Billeddannende

Billeddannende Fysik
Noter til lektion 2
Partikel-bølge-dualiteten
Som antydet er fotonenergiens afhængighed af lysets frekvens, men var Einsteins
teori ikke en tilbagevenden til Newtons partikelteori. Fotonerne er nemlig kendetegnet
ved en fase, sådan at to fotoner i modfase kan udslukke hinanden. Lyset har således
både partikel- og bølgenatur (den såkaldte partikel-bølge-dualitet), og adskiller sig
derfor fundamentalt fra alle dagligdagsfænomener. Den menneskelige hjerne er bedst
til at begribe ting, som kan opfattes med vores sanser, og må derfor kombinere to
modstridende mentale billeder, partikler og bølger, for at ’forstå’, hvad lys egentlig er.
Partikel-bølge-dualiteten er ikke speciel for lys, men kendetegner ifølge
kvantemekanikken al stråling og al stof (elektroner, protoner, neutroner, atomer,
molekyler, osv.), og dermed alle universets bestanddele! Det viser sig, at lys i en
given sammenhæng udviser enten partikel- eller bølgeadfærd, og man kan således
komme langt i sin beskrivelse af lysfænomener ved skiftevis at anvende en
partikelmodel eller en bølgemodel. Dette er selvfølgelig utilfredsstillende, og der
findes da også én samlet teori for lys kaldet kvanteelektrodynamikken. Men en samlet
teori for andre partikler findes ikke. Det er moderne fysikeres fineste mål at finde en
sådan teori for alt, men det er ikke pensum i dette kursus.
I det følgende vil vi nøjes med at fokusere på lysets bølgeegenskaber og endda
tilnærme det med en beskrivelse af strålegangen og den følgende geometri.
Når vi beskæftiger os med fysik, opstiller vi ofte modeller, til at beskrive de
fænomener vi observerer. Der findes hovedsagligt 3 modeller der beskriver lys under
forskellige forhold.
Geometrisk optik: Bølgelængden er kort i forhold til dimensionerne på udstyret og
fotonernes energi er lav i forhold til energifølsomheden af måleudstyret.
Bølge optik: Bølgelængden er i samme størrelsesorden som udstyret og fotonernes
energi er lav i forhold til energifølsomheden af måleudstyret.
Partikel optik: Hvis bølgelængden er kort, dvs. frekvensen og energien er høj, kan
bølgefænomener igen negligeres kan den elektromagnetiske stråling betragtes om
partikler.
Geometrisk optik
Inden for den geometriske optik beskrives lysudbredelsen vha. bølgefronter og
strålegange under anvendelse af den såkaldte strålegangstilnærmelse.
I strålegangstilnærmelsen antages lys i homogene medier at udbrede sig efter rette
linier kaldet strålegange, sådan at lyset kun skifter retning ved overgange mellem
medier med forskellige brydningsindeks.
Strålegangstilnærmelsen er kun gyldig for λ d , hvor d er udstrækningen af de
objekter, herunder huller, som lyset møder på sin vej (figur 3). I tilfælde (b) og (c) er
strålegangstilnærmelsen således ikke opfyldt, idet lyset skifter retning, selvom det
hele tiden udbreder sig i luft. At lyset på denne måde løber om hjørner, når det møder
små forhindringer, kaldes diffraktion.
4/24