Γιατί ο ουρανός είναι γαλανός;

Το ερώτημα φαντάζει απλό, ίσως και απλοϊκό. Η απάντηση του όμως δεν είναι και τόσο εύκολη. Τουλάχιστον η κλασσική Φυσική δεν μπορεί να την δώσει. Απάντηση δίδει η κβαντική Φυσική, και πιο συγκεκριμένα η κβαντική θεωρία της αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία το άτομο περιγράφεται ως ένα σύστημα του οποίου η ενέργεια είναι  κβαντωμένη, δηλαδή παρουσιάζει μία αλληλουχία ενεργειακών επιπέδων, διαχωρισμένων μεταξύ τους: η ενέργεια ενός ατόμου δεν μπορεί να λάβει παρά ωρισμένες τιμές, τις τιμές αυτών των επιπέδων, οι οποίες είναι χαρακτηριστικές για αυτό το άτομο, ή, ακριβέστερα, για το είδος στο οποίο ανήκει (άνθρακας, άζωτο κλπ). Στην κανονική κατάσταση, το άτομο, από τις επιτρεπόμενες καταστάσεις, βρίσκεται σ’ εκείνην που χαρακτηρίζεται από την ελάχιστη ενέργεια (μη διεγερμένη ή θεμελιώδης κατάσταση). Όταν στο άτομο προσπέσει ένα φωτόνιο συχνότητας ν, η οποία αντιστοιχεί ή πιο σωστά γίνεται αντιληπτή από εμάς ως κάποιο χρώμα, π.χ. κόκκινο, και ενέργειας Ε=hν (όπου h η σταθερά του Planck ίση με 6,55x10^-27erg.sec), το άτομο μπορεί να περάσει σε μία ανώτερη ενεργειακή κατάσταση, υπό τον όρο πάντοτε ότι η ενέργεια των προσπιπτόντων φωτονίων θα είναι ακριβώς ίση με την διαφορά μεταξύ ενός από τα επιτρεπόμενα ενεργειακά επίπεδα και του θεμελιώδους. Στην διεγερμένη δηλαδή κατάσταση, το άτομο, πάντοτε υπό την προϋπόθεση που τέθηκε παραπάνω, απορροφά ένα φωτόνιο, το οποίο εξαφανίζεται από την προσπίπτουσα δέσμη και το άτομο οδηγείται σε μία ανώτερη ενεργειακή κατάσταση. Ονομάζουμε αυτές τις απορροφήσεις συντονισμένες απορροφήσεις ή απλώς συντονισμούς. Στην ανώτερη αυτήν ενεργειακή κατάσταση το άτομο μπορεί να παραμείνει για κάποιο χρονικό διάστημα και μετά να μεταπέσει στην θεμελιώδη του κατάσταση εκπέμποντας ένα φωτόνιο ίδιας συχνότητας και συνεπώς ίδιας ενέργειας με εκείνο το οποίο είχε απορροφηθεί. Το άτομο δηλαδή μπορεί να γίνει πομπός φωτός.

                  (Πηγή εικόνας: http://users.sch.gr)

Ας φανταστούμε, τώρα, τα ηλεκτρόνια του ατόμου ως μικρούς ταλαντωτές, ικανούς να πάλλονται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, και των οποίων οι ιδιοσυχνότητες (δηλαδή οι συχνότητες για τις οποίες το ηλεκτρόνιο συντονίζεται, παλλόμενο με μέγιστο πλάτος) αντιστοιχούν σε μεταβάσεις του ατόμου από την θεμελιώδη κατάσταση σε μία από τις διεγερμένες. Εάν ένα φωτεινό κύμα προσπέσει στο άτομο ο ταλαντωτής αρχίζει να πάλλεται. Η απόκριση του ταλαντωτή είναι ασήμαντη (αλλά μη μηδενική) όταν η συχνότητα του προσπίπτοντος κύματος είναι διαφορετική από τις ιδιοσυχνότητες του, ενώ, αντίθετα, γίνεται πολύ σημαντική όταν οι συχνότητες του κύματος και του ταλαντωτή συμπίπτουν, όταν έχουμε δηλαδή συντονισμό. Για την πλειονότητα των απλών ατόμων (Ο, Ν, Η) οι συχνότητες συντονισμού είναι αρκετά υψηλότερες από αυτές που χαρακτηρίζουν το ορατό φως. Ανήκουν στην περιοχή του φάσματος, η οποία ονομάζεται υπεριώδης. Αυτός είναι ο λόγος που ένα αέριο είναι διαφανές.

Για τα μόρια (Ο₂, Ν₂, Η₂Ο), οι συχνότητες συντονισμού είναι χαμηλότερες από τις ορατές συχνότητες, άρα και σ’ αυτήν την περίπτωση βρίσκονται έξω από το ορατό φάσμα. Με την εξής, όμως, σημαντική διαφορά: στην περίπτωση των ατόμων, οι μάζες που ταλαντώνονται είναι αυτές των ηλεκτρονίων. Στην περίπτωση των μορίων, οι ταλαντούμενες μάζες είναι αυτές των ατόμων^. συνεπώς, είναι πολύ βαρύτερες απ’ ό,τι στην πρώτη περίπτωση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, ένα και το αυτό κύμα να θέτει πολύ ευκολότερα σε κίνηση τους ταλαντωτές που αντιστοιχούν σε άτομα απ’ ό,τι εκείνους που αντιστοιχούν σε μόρια.

Το ηλιακό φως αποτελείται από ένα σύνολο ακτινοβολιών που περιλαμβάνει όλες τις δυνατές συχνότητες του φάσματος, από το υπεριώδες ως το υπέρυθρο, μέσω του ορατού. Οι υπέρυθρες ακτινοβολίες προκαλούν τον συντονισμό των μορίων, αλλά τα αντίστοιχα πλάτη είναι μικρά. Αντίθετα, οι υπεριώδεις ακτινοβολίες προκαλούν τον συντονισμό των ατόμων, και τα αντίστοιχα πλάτη είναι σημαντικά. Το ορατό φως θέτει σε κίνηση τους ταλαντωτές με ένα πλάτος ταλάντωσης σχετικά μικρό, αλλά το ίδιο για όλους. Συνολικά, το ηλιακό φως προκαλεί ταλαντώσεις μέσου ή μικρού πλάτους στο ορατό, αμελητέου στο υπέρυθρο και πολύ μεγάλου στο υπεριώδες. Όπως ήδη αναφέραμε, ένα ταλαντούμενο φορτίο, όπως συμβαίνει να είναι το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου που εξαναγκάζεται σε ταλάντωση, είναι επίσης πομπός φωτός. Δηλαδή, ένα ταλαντούμενο ηλεκτρόνιο εκπέμπει προς όλες τις κατευθύνσεις ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα (φως), του οποίου η συχνότητα είναι ίση με την ιδιοσυχνότητα της ταλάντωσης του. Οι φυσικοί έχουν αποδείξει ότι η ένταση της εν λόγω εκπομπής είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη αυτής της συχνότητας.

Έχοντας κατά νου τα όσα ήδη εκθέσαμε μπορούμε τώρα να κατανοήσουμε γιατί τα μόρια του ατμοσφαιρικού αέρα όταν φωτίζονται από τον Ήλιο εκπέμπουν φως. Η εκπομπή αυτή είναι εντονότερη στην συχνότητα του κυανού (σχεδόν διπλάσια εκείνης του ερυθρού) απ’ ότι στο ερυθρό, η ένταση δε του εκπεμπόμενου φωτός είναι πολλαπλάσια της ιδιοσυχνότητας των ταλαντούμενων μορίων του αέρα. Αυτός είναι ο λόγος που ο ουρανός φαίνεται γαλάζιος. Η κβαντική φυσική δίδει την απάντηση και σ’ αυτό το απλό ερώτημα.

           (Πηγή εικόνας:www.physics.ox.ac.uk )

Σημείωση.

Η απορρόφηση και εκπομπή φωτονίου από το άτομο είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα των αέναων μετασχηματισμών της ύλης, των μεταπτώσεων της μιας μορφής της σε άλλη, την εμφάνιση νέας μορφής ύλης ή την επανεμφάνιση της προηγούμενης σ’ ένα αδιάκοπο «Τα πάντα ρει».

Πηγή: Victor Weisskopf. Η Κβαντική Επανάσταση. Εκδ. Κάτοπτρο, Αθήνα 1994.