλεξη, τα πλοία των Ρωμαίων, χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως και καθρέφτες είναι μία μόνο ένδειξη. Η σύνδεση ωστόσο του φωτός με την ενεργειακή του διάσταση ήταν μάλλον ισχνή.
Η ενασχόληση των Αλεξανδρινών με το φως ήταν κατά βάση «γεωμετρική». Με ασκημένο το βλέμμα της σκέψης στη Γεωμετρία «είδαν» το ευθύγραμμο της διάδοσης, με βάση το φαινόμενο σκιά, και επινόησαν έννοιες γεωμετρικές, τη φωτεινή ακτίνα καθώς και τις γωνίες πρόσπτωσης, ανάκλασης και διάθλασης για να οδηγηθούν στον νόμο της ανάκλασης σχετικά νωρίς.
Η ουσιαστικά μόνο γεωμετρική προσέγγιση των φωτεινών φαινομένων διατηρήθηκε, μέσα από τους Άραβες αλλά και τους Ευρωπαίους αργότερα, μέχρι και τη νευτωνική επανάσταση. Τον 17ος αιώνα οι Ευρωπαίοι προσέγγισαν τον νόμο της διάθλασης, πραγματοποίησαν την πρώτη μέτρηση για την ταχύτητα της διάδοσής του αλλά διατύπωσαν και δύο αντικρουόμενες απόψεις – κυματική και σωματιδιακή – για τη φύση του φωτός καθώς και μία θεωρία για τη σχέση του με τα χρώματα.
3. Ένα αντικείμενο “μύθος”. Το γυάλινο πρίσμα
Μέχρι και την εποχή εκείνη, αιώνα η κυρίαρχη άποψη αντίκριζε το λευκό φως του ήλιου σαν το απλούστερο είδος φωτός. Το «λευκό» ήταν το καθαρό και αμόλυντο φως που ήταν αδύνατον να περιέχει κάποιο άλλο. Ήταν εξάλλου το σύμβολο της αγνότητας και της καθαρότητας. Αυτό που φορούσε η νύφη ήταν πάντα λευκό. Το λευκό ήταν αδύνατον να εμπεριέχει οποιαδήποτε συστατικά. Το χρώμα αντίθετα, ήταν το αποτέλεσμα της προσθήκης «όχι καθαρών» προσμίξεων στο αμόλυντο λευκό φως.
Η παρέμβαση του Isaac Newton θα ανατρέψει μια ακόμα βεβαιότητα . Το “OPTICS” θα κάνει την εμφάνισή του το 1703 σε γλώσσα αγγλική. Ήταν η δημοσίευση μιας θεωρίας για το φως . Τέσσερεις δεκαετίες νωρίτερα, είχε προηγηθεί μια δική του τολμηρή ιδέα και η πρακτική να χρησιμοποιήσει ένα γυάλινο ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ, σε σχήμα πρίσματος με βάση τριγωνική.
Το σκοτεινό δωμάτιο , η λεπτή δέσμη φωτός από τη χαραμάδα, το γυάλινο πρίσμα και η έγχρωμη ταινία με τα χρώματα, ΣΤΗΝ ΙΔΙΑ ΠΑΝΤΑ ΣΕΙΡΑ, το φάσμα .
Ο συνδυασμός της ΙΔΕΑΣ και της εμπειρίας με το γυάλινο ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ οδήγησε στη ΘΕΩΡΙΑ. Το ηλιακό φως δεν είναι απλό. ΕΙΝΑΙ ΣΥΝΘΕΤΟ. Είναι ένα μίγμα ακτινοβολιών διαφόρων χρωμάτων που «συνταξιδεύουν» με την ίδια ταχύτητα και συνυπάρχουν μέσα στο ηλιακό φως, εφόσον το φως διαδίδεται στο κενό
Όταν όμως αυτό το σύνθετο φως πέσει πάνω στη γυάλινη επιφάνεια του πρίσματος κάθε ακτινοβολία υφίσταται μία διαφορετική διάθλαση από τις υπόλοιπες και ακολουθεί μία δική της διαδρομή τόσο μέσα στο πρίσμα όσο και έξω από αυτό, οπότε πέφτει στη λευκή οθόνη και τη χρωματίζει ανάλογα. Διότι σύμφωνα με την ίδια θεωρία το φως είναι ο «ελαιοχρωματιστής» της φύσης.
Η συσχέτιση του φωτός με την έννοια ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ξεκίνησε από την εμπειρία ότι το φως όταν πέφτει στα σώματα, τα θερμαίνει. Στη γλώσσα του 19ου αιώνα, το φως, εφόσον μπορούσε να κάνει ότι και η θερμότητα – να θερμάνει τα σώματα -, είχε σχέση με την ενέργεια. Ήταν ακτινοβολία.
4. «Αόρατες» ακτίνες που δεν είναι φως θερμαίνουν τα σώματα περισσότερο και από το φως. Οι θερμικές ακτίνες και ο William Herschel. Υπέρυθρη ακτινοβολία.
Μέχρι και τον 18ο αιώνα, για την ανθρώπινη νόηση, ακτινοβολία είναι μόνο το φως και το φως είναι πριν απόλα ΑΚΤΙΝΕΣ, «φωτεινές ακτίνες» .
Έτος 1800, οι Ευρωπαίοι διαθέτουν πλέον γυάλινα θερμόμετρα και ο William Herschel -Γουίλιαμ Χέρσελ-, ο μεγαλύτερος αστρονόμος της εποχής, μελετά τη θέρμανση του ίδιου σώματος από ακτίνες διαφορετικού χρώματος. Ρίχνει φως σε ένα πρίσμα, όπως είχε κάνει 100 περίπου χρόνια πριν για πρώτη φορά ο Isaac Newton, έχει τη δυνατότητα να διαθέτει ακτίνες με διαφορετικό χρώμα με τη σειρά από το μωβ, στο μπλε, στο πράσινο, στο κίτρινο, στο πορτοκαλί και στο κόκκινο.
Έχει προσέξει πώς όταν μετακινεί το θερμόμετρο από το ιώδες-μωβ και το μπλε προς το ερυθρό-κόκκινο η αύξηση της θερμοκρασίας είναι όλο και μεγαλύτερη. Σε μια στιγμή έμπνευσης θα μετακινήσει το θερμόμετρο πέρα από το ερυθρό άκρο για να διαπιστώσει ότι «αόρατες» ακτίνες πέρα από το ερυθρό θερμαίνουν το σώμα ακόμα περισσότερο . Θα ανακαλύψει τις «θερμικές ακτίνες»
Υπάρχουν, με άλλα λόγια, ακτίνες που δεν είναι ΦΩΣ , δηλαδή δεν τις ανιχνεύει το ανθρώπινο μάτι και υπό αυτή και μόνο την έννοια μπορούμε να τις λέμε «αόρατες». Οι θερμικές ακτίνες είναι το πρώτο παράδειγμα. Κατά τις δεκαετίες που θα ακολουθήσουν η πειραματική εμπειρία θα καταδείξει ότι κάθε σώμα εκπέμπει συνεχώς τέτοιου είδους ακτίνες .
Παράλληλα θα γίνει αποδεκτός ο κυματικός χαρακτήρας της διάδοσης αυτών των ακτίνων, ενώ από την άλλη η συγκεκριμένη υλική οντότητα θα συνδεθεί με την έννοια ενέργεια. Αυτό θα έχει ως συνέπεια τη μετατροπή του όρου «θερμικές ακτίνες» σε ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ. Κάθε σώμα – οσοδήποτε παγωμένο και να είναι- εκπέμπει, νύχτα μέρα, αόρατη ακτινοβολία, υπέρυθρη. Στα σώματα που πέφτει, προκαλεί σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας. Γι αυτό και ορισμένοι εξακολουθούν να λενε «θερμική ακτινοβολία» Μέρα νύχτα τόσο το παγωτό όσο και ο ελέφαντας εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία
Στον 20ο αιώνα εμφανίστηκαν κάμερες υπέρυθρης ακτινοβολίας με αισθητήρες που καταγράφουν την αύξησή της η οποία προκαλείται όταν η εκπεμπόμενη από το σώμα ακτινοβολία πέσει στην κάμερα.
Η αόρατη υπέρυθρη ακτινοβολία ανιχνεύεται από τη θέρμανση που προκαλεί σε σώμα στο οποίο προσπίπτει.
5. Υπάρχουν και άλλες ακτίνες που δεν είναι φως. «Αόρατες» ακτίνες με έντονη χημική δράση. Ο Ritter και οι «χημικές ακτίνες». Υπεριώδης ακτινοβολία.
Χρόνος το 1801, ένα έτος μετά την ανακάλυψη των υπέρυθρων ακτίνων, «χώρος» η Γερμανία και ο τότε 25χρονος ερευνητής Johann Wilhelm Ritter, Γιόχαν Βίλχελμ Ρίτερ, μυημένος στον γερμανικό ρομαντισμόκαι φίλος του Γκαίτε έχοντας παρατηρήσει ότι το ηλιακό φως προκαλούσε την αμαύρωση αλάτων αργύρου, πρόσεξε ότι ιδιαίτερα οι αόρατες ακτίνες πέραν από το ιώδες του φάσματος ήταν κυρίως υπεύθυνες για το «μαύρισμα» του χαρτιού με χλωριούχο άργυρο. Το μαύριζαν πολύ πιο γρήγορα σε σύγκριση με τις ιώδεις. Οι πέραν του ιώδους αόρατες αυτές ακτίνες ονομάστηκαν «χημικές» ακτίνες με σκοπό να διαχωρίζονται από τις «θερμικές ακτίνες» του Hershel
Κατά τα μέσα του 19ου αιώνα η οντότητα «χημικές ακτίνες» θα συνδεθεί με την έννοια ενέργεια ενώ από την άλλη θα γίνει αποδεκτός ο κυματικός χαρακτήρας της διάδοσής της. Τα δύο αυτά στοιχεία θα οδηγήσουν στην εδραίωση της νέας ονομασίας της. Θα λέγεται ΥΠΕΡΙΩΔΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Η «αόρατη» αυτή ακτινοβολία ανιχνεύεται είτε από τη χημική της δράση είτε από τον -υπό προϋποθέσεις- ιονισμό ενός αερίου. Στον 20ο αιώνα εμφανίστηκαν κάμερες υπεριώδους ακτινοβολίας με αισθητήρες που καταγράφουν την ύπαρξή της όταν η εκπεμπόμενη από το σώμα ακτινοβολία πέσει στην κάμερα.
6. Φως + φως = σκοτάδι.Το φως έχει κυματική υπόσταση. Μέτρηση του μήκους κύματος
« Εάν ήμουν υποχρεωμένος να αποδεχτώ μια θεωρία για τη φύση του φωτός, η θεωρία την οποία θα υποστήριζα είναι αυτή της εκπομπής αόρατων σωματιδίων από τα φωτεινά αντικείμενα» έγραψε ο Newton στο Optics το 1703 αλλά ερευνητές όπως ο Huygens (1676) και αργότερα ο Euler υποστήριζαν ότι το φως έχει κυματική υπόσταση.
Ο Newton, όμως, είχε αποκτήσει το κύρος μιας αυθεντίας και η θεωρία του για σωματιδιακή υπόσταση του φωτός, επί έναν περίπου αιώνα, κυριάρχησε.
Εκατό χρόνια μετά το Optics, το έτος 1803, ένας Άγγλος κουακέρος, με σπουδές ιατρικής και διδακτορικό στη Φυσική, πραγματοποίησε ένα από τα σημαντικότερα πειράματα στην ιστορία της επιστήμης, προκαλώντας και την πρώτη μεγάλη ανατροπή σε μία θεώρηση του «πατριάρχη». Ο Thomas Young – Τόμας Γιανγκ- έχοντας την πεποίθηση ότι το φως έχει κυματική υπόσταση, υλοποίησε το πείραμα με τη διπλή σχισμή το οποίο είχε σχεδιάσει για να δείξει ότι είναι δυνατόν «φως και φως να δημιουργήσει σκοτάδι», πράγμα που υποδήλωνε ότι το φως είναι οντότητα που μπορεί να δημιουργεί φαινόμενο συμβολής , το οποίο με τη σειρά του σήμαινε ότι έχει κυματική υπόσταση, διότι μόνο οι κυματικές οντότητες εκδηλώνουν φαινόμενο συμβολής. Και όχι μόνον αυτό. Με το πείραμα έδειξε και μια μέθοδο για τη μέτρηση του μήκους κύματος. Η ανατροπή της νευτωνικής αυθεντίας δεν πραγματοποιήθηκε παρά μόνον όταν και οι Γάλλοι ερευνητές υποστήριξαν τη θεώρηση του Thomas Young και ειδικά όταν ο August Fresnel – Ογκίστ Φρενέλ – με ένα διαφορετικό πείραμα με δύο καθρέφτες οδηγήθηκε στα ίδια συμπεράσματα τόσο για το «πραγματοποιήσιμο» της συμβολής όσο και για την τιμή του μήκους κύματος .
Οι ερευνητές του 19ου αιώνα γνώριζαν, για πρώτη φορά, ότι τα μήκη κύματος των ακτίνων που συνιστούν το φως ήταν από το μέγιστο 750 nm, για το «ερυθρό άκρο του φάσματος» μέχρι το ελάχιστο 380 nm για το άλλο άκρο, το ιώδες. Αυτό με τη σειρά του σήμαινε και ότι οι αόρατες «θερμικές ακτίνες» του Herschel είχαν κι αυτές κυματικό μήκος διάδοσης με μήκος κύματος μεγαλύτερο από 750 nm και συχνότητα μικρότερη από τη συχνότητα – στη μεταγενέστερη μονάδα 4. 1014 Hz- του ερυθρού άκρου του φάσματος και ο όρος infra-red, ΥΠΟ-ΕΡΥΘΡΕΣ, με κριτήριο τη συχνότητα, άρχισε να επικρατεί. Από την άλλη οι «χημικές ακτίνες» του Ritter είχαν κι αυτές κυματικό χαρακτήρα με μήκος κύματος μικρότερο από 380 nm και συχνότητα μεγαλύτερη από 7,9 1014 Hz του ιώδους άκρου και ο όρος ultra- violet , ΥΠΕΡ-ΙΩΔΕΙΣ, με κριτήριο τη συχνότητα, άρχισε επίσης να επικρατεί.
7. Ακτινοβολία, θερμοκρασία και μήκος κύματος . Και οι φυσικοι θα απαντήσουν στο “πόση είναι η θερμοκρασία Ήλιου;” ( ! )
α. Αφού έχει γίνει αποδεκτό ότι οι υπέρυθρες ακτίνες, το φως και οι υπεριώδεις ακτίνες σχετίζονται με ενέργεια οι ευρωπαίοι ερευνητές θα φθάσουν στο συμπέρασμα ότι η – ανά μονάδα χρόνου και ανά μονάδα εμβαδού – ποσότητα ακτινοβολούμενης ενέργειας αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση της θερμοκρασίας του εκπέμποντας σώματος. Το 1879, ο Σλοβένος Jožef Stefan , Γιόζεφ Στέφαν, κατέληξε πρώτος στο συμπέρασμα2 ότι είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της (απόλυτης) θερμοκρασίας . Σώμα με διπλάσια θερμοκρασία από ένα άλλο, εκπέμπει – ανά μονάδα χρόνου και ανά μονάδα εμβαδού – ακτινοβολία με ενέργεια 16 φορές περισσότερη. Σύμφωνα με το ίδιο συμπέρασμα , το οποιοδήποτε σώμα εκπέμπει ακτινοβολία εφόσον δεν βρίσκεται στο απόλυτο μηδέν.
β. Όταν θερμαίνουμε ένα αντικείμενο σε σημείο να εκπέμπει δικό του φως, καθώς αυξάνεται παρά πέρα η θερμοκρασία του, το χώμα του αλλάζει. Από το κόκκινο του πυρακτωμένου κάρβουνου και του σιδερένιου καρφιού που «ερυθροπυρώνεται» γύρω στους 600 ο C, στο κίτρινο του Ήλιου μέχρι το απόκοσμο γαλαζωπό που βγάζει το λιωμένο ατσάλι καθώς «γαλαζοπυρώνεται». Στα 1893 ο Wilhelm Wien, Βίλχελμ Βιν, αποδεχόμενος ότι ένα οποιοδήποτε σώμα εκπέμπει ακτινοβολία με μήκη κύματος τα οποία ποικίλλουν θα καταλήξει στο συμπέρασμα3 ότι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται με τη μεγαλύτερη ένταση ( λmax) είναι αντιστρόφως ανάλογο προς την τιμή της απόλυτης θερμοκρασίας. Αυτό σημαίνει ότι θερμαίνοντας ένα σώμα το συγκεκριμένο μήκος κύματος ελαττώνεται και η αντίστοιχη συχνότητα αυξάνεται.
Μία από τις πρώτες συνέπειες της της όλης θεωρητικής επεξεργασίας ήταν ότι για πρώτη φορά οι φυσικοί έκαναν μία εκτίμηση για τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου. 5800 Κ.
Παράλληλα η σχετική έρευνα έδειχνε να παρουσιάζει ένα δυσεπίλυτο πρόβλημα. Οι σχετικές εξισώσεις «έλεγαν πεισματικά» ότι η αδιάκοπη αύξηση θερμοκρασίας ενός σώματος θα οδηγούσε σε εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας η ποσότητα της οποία θα έτεινε στο άπειρο, συμπέρασμα το οποία σύμφωνα με την εμπειρία δείχνει παράλογο. Οι φούρνοι δεν εκρήγνυνται σαν βόμβες όταν τους ανάβουμε. Γιατί κάτι ανάλογο θα έπρεπε να συμβαίνει εάν συνέβαινε εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας σε ποσότητα που να τείνει στο άπειρο. Με το συγκεκριμένο πρόβλημα ασχολήθηκε ένας θεωρητικός φυσικός, από το Κίελο στα βόρεια της Γερμανίας. Ήταν ο Max Planck.
8. Ακτινοβολία και θερμοδυναμική
Με την οικοδόμηση της Θερμοδυναμικής , γύρω στα μέσα του 19ου αιώνα, σύμφωνα με τον πρώτο νόμο “ η ενέργεια ενός συστήματος αυξομειώνεται εφόσον ανταλλάσσει ενέργεια με το περιβάλλον”. .Ο νόμος περιγράφεται συνήθως με την εξίσωση ΔΕ = Q + W στην οποία το σύμβολο W παριστάνει την ενέργεια που μεταβιβάζεται στο σύστημα (W> 0) ή μεταβιβάζεται από το σύστημα (W< 0) με διεργασίες μηχανικού ή ηλεκτρικού έργου και το σύμβολο Q την ενέργεια που ανταλλάσσει το σύστημα με διεργασίες θερμότητας. Στην εξίσωση αυτή θεωρείται αμελητέα η ανταλλαγή ενέργειας με ακτινοβολία. Αν θέλουμε να συμπεριλαμβάνεται και τα ενεργειακό παρε-δώσε με ακτινοβολία η εξίσωση θα πάρει τη μορφή ΔΕ = Q + W+ R με το σύμβολο R να παριστάνει την ενέργεια που ανταλλάσσει το σύστημα με το περιβάλλον με μορφή ακτινοβολίας.
Η ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας αλλά δεν είναι θερμότητα. Στον 20ο αιώνα, κατά τη διάρκεια του οποίου η ακτινοβολία ερευνήθηκε με την εισαγωγή και του σωματιδίου φωτόνιο, οι φυσικοί επισημαίνουν ότι «η ακτινοβολία δεν είναι θερμότητα». Μία σοβαρή διαφορά είναι ότι η θερμότητα «άγεται» μέσα από την ύλη και «άγεται» σημαίνει «κατευθύνεται». Στο κενό δεν υπάρχει θερμότητα. Αντίθετα η ακτινοβολία δεν άγεται, ενώ «ταξιδεύει» ακόμα και στο κενό.
Όταν κλείνουμε τον διακόπτη στο κύκλωμα και ανάβει ο λαμπτήρας συμβαίνει μεταβίβαση ενέργειας από τη μπαταρία στον λαμπτήρα και στα καλώδια με μηχανισμό ηλεκτρικού έργου ( ηλεκτρικής ενέργειας) με συνέπειες την ελάττωση της εσωτερικής χημικής ενέργειας της μπαταρίας και την αύξηση της εσωτερικής θερμικής ενέργειας στα καλώδια σύνδεσης και στο νήμα του λαμπτήρα . Αυτό συνεπάγεται την αύξηση της θερμοκρασίας του νήματος και την εκπομπή ακτινοβολίας (σε διάφορα μήκη κύματος σε υπέρυθρο και σε «ορατό» ) από το νήμα προς κάθε κατεύθυνση . Ο μηχανισμός «θερμότητα» έχει, συγκριτικά ασήμαντη συμμετοχή .
Η διατύπωση «διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία» – αγγλικής προέλευσης – είναι κατάλοιπο του 19ου αιώνα , τότε που θερμότητα ήταν ακόμα «κάθε τι που θερμαίνει» . Στα βιβλία της εποχής μας, η διατύπωση αυτή αποφεύγεται δεδομένου ότι δημιουργεί και εννοιακή σύγχυση ειδικά κατά τη διδασκαλία.
9. Εμπειρίες και ερωτήματα
α. Το ατσάλινο καρφί γίνεται σώμα αυτόφωτο.
Η ατσαλόπροκα σε θερμοκρασία πολύ χαμηλή. Μπορούμε να ανιχνεύσουμε ότι εκπέμπει αόρατη υπέρυθρη ακτινοβολία. Αν τη θερμαίνουμε συνέχεια διαπιστώνεται ότι η ποσότητα ακτινοβολίας αυξάνεται σημαντικά, ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται και η «κυρίαρχη» συχνότητα ενώ ελαττώνεται το αντίστοιχο μήκος κύματος. Όταν η πρόκα φθάσει σε θερμοκρασία 525 o C διαπιστώνουμε με τα μάτια ότι χωρίς να πάψει να εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία , γίνεται «αυτόφωτο σώμα», και εκπέμπει κόκκινο φως , το φως με τη μικρότερη συχνότητα. Αν το θερμάνουμε περισσότερο το φως που εκπέμπει διαφοροποιείται με την κυρίαρχη συχνότητα να αυξάνεται συνεχώς. Στους 1450 oC θα αρχίσει να τήκεται.
β. Το δύστηκτο βολφράμιο. Αν όμως χρησιμοποιήσουμε άλλο μέταλλο όπως το βολφράμιο, και αυξήσουμε τη θερμοκρασία περισσότερο διαπιστώνουμε ότι το δικό του φως, γίνεται φως με διάφορες συχνότητες, ενώ ταυτόχρονα η εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας γίνεται εντονότερη. Στους 2000 oC το βολφράμιο εκπέμπει :
i. υπέρυθρη ακτινοβολία η οποία έχει τον πρώτο λόγο στη θέρμανση του σώματος στο οποίο θα προσπέσει
ii. φως με διάφορες συχνότητες έτσι που να δείχνει όμοιο με το λευκό φως του ήλιου αλλά και
iii. υπεριώδη ακτινοβολία η οποία θα έχει τον λόγο στη χημική δράση με κάποιο σώμα στο οποίο θα προσπέσει.
Πάνω στο φαινόμενο «εκπομπή φωτός από δύστηκτο μέταλλο υψηλής θερμοκρασίας» , όπως το βολφράμιο και το όσμιο, βασίστηκε και η ανακάλυψη του λαμπτήρα πυράκτωσης από τον Thomas Alva Edison – αν και ο Edison στην πρώτη του κατασκευή χρησιμοποίησε νήμα γραφίτη – και για πάνω από εκατό χρόνια οι νύχτες στα σπίτια και τους δρόμους των πόλεων φωτίστηκαν κυρίως με αυτόν τον τρόπο. Ένας τρόπος εναλλακτικός ήταν οι λάμπες φθορισμού .
γ.Γιατί κρυώνει όταν βρεθεί γυμνός στο ύπαιθρο; Γιατί η γούνα τον κρατάει ζεστό ; Ο αστροναύτης βγαίνει γυμνός απ το σκάφος. Γιατί κρυώνει ;
Κάθε σώμα ανταλλάσσει ενέργεια με το περιβάλλον του με μηχανισμούς ακτινοβολίας και θερμότητας
Κάθε σώμα, οπουδήποτε και να βρίσκεται, μέρα ή νύχτα, εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία η ποσότητα της οποίας – ανά μονάδα χρόνου και ανά μονάδα εμβαδού –εξαρτάται από τη θερμοκρασία του σώματος, χωρίς να εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Ταυτόχρονα απορροφά ακτινοβολία από το περιβάλλον.
Εφόσον το σώμα βρίσκεται σε υλικό περιβάλλον ( λόγου χάρη με αέρα ή με νερό ) χαμηλότερης θερμοκρασίας χαμηλότερη αποδίδει και ενέργεια στο περιβάλλον με μηχανισμό θερμότητας η ποσότητα της οποίας -ανά μονάδα εμβαδού και ανά μονάδα χρόνου -εξαρτάται από τη διαφορά θερμοκρασίας του με το περιβάλλον και από τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας.
Όταν βρεθεί στο Διάστημα “θερμότητα δεν υφίσταται” και το μόνο που συμβαίνει είναι ότι ακτινοβολεί και απορροφά ακτινοβολία. Αν λόγου χάρη βρεθεί γυμνός στο Διάστημα, μακριά από το Ήλιο, θα νιώσει πολύ έντονο το κρύο δεδομένου ότι δεν υπάρχει γύρω του τίποτα που να εκπέμπει ακτινοβολία.
Όταν βρεθεί γυμνός στο ύπαιθρο, με τον αέρα ως περιβάλλον, η ποσότητα ενέργειας που μεταβιβάζει στον αέρα ως θερμότητα είναι σχετικά μικρή σε σχέση με την ποσότητα ενέργειας που ακτινοβολεί και η οποία παίζει τον κύριο ρόλο στο “πόσο κρυώνει” δεδομένου ότι η ακτινοβολία που απορροφά ως ποσότητα ενέργειας είναι λιγότερη
Το γούνινο παλτό τον διατηρεί ζεστό και διότι περιορίζει στο ελάχιστο την εκπομπή ακτινοβολίας αλλά και διότι το γούνινο έχει «θύλακες» αέρα, ο οποίος έχει “χαμηλή” θερμική αγωγιμότητα.
δ. Το καλοκαίρι κάνει ζέστη και τον χειμώνα κάνει κρύο
Η Γη θερμαίνεται από την ηλιακή ακτινοβολία και σε οποιονδήποτε τόπο η ακτινοβολία πέφτει μόνο την ημέρα και όχι τη νύχτα. Οι χειμώνες στην Ελλάδα είναι πιο κρύοι από τα καλοκαίρια. Οι εποχές δημιουργούνται επειδή ο άξονας περιστροφής του πλανήτη μας δεν είναι κάθετος στο επίπεδο της τροχιάς (του κέντρου μάζας) γύρω από τον Ήλιο, αλλά εμφανίζει μία κλίση 23 περίπου μοιρών. Εξ αιτίας της κλίσης οι συνέπειες είναι δύο: Η πρώτη. Σε έναν τόπο του βόρειου ημισφαιρίου όπως η Ελλάδα, σε σύγκριση με τον Ιούλιο, τον Ιανουάριο οι μέρες είναι πιο μικρές άρα και ο χρόνος πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων είναι μικρότερος . Κατά τη διάρκεια μιας ημέρας του χειμώνα, στον συγκεκριμένο τόπο, πέφτει λιγότερη ποσότητα ακτινοβολίας – ενέργεια – σε σχέση με ότι συμβαίνει μία μέρα του καλοκαιριού. Η δεύτερη. Τον Ιανουάριο οι ακτίνες του ήλιου – υπέρυθρες, φως, υπεριώδεις – πέφτουν πιο λοξά σε σύγκριση με τον Ιούλιο, οπότε πέφτουν με σχετικά μικρότερη γωνία πρόσπτωσης στο έδαφος της Γης. Το μέγεθος της σκιάς ενός κατακόρυφου ραβδιού κατά το μεσημέρι της 23ης Δεκεμβρίου είναι πολύ μεγαλύτερο από αντίστοιχο μέγεθος κατά το μεσημέρι της 23ης Ιουνίου οπότε εκδηλώνεται η μικρότερη σκιά του χρόνου.
Η διάρκεια της πρόσπτωσης και η ελάχιστη γωνία της πρόσπτωσης από μήνα σε μήνα μεταβάλλονται και οι άνθρωποι του πλανήτη μιλούν για εποχές.
10. Το αόρατο αέριο εκπέμπει ακτινοβολία φως. Χαμηλή πίεση και υψηλή τάση
Στην άκρη του νήματος βρίσκεται «ο σπινθήρας στον ατμοσφαιρικό αέρα» σε μια ηλεκτροστατική μηχανή. Με την ανακάλυψη της αντλίας κενού, το 1654, από τον Otto von Guericke οι φυσικοί άρχισαν να ερευνούν τι συμβαίνει όταν εφαρμόζουν υψηλές τάσεις σε αέρα με χαμηλή πίεση. Το 1705 παρατηρήθηκε πως όταν ο αέρας βρίσκεται υπό χαμηλή πίεση ο σπινθήρας είναι πολύ μεγαλύτερος.
130 χρόνια αργότερα ο Michael Faraday πειραματίστηκε με υψηλή τάση σε σωλήνα με αέριο σε σχετικά χαμηλή πίεση και διέκρινε ένα παράξενο φωτεινό τόξο γύρω από την κάθοδο το οποίο έφθανε σχεδόν μέχρι την άνοδο.
Οι χαμηλές τιμές πίεσης συναντούν τις υψηλές τιμές ηλεκτρικής τάσης. Στα χρόνια που ακολούθησαν η συνεργασία των φυσικών με τους μηχανικούς δημιούργησε προϋποθέσεις τόσο για «πολύ χαμηλότερες τιμές πίεσης των αερίων» όσο και για «πολύ υψηλότερες τιμές ηλεκτρικής τάσης», όπως αυτές που πραγματοποιήθηκαν με το λεγόμενο επαγωγικό πηνίο που δημιούργησε, το 1851, ο Γερμανός κατασκευαστής οργάνων Heinrich Rumkorf – Χάινριχ Ρούμκορφ . Τα χιλιάδες βολτ που μπορούσε κανείς να δημιουργεί με μία μπαταρία προκαλούσαν και σπινθήρες στον ατμοσφαιρικό αέρα.
Δεκαετία του 1850 και οι ευρωπαίοι ερευνητές – κυρίως Γερμανοί και Άγγλοι – σε ένα εξαιρετικό ραντεβού της Φυσικής και της Χημείας με την Τεχνολογία , προσεγγίζουν όλο και περισσότερο το στόχο να κάνουν κάθε αόρατο αέριο να «βγάλει» το δικό του φως.
Το 1857 ο Γερμανός Heinrich Geissler- Χάινριχ Γκάισλερ- φυσικός αλλά και τεχνίτης του γυαλιού κατάφερε να αντλήσει πολύ περισσότερο αέρα από έναν γυάλινο σωλήνα δημιουργώντας πίεση αέρα γύρω 1/1000 της ατμοσφαιρικής. Εφαρμόζοντας στον γυάλινο σωλήνα υψηλή τάση δεκάδων χιλιάδων βολτ με τη βοήθεια επαγωγικού πηνίου Ρούμκορφ είδε να δημιουργείται εκτός από ένα φωτεινό τόξο και μία φωτεινή αίγλη που γέμιζε τον σωλήνα από τη μία άκρη στην άλλη. Το φαινόμενο θα ονομαστεί ηλεκτρική εκκένωση και η διάταξη σωλήνας Γκάισλερ .
Οι φυσικοί άρχισαν να εμπιστεύονται την αντλία αέρος και τη δυνατότητα να δημιουργούν «πολλά βολτ» και οι συνέπειες, για την εξέλιξη της Φυσικής και της Χημείας, ήταν ανυπολόγιστες. Ένας γυάλινος σωλήνας με το αέριο, αραίωση του αερίου με την αντλία του Geissler και στα άκρα του σωλήνα υψηλή τάση από πηνίο Ρούμκορφ. Τα αόρατα αέρια άρχισαν το ένα μετά το άλλο να «πείθονται» και «διεγειρόμενα» να εκπέμπουν το δικό τους φως. Και χωρίς να είναι «θερμά αέρια». Περίπου εν ψυχρώ.
11. Φάσμα της ακτινοβολίας. Οι χημικοί και οι αστρονόμοι ενθουσιάζονται.
Η επόμενη ιδέα ήταν η αξιοποίηση της έννοιας φάσμα και του γυάλινου πρίσματος το οποίο υπήρξε η βάση για να κατασκευαστεί το καινούριο όργανο, το φασματοσκόπιο.
Η έννοια φάσμα ακτινοβολίας, κληροδότημα της εργασίας του Newton για το φως, θα αναφέρεται γενικότερα σε κάθε ακτινοβολία. Πρακτικά προκύπτει εάν η συγκεκριμένη ακτινοβολία προσπέσει στη σχισμή ενός διαφράγματος και στη συνέχεια στο πρίσμα της διάταξης που λέγεται φασματοσκόπιο.
Το φάσμα εκπομπής ενός σώματος είναι μια έγχρωμη ταινία αναφερόμενη σε συγκεκριμένο σώμα. Δημιουργείται εφόσον το σώμα είναι αυτόφωτο, εκπέμπει, με άλλα λόγια, το «δικό του φως» και έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον εάν το αυτόφωτο σώμα είναι αέριο ή ατμός.
Εάν το σώμα δεν είναι αυτόφωτο χρειάζεται να “φροντίσουμε” να γίνει αυτόφωτο. Υπό αυτή την προϋπόθεση ως φάσμα εκπομπής του σώματος ορίζεται το φάσμα της ακτινοβολίας την οποία εκπέμπει. Παράλληλα θα κάνει την εμφάνισή της και η έννοια «φάσμα απορρόφησης ενός σώματος», η οποία παραπέμπει επίσης σε εικόνα και αναφέρεται σε συγκεκριμένο διαφανές σώμα. Δημιουργείται εφόσον στο διαφανές αυτό σώμα προσπέσει λευκό φως και στη συνέχεια οι ακτινοβολίες που θα περάσουν από το διαφανές σώμα – και δεν θα απορροφηθούν – προσπέσουν πρώτα στη σχισμή και στη συνέχεια στο πρίσμα του φασματοσκοπίου. Ως φάσμα απορρόφησης ενός διαφανούς σώματος ορίζεται το φάσμα της ακτινοβολίας η οποία διέρχεται από αυτό μετά την πρόσπτωση λευκού φωτός. Για να πάρουμε δηλαδή ένα φάσμα απορρόφησης δεν χρειάζεται να «αναγκάσουμε» το σώμα να «βγάλει» το δικό του φως. Η προϋπόθεση είναι να διαθέτουμε μία πηγή λευκού φωτός, ένα φασματοσκόπιο και βέβαια το σώμα που μας ενδιαφέρει να είναι διαφανές. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το φάσμα απορρόφησης κάθε ουσίας σε αέρια κατάσταση δεδομένου ότι οδηγεί στην απάντηση στο ερώτημα «για τη χημική ταυτότητα της ουσίας αυτής .
Τα χημικά στοιχεία αφήνουν τα δακτυλικά τους αποτυπώματα. Οι μεγάλοι πρωταγωνιστές ήταν όλοι Γερμανοί και ανάμεσα τους ο άνθρωπος που έδωσε στο φασματοσκόπιο την σημερινή περίπου μορφή, εκείνος που πρώτος υλοποίησε την ιδέα της αξιοποίησης των φασμάτων από τη Χημεία
και την Αστρονομία, ο πατέρας της φασματοσκοπίας, ο Gustav Kirchhoff– Γκούσταβ Κίρχοφ4, κάποτε “παιδί από το Κένιξμπεργκ . Και ήταν αυτός που διέκρινε ότι, μέσα από τα φάσματα των αερίων, το φως των διαφόρων ουσιών άφηνε τα «δακτυλικά αποτυπώματα» των χημικών στοιχείων που το εξέπεμπαν. Και όχι μόνο αυτό. Νέα άγνωστα χημικά στοιχεία άρχισαν να στέλνουν το μήνυμα ότι «πάντοτε υπήρχαν». Το 1860 αυτό που ο πατέρας Γκούσταβ θα το βάφτιζε Zäsium – Καίσιο – «ήρθε στο φως του ανθρώπινου γνωρίζω» ως ένα άγνωστο μέχρι τότε μέλος της γνωστής οικογένειας των αλκαλίων για να ακολουθήσει ένα ακόμα. Ο Kίρχοφ το είπε Rubidium, οι Έλληνες Ρουβίδιο, ήταν και αυτό της οικογένειας των αλκαλίων.
Οι χημικοί όλου του Κόσμου ήταν βέβαια ενθουσιασμένοι με την ανακάλυψη . Οι αστρονόμοι επίσης .
Ποιο είναι το υλικό των άστρων ; Μια απάντηση στο αδιανόητο. Η ανάκριση του φωτός των άστρων προκειμένου το φως να «ομολογήσει» και να μας αποκαλύψει «τι υπάρχει στον Ουρανό» είχε ήδη αρχίσει. Είναι χαρακτηριστικό ότι γύρω στα μέσα του αιώνα ο Γάλλος πρωτοπόρος του Θετικισμού, ο Auguste Comte, ο στοχαστής που εμπιστεύτηκε όσο κανείς άλλος την επιστήμη είχε προβλέψει ότι « η νέα Επιστήμη θα δώσει απαντήσεις σε ένα σωρό πανάρχαια αινίγματα. Σε ένα μόνο είναι αδύνατον να απαντήσει : Στο ερώτημα «από τι υλικό είναι ο ήλιος και τα άστρα;» . Λίγες μόνο δεκαετίες αργότερα η φασματοσκοπία θα τον διέψευδε και θα πρότεινε μια απάντηση στο αδιανόητο.
Παραπομπές
1. Η συσχέτιση των εννοιών φως και ενέργεια γίνεται με λέξεις του παρόντος δεδομένου ότι η έννοια ενέργεια, με τη σημερινή της σημασία δεν υφίσταται στην αρχαία ελληνική σκέψη. Είναι «γέννημα» του 19ου αιώνα. 2.Τον Μάρτιο του 1879, λίγο μετά την γέννηση στην Ulm του Albert Einstein, o 45χρονος Σλοβένος Jožef Stefan δημοσίευσε σε έντυπο του Πανεπιστημίου της Βιέννης την εργασία του με τίτλο “Über die Beziehung zwischen der Wärmestrahlung und der Temperatur” – Περί της σχέσεως μεταξύ θερμικής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Στη δημοσίευσή του αυτή η οποία ήταν απότοκο ερευνητικής εμπειρίας βασιζόμενης και σε δεδομένα του Άγγλου John Tyndall παρουσιάζεται ο νόμος για την εκπομπή ακτινοβολίας με μία μορφή P = σΑΤ4 στην οποία το σύμβολο P παριστάνει την ανά μονάδα χρόνου εκπεμπόμενη ενέργεια ακτινοβολίας, το Α το εμβαδόν της επιφάνειας του σώματος που την εκπέμπει και το Τ τη θερμοκρασία του σώματος. Το σύμβολο σ είναι μια σταθερά. Το εκπέμπον ακτινοβολία σώμα στο οποίο αναφέρεται είναι ένα μοντέλο Ideale Schwarzer Körper – απόλυτα μαύρο σώμα- ένα σώμα που απορροφά οποιαδήποτε ακτινοβολία πέσει σε αυτό. Για την περίπτωση πραγματικού ακτινοβολούντος σώματος η σχέση γράφεται με τη μορφή P = σεΑΤ4 με ε < 1. Πέντε χρόνια αργότερα ο τότε 40χρονος Αυστριακός Ludwig Boltzmann, – Λούντβιχ Μπόλτσμαν – από τους κορυφαίους ερευνητές της Θερμοδυναμικής, κατέληξε σε παρόμοιο συμπέρασμα, βασιζόμενος στη θεωρητική υποδομή της Θερμοδυναμικής. Η σταθερά σ δεν συνιστά παγκόσμια σταθερά διότι προσδιορίζεται με άλλες παγκόσμιες σταθερές. Ο νόμος αναφέρεται συνήθως ως νόμος Stefan – Boltzmann ( Stefan–Boltzmann law, Das Stefan-Boltzmann-Gesetz ) και είναι ο μοναδικός νόμος της Φυσικής με το όνομα ενός Σλοβένου.
3. Δέκα περίπου χρόνια μετά την παρέμβαση του Boltzmann, o 29χρονος τότε Γερμανός Wilhelm Wien, Βίλχελμ Βιν, παρουσίασε έναν νόμο για τη σχέση ανάμεσα στη θερμοκρασία T ενός σώματος που εκπέμπει ακτινοβολία και στο μήκος κύματος λmax της ακτινοβολίας που εκπέμπεται με τη μέγιστη ένταση. Ο νόμος μπορεί να παρουσιαστεί με την απλή μορφή λmaxT = b, με τη σταθερά b περίπου ίση με 2,9. 10-3 m.K. Ο νόμος αναφέρεται ως «νόμος της μετατόπισης του Βιν», Wiensches Verschiebungsgesetz, Wien’s displacement law.
4. Γεννημένος στο Κένιξμπεργκ της τότε Πρωσίας- σήμερα Καλίνινγκραντ- γενέτειρα και του Imanuel Kant, ο 
Gustav Kirchhoff εξελίχτηκε σε έναν από τους σημαντικότερους φυσικούς της γενιάς του. Εκτός των άλλων πρότεινε και την έννοια “ακτινοβολία μέλανος σώματος”. Στους μαθητές των ελληνικών γίνεται γνωστός από τους λεγόμενους “κανόνες του Κίρχοφ” για το ηλεκτρικό κύκλωμα.
Αξιοσημείωτη και ιδιαίτερα γόνιμη ήταν και η συνεργασία του στη φασματοσκοπία με τον Robert Bunsen. Ο ένας φυσικός, ο άλλος χημικός ήταν ένα εξαιρετικό δίδυμο.
Είναι το πρώτο μέρος της ανάρτησης “Η έννοια ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ”. Θα ακολουθήσει το δεύτερο.
Η ανάρτηση αφιερώνεται στον Διονύση Μητρόπουλο και στον Παντελεήμονα Παπαδάκη
Τα σχόλια…