FOTONEN Nr 15, 18 september 2016

FOTONEN  Nr 15,  18 September 2016

De grote Nederlandse geleerde Christiaan Huygens  (1629 – 1665)  heeft veel onderzoek gedaan naar het verschijnsel “LICHT”. In 1640 publiceerde hij in z’n geschrift “Traité de la lumière” dat licht een golfbeweging is en dat er dan ook iets moet zijn om te golven, een “medium” dus.

Een andere grote geleerde, Izaac Newton”, die ook veel onderzoek deed naar licht, ging hier in zijn publicatie “Opticks” (1704) tegenin. Hij verklaarde de verschijnselen “breking”, “weerkaatsing” en “interferentie”, door aan te nemen dat licht uit deeltjes bestaat. Maar ene Thomas Young, die in 1801 experimenteerde met interferentie, kon deze eigenschappen wél met Huygens golftheorie, maar níet met Newton ’s lichtdeeltjes verklaren.

Wat is nu licht, zijn het golven of deeltjes?

In 1873 kwam James Clerk Maxwell met z’n beroemde theorie over elektromagnetische golven. Hij ging uit van golven die geen medium nodig hebben.

In 1886 toonde Heinrich Hertz aan dat lichtgolven en elektromagnetische golven “vergelijkbaar gedrag” vertoonden en dat ze zich beide met de lichtsnelheid bewegen.

De lichtsnelheid was intussen door Hippolyte Fizeau  (in 1849) vastgesteld op ongeveer 300.000 km per seconde, thans aangegeven met de letter “c”.  

Maar…nu weten we het nog niet, waar bestaat licht nu uit, zijn het nu golven of is het een stroom deeltjes?

Er was nog een ander probleem dat maar niet opgelost werd: Hertz en andere onderzoekers hadden het ”foto-elektrisch effect” ontdekt, maar konden één aspect ervan niet verklaren. Dit effect houdt in dat licht elektronen weg kan slaan uit een metaal. Maar…. waarom werkt rood licht niet, al is het nog zo sterk, en blauw of violet licht wel?

Max Planck, van de kwantumtheorie, kwam met het begin van een verklaring, hij ontwikkelde een formule waaruit bleek dat hoe korter de golflengte (en hoe hoger de frequentie) van straling is, des te hoger de energie. Hij was ook de eerste die het begrip “quanta” introduceerde: het begin van de kwantumtheorie.

Ook Einstein had, onafhankelijk van de anderen, ontdekt dat alleen  kortgolvig licht (met hoge frequentie) voldoende energie heeft om elektronen weg te slaan. Met langgolvig (rood) licht lukt dat niet, Daarmee kon hij (in 1905) eindelijk het “foto-elektrisch effect” goed verklaren. Hiervoor kreeg hij later zelfs de Nobelprijs.

Einstein concludeerde dat licht inderdaad uit deeltjes moest bestaan. Hij noemde ze “fotonen” (‘photons”). Maar…. er waren toch zeer veel aanwijzingen dat licht een golfkarakter heeft? Geen  probleem, volgens Einstein, licht gedraagt zich soms als deeltje en soms als golf en inderdaad: de kwantumtheorie en allerlei latere experimenten blijken dit te bevestigen.

ELEKTROMAGNETISCH VELD

Als er golven zijn moet er ook iets zijn dat golft. Bij geluid is dat de lucht, in een vacuüm hoor je niets. Dat blijkt uit de bekende proef met de glazen stolp waarin zich een rinkelende bel bevindt. Als de lucht er uit gezogen wordt sterft het geluid van de bel weg.

Gooi een steen in het “medium” water, dan ontstaan er (water)golven. Daarom bedacht men dat er toch ook een medium in het heelal moest zijn: de “ether”, waarin alles kon golven.

Helaas, na de beroemde proef van Michelson-Morley, waarbij men de “etherwind” wilde vaststellen, moest men de ether theorie laten varen, er werd géén etherwind vastgesteld.

De proef werd vele malen herhaald, maar het interferentie patroon van de lichtstralen, in langs richting en haaks erop, was steeds gelijk. De ether theorie liet men daarom maar varen. Wel bevestigde de proef de conclusie dat de lichtsnelheid altijd, hoe men ook meet, dezelfde waarde (“c”) heeft.

Dat er geen ether bestaat wordt ook bevestigd door Maxwell ’s stelling: “het bijzondere van elektromagnetische straling (zoals licht) is dat er geen medium nodig is waarin golven zich voortplanten”.

Een boude bewering. Als er geen ether of ander medium is, dan is er dus eenvoudig “niets”. Is dit ook zo? Ik heb er moeite mee. Er moet toch iets golven? Zou er niet toch een soort ether zijn die bestaat uit onvoorstelbaar kleine, niet waarneembare, deeltjes, zogenaamde Planckdeeltjes bijvoorbeeld?

Op deze beroemde Michelson-Morley proef is later kritiek geuit, er is namelijk met licht gemeten dat uit één richting komt: van de zon. De zon staat voor ons op een min of meer vaste plaats, dus klopt er iets niet, als de volgende stelling (ik weet niet van wie) geldig is:

“Als we een licht- of geluidsgolf waarnemen, die afkomstig is van een bron die ten opzichte van ons in rust is, komen de opeenvolgende golftoppen met even grote tussenpozen bij ons aan als waarmee ze uitgezonden worden”.

Dan treedt het Dopplereffect bij zonlicht dus niet op en is daardoor het interferentiepatroon altijd gelijk. De verklaringen die men indertijd bedacht waren de “Lorentzcontractie” en de snelheidsafhankelijke tijd (van Einstein). Deze verklaringen waren  volgens mij dus eigenlijk niet nodig, waarmee ik niet wil zeggen dat deze fenomenen niet bestaan.

Dat de lichtsnelheid (in vacuüm) altijd “c” bedraagt, hoe men deze ook meet, blijft ook een vaststaand feit, tót het tegendeel is bewezen. Maar dat er geen ether bestaat is met deze MM proef niet echt bewezen, ze is alleen niet aangetoond. De “ethergolven” van vroeger zouden dus misschien toch kunnen bestaan?

HOE ONTSTAAN (en WAT ZIJN) FOTONEN?

Dan denk ik aan mijn lessen in smeden op de zeevaartschool. Ik legde een staaf ijzer in het kolenvuurtje en stookte het flink op. IJzer moet je smeden als het heet is, niet waar? De staaf werd warm, na een tijdje  donkerrood, steeds helderder rood, oranje en ten slotte witheet. Bekijken we het nu op atomair niveau, dan krijgen de ijzeratomen steeds meer energie van het vuur. De elektronen om de atoomkern worden steeds onrustiger en springen naar een volgende baan. Daar kunnen ze zich niet handhaven, vallen terug en zenden daarbij een pakketje energie uit: een “FOTON”.

Een foton is dus een pakketje energie “in elektromagnetische vorm”,  met een bepaalde golflengte (dus toch een golf). Zodra de golflengte minder dan 750 Nanometer is, wordt de straling zichtbaar voor ons, eerst als rood licht en dan via oranje, geel en groen naar blauw en violet.

Fotonen zijn dus compacte golfpakketjes die een bepaalde golflengte hebben. Ligt de golflengte tussen de 750 en 380 Nanometer dan zijn deze fotonen zichtbaar voor het menselijk oog, tenminste als ze ergens opvallen. Dat is het vreemde van “zichtbaar” licht: het is pas zichtbaar als het op ons netvlies valt, of het nu direct licht of gereflecteerd licht is.

Bewegende fotonen zelf zijn dus onzichtbaar. Nog wat, niet alleen licht, alle elektromagnetische golven, ook radiogolven, microgolven, Röntgen- en gammastralen bestaan uit fotonen. Ook produceert elk materieel object met een temperatuur boven het absolute nulpunt (0 Kelvin), fotonen, namelijk infrarood straling, waarbij de golflengte van de straling afhankelijk is van de temperatuur van het betreffende materiaal. (Infrarood straling is warmtestraling).

Wat is er nog meer over fotonen bekend? Fotonen zouden geen afmetingen hebben (is dat wel zo?). Het zouden massaloze “puntdeeltjes” zijn. Ook zouden ze (in vacuüm) altijd met de lichtsnelheid “c” bewegen “omdat ze geen massa hebben”.

Maar… als zo’n foton uit een elektronenbaan van een atoom wegspringt begint het toch met snelheid nul? Omdat fotonen geen massa hebben moet, volgens de natuurkundige wetten, de versnelling oneindig groot zijn. Een vreemde zaak, want dan zou zo’n foton dus “instantly” de snelheid “c” hebben.

DE ZON

De belangrijkste bron van fotonen voor onze wereld is: de zon. In de zon vindt een continu kernfusieproces plaats, waarbij waterstof in helium omgezet wordt. Daarbij komt een enorme hoeveelheid stralingsenergie vrij. Over deze straling lees ik het volgende:

“Ongeveer 99% van de elektromagnetische straling afkomstig van de Zon, bevindt zich in het gebied: UV, zichtbaar licht en IR (warmte)straling. De piek in het spectrum van de zonnestraling ligt bij een golflengte van ongeveer 500 nm, in het blauwgroene golflengtegebied van het zichtbare licht”.

De hoeveelheid energie die de zon de ruimte instuurt in de vorm van straling is enorm: 3,85×10²⁶ Watt per seconde.

Een héél klein deel van deze stralingsenergie, maar nog steeds een zeer grote hoeveelheid, bereikt onze aarde en zorgt voor een leefbare temperatuur en voldoende licht. Hoeveel Watt ontvangt de aarde (per vierkante meter per seconde)?

“Gemiddeld 1367 Watt per m². Deze waarde heeft een jaarlijkse gang door de ellipsvormige baan van de aarde rond de zon. Zo bereikt 1412 Watt per m² in januari de atmosfeer, tot 1312 Watt per m² in juli.:

Doordat de afstand van de zon tot de aarde, gemiddeld 150 miljoen kilometer is, duurt het 8,3 minuten eer de zonnefotonen de aarde bereiken. Daarbij zorgt onze dampkring ervoor dat gevaarlijke straling, zoals UV en kosmische straling, grotendeels tegengehouden worden. Voor de leefbaarheid van de aarde blijkt de zon precies op de juiste afstand van de aarde te staan. De zon schijnt zeer constant, al 4,5 miljard jaar, en heeft nog voor miljarden jaren “brandstof”. Wat een geluk hebben we met deze zon!

ELEKTROMAGNETISCH VELD

Licht is een elektromagnetische straling. Maar wat is toch dat

elektromagnetische veld? Dat weten we nog steeds niet. Wel lees ik  het volgende:

“Elektromagnetische straling beweegt zich voort in een veld, namelijk het elektromagnetische veld. Het elektromagnetische veld bestaat uit twee componenten: het elektrische veld en het magnetische veld”.

En ook:

“Een foton is een pakketje energie in elektromagnetische vorm. Het elektromagnetische veld breidt zich met de lichtsnelheid uit. Vandaar dat een foton zich met de lichtsnelheid beweegt (althans in een vacuüm).”

Is dat zo? Breidt het elektromagnetische veld zich inderdaad met de lichtsnelheid uit? Zorgen fotonen zelf voor een veld? Maar wat is dan  dat “veld”?

Ik lees nog wat:

“Elektrisch veld: ontstaat door elektrische ladingen en zorgt voor een elektrische kracht op andere ladingen.”

“Magnetisch veld: ontstaat door de beweging van elektrische ladingen.”

Weten we nu wat een ELEKTROMAGNETISCH VELD is? Ik vermoed dat eigenlijk niemand dit echt weet. We kunnen er wel gebruik van maken en het in formules uitdrukken. En misschien bestaat het elektromagnetische veld toch uit een soort ether.

LICHT uit het HEELAL

Kijken we naar de sterrenhemel, dan zien we vele sterren die licht de ruimte insturen waarvan een deel ons oog bereikt, want we “zien” ze. Deze sterren, eigenlijk zijn het “zonnen”, staan op enorme afstanden van ons af. De dichtst bij de aarde staande ster is “Proxima Centauri” die op 4,22 lichtjaren van ons afstaat, dat komt neer op:

4,22 x 9,5 biljoen km. Een lichtjaar is dus 9,5 biljoen kilometer of  precies 9.460.730.472.580.800 meter.

Genoemde ster is moeilijk te zien zonder kijker, maar als we hem zien dan hebben de lichtfotonen die ons netvlies bereiken een lange weg achter de rug. Eigenlijk een klein wondertje dát ze ons bereiken, want zodra ze onderweg iets ontmoeten, al is het maar een stofje: einde foton en z’n energie verdwijnt in het stofje.

Tegenwoordig kunnen we met sterke telescopen zeer ver in het heelal kijken. Men heeft zelfs sterrenstelsels ontdekt die meer dan 10 miljard lichtjaren van ons af zouden staan, maar die afstand is bepaald met de “roodverschuiving”, waar ik dus m’n twijfels over heb (zie m’n vorige blog nr. 14).

In ieder geval staan die sterrenstelsels niet meer op de plaats waar we ze nu zien staan en het is ook de vraag of ze überhaupt nog bestaan. Niet alleen staan deze stelsels onvoorstelbaar ver weg, we zien ze zoals ze miljarden jaren geleden het nu waargenomen licht uitzonden.

Dat het licht van deze verre objecten, ook na al die tijd, ons nu nog bereikt is helemáál een wonder. De fotonen die zo lang gereisd hebben zouden inderdaad wel eens aan de “vermoeid licht theorie” kunnen voldoen, waarmee men de abnormaal grote roodverschuiving (die de afstand bepaalt) probeert te verklaren.

Als zulke stokoude fotonen dan eindelijk onze telescopen bereiken, is het meteen gedaan met ze, ze geven hun energie af aan de spiegels en lenzen van de telescopen en arriveren als andere fotonen  uiteindelijk op het netvlies van de waarnemer. Geen nood, de stroom fotonen blijft komen, er zijn er nog volop onderweg! En de fotonen die niets tegenkomen? Die blijven eeuwig doorgaan.

REFLECTIE  van  licht

Over reflectie heb ik in hoofdstuk 17 van mijn boek “Zoektocht” al behoorlijk veel geschreven. Een van de vreemdste eigenschappen van licht is de “gedeeltelijke reflectie” van glas en water. Newton vond het indertijd al een moeilijk te verklaren onderwerp.

Lopen we langs een etalageruit, dan zien we wat er in de etalage ligt, maar….. we zien ook onszelf. Kijken we in het water van een heldere sloot, dan zien we waterplanten, en misschien vissen, maar ook onszelf ! Narcissus werd zelfs verliefd op zichzelf toen hij z’n eigen gezicht weerspiegeld zag in water

Hebben we het over glas, dan blijkt een glazen ruit, volgens de glas deskundigen, 96 % van het licht door te laten en 4 % terug te kaatsen.

De beroemde wiskundige Richard Feynman heeft hier onderzoek naar gedaan en kwam tot vreemde conclusies. Zijn boek heet dan ook: “QED The strange theory of light and matter”. Hij bestudeerde o.a. het gedrag van  fotonen, van één golflengte (“monochromatisch licht),  in glas.

Er blijkt verschil te zijn tussen glas en glasplaten. Richard gebruikte voor zijn proeven een “foton multiplier”, waarmee hij fotonen kon tellen. Ik kan begrijpen dat je zo’n apparaat aan weerszijden van een glasplaat plaatst en dan fotonen telt, maar hoe plaats je een foton multiplier IN glas? En, hoe krijgen we monochromatisch licht? Dat is niet zo moelijk: met een laser, die geeft een geconcentreerde bundel licht van één golflengte. 

Uit zijn proeven bleek ook dat van de 100 fotonen die het glas ingaan, er 4 terugkaatsen. Maar bij een glasplaat is het anders, daar reflecteert 0 – 16 %, afhankelijk van de dikte, en dat gaat zeer ver door. De reflectie loopt op en weer terug volgens een regelmatige curve. Dit nu is zeer vreemd want het lijkt er dan op dat de invallende fotonen van de terugkomende fotonen vernomen hebben hoe dik de glasplaat is en dan besluiten hoeveel fotonen er zullen terugkaatsen. (Dat blijkt ook zo te zijn wordt gezegd).

Wat betreft de 4 fotonen van de 100, die van glas terugkaatsen,  welke 4 fotonen zijn dat? Is dat ook vooraf afgesproken? Intussen weet ik dat dit niet dezelfde fotonen zijn: zodra een foton een reflecterend oppervlak raakt, kaatst er een ander foton terug. Hierbij zou een foton wat energie kunnen verliezen, waarbij dus de frequentie iets zal veranderen. Waarom licht wel door glas, water en andere materialen gaat en door weer andere niet is ook nog een vraag, maar dat kan de wetenschap wel verklaren.

De titel van Richard Feynmans boek is juist gekozen, de wereld van het zeer kleine is inderdaad vreemd, zeer vreemd. Lezen svp.

BREKING van licht

Als licht uit fotonen bestaat, hoe verklaren we dan het gedrag van fotonen bij het fenomeen “breking”? Met “breking” wordt het feit bedoeld dat, als we een stok schuin in het water steken, dan lijkt hij bij het wateroppervlak te “breken”: er lijkt een knik in de stok: de hoek is zichtbaar veranderd (kleiner). Wat is de oorzaak?

Eerst een paar feiten. Licht dat loodrecht op het water valt wordt niet gebroken, alleen schuin invallend licht wordt gebroken. Hoe groter de hoek hoe meer breking.

Dan hebben we ook nog de “brekingsindex” die bijvoorbeeld voor glas groter is (1,5 à 1,6) dan voor water (1,3) en voor lucht heel klein. Deze index wordt berekend met de invals- en de brekingshoek (wet van Snellius) wanneer licht vanuit het ene medium (bijvoorbeeld lucht) een ander “doorzichtig” medium, zoals  water of glas, binnentreedt.

Met deze brekingsindex kunnen we berekenen hoeveel de lichtsnelheid verandert als licht een ander medium binnengaat. Dat is aanzienlijk. Zo neemt de lichtsnelheid bij een brekingsindex van 1,3 met 30 % af, aanzienlijk veel dus.

Hoe wordt deze breking van licht verklaard? De wetenschap kan het fenomeen breking alleen echt verklaren, als licht als golven beschouwd wordt. Door licht als een stroom deeltjes (fotonen) te beschouwen is blijkbaar veel moeilijker.

Wat zou er toch gebeuren met die lichtfotonen, als ze het water schuin induiken? Waarom buigen ze af? Gaan ze liever rechtuit? De hoek van inval is in ieder geval groter dan de brekingshoek. Proberen ze de kortste weg te nemen?

Er zijn dieren die goed met de breking om kunnen gaan, zoals reigers. Een reiger staat geduldig aan de slootkant te wachten en pakt met z’n lange snavel feilloos, rekening houdend met de breking, een visje.

Breking of diffractie is weer een vreemde eigenschap van licht.

ZONZEILEN

Met een zeilboot kun je “aan” de wind en “voor” de wind zeilen. Maar wat blijkt nu, met een flink zeil kun je ook in de ruimte van ons zonnestelsel, vóór de “zonnewind” zeilen, aan de wind zal wel niet gaan. Hoe gaat dat?

Je hebt een flink zeil van reflecterend materiaal nodig en de zon in je rug, dan duwen de fotonen je verder. Je gaat steeds sneller, want er is geen weerstand en zolang er kracht is, is er versnelling en neemt de snelheid toe.

Maar hoe kunnen fotonen een zeilschip voortstuwen? Fotonen hebben toch geen massa? Fotonen hebben inderdaad geen rustmassa, maar wel energie en volgens Einstein is dat “relativistische” massa. Botst nu een foton tegen het zeil, dan zal het als een ander foton met iets minder energie terugkaatsen. De golflengte zal daardoor iets toe nemen en het verschil in energie geeft een druk op het zeil en stuwt je zonnezeilschip voort.

Snel zal het niet gaan, maar op den duur zou je toch een flinke snelheid moeten kunnen krijgen, als er maar voldoende fotonen van achteren komen. Op deze wijze zou een klein ruimtevaartuig naar een planeet van ons zonnestelsel kunnen reizen, zonder dat er veel raketbrandstof meegenomen moet worden.

De Russen, Japanners en Amerikanen hebben het zonnezeilen intussen getest en het principe blijkt te werken, maar of er al zonnezeilschepen onderweg naar planeten zijn heb ik niet kunnen ontdekken.

Intussen vermoedt men dat fotonen misschien toch een hele kleine massa hebben, maar of dat waar is? Bestaan fotonen wel echt. Als we ze zien als golfpakketjes energie denk ik van wel