Un fenomen deosebit de caracteristic al undelor rezultă atunci când două sau mai multe unde intră în contact: ele interferează între ele. Figura 6.6 prezintă modelele de interferență care apar atunci când lumina trece prin fante înguste distanțate aproape de o lungime de undă. Modelele de franjuri produse depind de lungimea de undă, franjurile fiind mai strâns distanțate pentru lumina cu lungime de undă mai scurtă care trece printr-un set dat de fante. Când lumina trece prin cele două fante, fiecare fantă acționează efectiv ca o nouă sursă, rezultând două unde strâns distanțate care vin în contact la detector (camera în acest caz). Regiunile întunecate din figura 6.6 corespund regiunilor în care vârfurile undei dintr-o fantă coincid cu minimele undei din cealaltă fantă (interferență distructivă), în timp ce regiunile cele mai luminoase corespund regiunilor în care vârfurile celor două unde (sau cele două minime ale lor) se întâmplă să coincidă (interferență constructivă). De asemenea, atunci când două pietre sunt aruncate aproape una de cealaltă într-un iaz, modelele de interferență sunt vizibile în interacțiunile dintre undele produse de pietre. Astfel de modele de interferență nu pot fi explicate prin mișcarea particulelor în conformitate cu legile mecanicii clasice.

Figura 6.6 Modelele de franjuri de interferență sunt prezentate pentru lumina care trece prin două fante înguste, aflate la distanță apropiată. Distanța dintre franjuri depinde de lungimea de undă, franjurile fiind mai strâns distanțate pentru lumina albastră cu lungime de undă mai scurtă.
Portretul unui chimist Dorothy Crowfoot Hodgkin Razele X prezintă lungimi de undă de aproximativ 0,01–10 nm. Deoarece aceste lungimi de undă sunt comparabile cu spațiile dintre atomi dintr-un solid cristalin, razele X sunt împrăștiate atunci când trec prin cristale. Razele împrăștiate suferă interferențe constructive și distructive care creează un model de difracție specific care poate fi măsurat și utilizat pentru a determina cu precizie pozițiile atomilor în interiorul cristalului. Acest fenomen de difracție de raze X este baza pentru tehnici foarte puternice care permit determinarea structurii moleculare. Unul dintre pionierii care a aplicat această tehnologie puternică unor substanțe biochimice importante a fost Dorothy Crowfoot Hodgkin. Născută la Cairo, Egipt, în 1910, din părinți britanici, fascinația lui Dorothy pentru chimie a fost stimulată devreme în viața ei. La vârsta de 11 ani, a fost înscrisă la o prestigioasă școală engleză, unde era una dintre cele două fete cărora li s-a permis să studieze chimia. La vârsta de 16 ani, mama ei, Molly, i-a dăruit o carte despre cristalografia cu raze X, care a avut un impact profund asupra traiectoriei carierei ei. Ea a studiat chimia la Universitatea Oxford, absolvind cu onoruri de primă clasă în 1932 și intrând direct la Universitatea Cambridge pentru a urma un doctorat. La Cambridge, Dorothy a recunoscut viitorul cristalografiei cu raze X pentru determinările structurii proteinelor, efectuând cercetări care i-au adus un doctorat în 1937. Pe parcursul unei cariere foarte productive, dr. Hodgkin a fost creditat cu determinarea structurilor pentru mai multe biomolecule importante, inclusiv iodură de colesterol, penicilină și vitamina B12. În semn de recunoaștere a realizărilor sale în utilizarea tehnicilor cu raze X pentru a elucida structurile substanțelor biochimice, ea a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1964. În 1969, ea a condus o echipă de oameni de știință care au dedus structura insulinei, facilitând producția în masă a acestui hormon și avansarea considerabilă a tratamentului pacienților diabetici din întreaga lume. Dr. Hodgkin a continuat să lucreze cu comunitatea științifică internațională, câștigând numeroase distincții și premii înainte de moartea ei în 1993. |
Nu toate undele călătoresc. Undele staționare rămân constrânse într-o anumită regiune a spațiului. După cum vom vedea, undele staționare joacă un rol important în înțelegerea noastră a structurii electronice a atomilor și moleculelor. Cel mai simplu exemplu de undă staționară este o undă unidimensională asociată cu o coardă vibrantă care este ținută fixă la cele două puncte de capăt ale sale. Figura 6.7 prezintă cele patru unde staționare cu cea mai mică energie (unda fundamentală și cele trei armonice cele mai joase) pentru o coardă care vibrează la o anumită amplitudine. Deși mișcarea corzii se află în cea mai mare parte într-un plan, unda în sine este considerată a fi unidimensională, deoarece se află de-a lungul lungimii corzii. Mișcarea segmentelor de corzi într-o direcție perpendiculară pe lungimea corzii generează undele și astfel amplitudinea undelor este vizibilă ca deplasarea maximă a curbelor văzute în Figura 6.7. Observația cheie din figură este că se pot forma numai acele unde care au un număr întreg, n, de semilungimi de undă între punctele finale. Un sistem cu puncte finale fixe ca acesta restricționează numărul și tipul formelor de undă posibile. Acesta este un exemplu de cuantizare, în care sunt observate doar valori discrete dintr-un set mai general de valori continue ale unei proprietăți. O altă observație importantă este că undele armonice (cele care afișează mai mult de o jumătate de lungime de undă) au toate unul sau mai multe puncte între cele două puncte finale care nu sunt în mișcare. Aceste puncte speciale sunt noduri. Energiile undelor staţionare cu o amplitudine dată într-o cordă vibrantă cresc cu numărul de semilungimi de undă n. Deoarece numărul de noduri este n – 1, se poate spune că energia depinde și de numărul de noduri, în general crescând pe măsură ce numărul de noduri crește.
Figura 6.7 O cordă vibrantă prezintă unele unde staționare unidimensionale. Deoarece cele două puncte de capăt ale corzii sunt ținute fixe, se pot forma numai unde cu un număr întreg de semilungimi de undă. Punctele de pe coardă dintre punctele de capăt care nu se mișcă se numesc noduri.
Un exemplu de unde staționare bidimensionale este prezentat în Figura 6.8, care arată modelele vibraționale pe o suprafață plană. Deși amplitudinile vibraționale nu pot fi văzute așa cum ar putea fi văzute în coarda vibrantă, nodurile au fost făcute vizibile prin stropirea suprafeței tamburului cu o pulbere care se adună pe zonele suprafeței care au deplasare minimă. Pentru undele staţionare unidimensionale, nodurile erau puncte pe linie, dar pentru undele staţionare bidimensionale, nodurile sunt linii de suprafaţă (pentru undele staţionare tridimensionale, nodurile sunt suprafeţe bidimensionale în cadrul volumului tridimensional).
Figura 6.8 Undele staţionare bidimensionale pot fi vizualizate pe o suprafaţă vibrantă. Suprafața a fost stropită cu o pulbere care se adună lângă liniile nodale. Există două tipuri de noduri vizibile: noduri radiale (cercuri) și noduri unghiulare (razele).
Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing
Lasă un răspuns