Heeft licht een middenstof nodig om zich voort te planten?

Chimme, 13 jaar
18 juni 2016

In mijn cursus staat het volgende over middenstof: Middenstof is de stof waarin licht en geluid zich kunnen voortplanten. Maar licht heeft geen middenstof nodig om zich voort te planten?

Antwoord

Beste Chimme,

 

Dat is een heel mooie vraag die een aspect van licht benadrukt waar natuurkundigen zich lange tijd het hoofd over hebben gebroken. 

Laat ons eenvoudig beginnen bij de vraag wat een middenstof (of medium) eigenlijk is. Heel abstract is een middenstof iets dat iets anders doorgeeft. Het iets waar we het hier over hebben kan een vaste stof, een vloeistof, een gas of een plasma zijn. Het iets anders kan materie zijn (bv. zout opgelost in water, hierbij is water de middenstof) maar ook energie (bv. golven in water of geluidsgolven in lucht). Zoals je ziet kan en wordt de term medium veel breder gebruikt dan enkel voor materialen waarin licht- en geluidsgolven zich voortplanten, hoewel dit het meest voorkomende gebruik is binnen de natuurkunde.

Tot de 19de eeuw dachten natuurkundigen dat licht wel een stoffelijke middenstof had wanneer het zich in vacuüm bewoog; namelijk ether. Dit idee stuitte echter op problemen toen men de snelheid van het licht nauwkeurig ging meten. Indien licht zich door een overal aanwezige ether zou voortbewegen zou dit betekenen dat de gemeten snelheid van het licht afhankelijk moet zijn van de snelheid van de waarnemer ten opzicht van die ether. Men vond echter dat de lichtsnelheid steeds dezelfde is. Sindsdien is men van het idee van het bestaan van een ether afgestapt. Licht heeft, zoals je zelf aanhaalde, geen stoffelijk medium nodig. Men zegt ook wel dat vacuüm een medium is voor licht, maar het is eigenlijk juister om te zeggen dat licht zijn eigen medium is in vacuüm. Licht is een elektromagnetische golf, en wordt dus beschreven door de wetten van Maxwell. Hierbij wordt het magnetische veld aangedreven door het elektrische veld, en het elektrische veld door het magnetische (waardoor ze mooi in de pas blijven). 

We weten nu dat licht zijn eigen medium is in vacuüm, maar wat gebeurt er met licht als het door een stoffelijk medium gaat, en niet door vacuüm?

Laat ons beginnen met een heel ijl medium: lucht. Indien er geen lucht om de aarde zou zijn zou de hemel zwart gekleurd zijn en zouden we de sterren zien zoals bij nacht. Dit is het geval op de maan, daar ziet men overdag zowel de zon als sterren aan de hemel. Hoe komt het nu dat de hemel blauw is gekleurd? Dit is licht van de zon dat "verstrooid" wordt aan de moleculen in de lucht. Men zal het vaak hebben over Rayleigh verstrooiing in dit geval. Bij verstrooiing wordt al gauw het beeld gebruikt van wegbotsende biljardballen, wat tot op zekere hoogte een bruikbare analogie is, maar voor de vraag over het medium van licht moeten we iets dieper in de fysica duiken. In tegenstelling tot biljardballen stuitert een lichtdeeltje (of foton) niet gewoon weg van een molecule, maar wordt het opgenomen door de molecule. Een foton kan ook gezien worden als een klein pakketje extra energie die aan de molecule wordt gegeven.  Door de extra energie gaat deze trillen of (in ons geval) een elektron naar een hogere energieschil verplaatsen. De molecule zal dan na verloop van tijd deze extra energie terug afgeven (in ons geval keert het elektron terug naar zijn originele energieschil) in de vorm van een energiepakketje (zijnde een foton = licht). Dit lichtdeeltje wordt dan in een willekeurige richting uitgezonden waardoor wij hier op aarde de hemel als blauw gekleurd zien, maar men eveneens vanuit de ruimte de aarde als een blauwe bol ziet. 

Nu komen we terug bij de vraag over het medium van licht. In de bovenstaande situatie kan (een) licht(deeltje) met meerdere moleculen in de lucht gebotst hebben voor het onze ogen bereikt. Wat is hier dan het medium? De luchtmoleculen enerzijds, en het licht zelf tussen de botsingen in.

Wat gebeurt er als we de moleculen van de lucht zo dicht bij elkaar zouden brengen dat het licht dat uitgezonden wordt direct terug wordt geabsorbeerd door een andere molecule? Dan hebben we een vloeistof of zelfs een vaste stof (bvb water, melk, een vensterraam, een baksteen,...).  In essentie gebeuren hierin vergelijkbare zaken als bij de luchtmoleculen. Er zijn een paar verschillen. Ofwel komt het licht niet door het medium heen (bvb baksteen) waarbij het licht reflecteert (terug wordt uitgezonden in de richting vanwaar het komt) of wordt geabsorbeerd maar niet meer wordt uitgezonden als een lichtdeeltje met dezelfde energie (warmtestraling is licht met een veel langere golflengte dan zichtbaar licht). Bij een transparant medium (zoals vensterglas) wordt een groep atomen zodanig aangeslagen (vergelijkbaar met de luchtmolecule) dat er een gezamenlijke beweging van elektronen rond deze groep atomen ontstaat, men spreekt hierbij dan van een quasideeltje. Dit laatste heeft een extra effect, namelijk dat de bewegingsrichting van het "nu opgenomen lichtdeeltje" vast wordt gehouden in het medium, er is dus geen random uitzenden maar wel uitzending in een bepaalde richting. Dit zorgt ervoor dat je door je raam naar buiten kan kijken.

In deze laatste situatie is het medium waar het licht door beweegt de materie (vloeistof, of vaste stof) of misschien iets preciezer het door het licht aangelegde elektromagnetische veld.  

Alles samengevat leren we hieruit dat licht zijn eigen medium is als elektromagnetische golf, maar dat een middenstof deze elektromagnetische golf kan dragen maar niet nodig is gezien de elektromagnetische golf zichzelf kan dragen/voortstuwen in vacuüm.

 

 

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2022
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen