Co to jest światło? To pytanie interesowało ludzkość we wszystkich epokach, ale dopiero w XX wieku naszej ery udało się wiele wyjaśnić na temat natury tego zjawiska. W tym artykule skupimy się na korpuskularnej teorii światła, jej zaletach i wadach.
Od starożytnych filozofów do Christiana Huygensa i Izaaka Newtona
Niektóre dowody, które przetrwały do naszych czasów, mówią, że ludzie zaczęli interesować się naturą światła w starożytnym Egipcie i starożytnej Grecji. Początkowo uważano, że przedmioty emitują obrazy samych siebie. Te ostatnie, dostając się do ludzkiego oka, stwarzają wrażenie widoczności obiektów.
Wtedy, podczas formowania się myśli filozoficznej w Grecji, pojawiła się nowa teoria Arystotelesa, który wierzył, że każda osoba emituje z oczu pewne promienie, dzięki którym może "czuć" przedmioty.
Średniowiecze nie przyniosło żadnej jasności rozważanej kwestii, nowe osiągnięcia przyszły dopiero wraz z Renesansem i rewolucją w nauce. W szczególności w drugiej połowie XVII wieku pojawiły się dwie całkowicie przeciwstawne teorie, które dążyły do tego, aby:wyjaśnić zjawiska związane ze światłem. Mówimy o teorii falowej Christiana Huygensa i teorii korpuskularnej Izaaka Newtona.
Pomimo pewnych sukcesów teorii falowej, nadal miała ona kilka ważnych niedociągnięć:
- wierzył, że światło rozchodzi się w eterze, czego nikt nie odkrył;
- poprzeczny charakter fal oznaczał, że eter musiał być stałym ośrodkiem.
Biorąc pod uwagę te niedociągnięcia, a także biorąc pod uwagę ogromny autorytet Newtona w tamtym czasie, teoria cząstek-cząsteczek została jednogłośnie przyjęta w kręgu naukowców.
Istota korpuskularnej teorii światła
Pomysł Newtona jest tak prosty, jak to tylko możliwe: jeśli wszystkie otaczające nas ciała i procesy są opisane prawami mechaniki klasycznej, w których uczestniczą ciała o skończonej masie, to światło również jest małymi cząstkami lub korpuskułami. Poruszają się w przestrzeni z określoną prędkością, jeśli napotkają przeszkodę, zostają od niej odbite. Ten ostatni na przykład wyjaśnia istnienie cienia na przedmiocie. Te wyobrażenia o świetle trwały do początku XIX wieku, czyli około 150 lat.
Ciekawe, że Łomonosow użył teorii korpuskularnej Newtona w połowie XVIII wieku do wyjaśnienia zachowania gazów, co zostało opisane w jego pracy "Elementy chemii matematycznej". Łomonosow uważał, że gaz składa się z cząstek korpuskuł.
Co wyjaśniła teoria Newtona?
Zarysowane pomysły dotyczące światła wykonanegoogromny krok w zrozumieniu jego natury. Teoria ciałek Newtona była w stanie wyjaśnić następujące zjawiska:
- Prostoliniowa propagacja światła w jednorodnym ośrodku. Rzeczywiście, jeśli żadne siły zewnętrzne nie działają na poruszającą się cząsteczkę światła, to jej stan jest z powodzeniem opisywany przez pierwsze Newtonowskie prawo mechaniki klasycznej.
- Zjawisko odbicia. Uderzając w powierzchnię styku dwóch mediów, korpuskuła doznaje absolutnie sprężystej kolizji, w wyniku której zachowany jest jej moduł pędu, a sama odbija się pod kątem równym kątowi padania.
- Zjawisko załamania. Newton uważał, że wnikając do gęstszego ośrodka z mniej gęstego (na przykład z powietrza do wody), korpuskuła przyspiesza z powodu przyciągania cząsteczek gęstego ośrodka. Przyspieszenie to prowadzi do zmiany jego trajektorii bliższej normalnej, to znaczy obserwuje się efekt załamania.
- Istnienie kwiatów. Twórca teorii uważał, że każdy obserwowany kolor odpowiada jego własnej „korpuskule” koloru.
Problemy podanej teorii i powrót do pomysłu Huygens
Zaczęły się pojawiać, gdy odkryto nowe efekty związane ze światłem. Główne z nich to dyfrakcja (odchylenie od prostoliniowego rozchodzenia się światła podczas przechodzenia wiązki przez szczelinę) oraz interferencja (zjawisko pierścieni Newtona). Wraz z odkryciem tych właściwości światła fizycy w XIX wieku zaczęli przypominać pracę Huygensa.
W tym samym XIX wieku Faraday i Lenz zbadali właściwości przemiennych pól elektrycznych (magnetycznych) iMaxwell przeprowadził odpowiednie obliczenia. W efekcie udowodniono, że światło jest elektromagnetyczną falą poprzeczną, która do swojego istnienia nie wymaga eteru, ponieważ tworzące je pola generują się wzajemnie w procesie propagacji.
Nowe odkrycia związane ze światłem i pomysłem Maxa Plancka
Wydawałoby się, że teoria korpuskularna Newtona została już całkowicie pogrzebana, ale na początku XX wieku pojawiają się nowe wyniki: okazuje się, że światło może „wyciągnąć” elektrony z materii i wywierać nacisk na ciała, gdy spada na nich. Te zjawiska, do których dodano niezrozumiałe widmo ciała doskonale czarnego, teoria fal okazała się bezsilna do wyjaśnienia.
Rozwiązanie znalazł Max Planck. Zasugerował, że światło oddziałuje z atomami materii w postaci małych porcji, które nazwał fotonami. Energię fotonu można określić wzorem:
E=hv.
Gdzie v - częstotliwość fotonów, h - stała Plancka. Max Planck dzięki tej idei światła położył podwaliny pod rozwój mechaniki kwantowej.
Używając pomysłu Plancka, Albert Einstein wyjaśnia zjawisko efektu fotoelektrycznego w 1905 r., Niels Bohr – w 1912 r. podaje uzasadnienie dla atomowych widm emisyjnych i absorpcyjnych, a Compton – w 1922 r. odkrywa efekt, który teraz nosi jego imię. Ponadto teoria względności opracowana przez Einsteina wyjaśniła rolę grawitacji w odchyleniu od liniowej propagacji wiązki światła.
Tak więc praca tych naukowców z początku XX wieku ożywiła idee Newtona na tematświatło w XVII wieku.
Korpuskularna falowa teoria światła
Co to jest światło? Czy to cząstka czy fala? Podczas propagacji, czy to w ośrodku, czy w przestrzeni pozbawionej powietrza, światło wykazuje właściwości fali. Kiedy weźmiemy pod uwagę jego interakcje z materią, zachowuje się jak cząstka materialna. Dlatego obecnie w odniesieniu do światła zwyczajowo mówi się o dualizmie jego właściwości, które są opisane w ramach teorii fal korpuskularnych.
Cząstka światła - foton w spoczynku nie ma ani ładunku, ani masy. Jego główną cechą jest energia (lub częstotliwość, co jest tym samym, jeśli zwrócisz uwagę na powyższe wyrażenie). Foton jest obiektem mechaniki kwantowej, jak każda cząstka elementarna (elektron, proton, neutron), dlatego ma pęd, jakby była cząstką, ale nie można go zlokalizować (określić dokładne współrzędne), tak jakby był fala.
