Kaj je svetloba? To vprašanje je zanimalo človeštvo v vseh obdobjih, a šele v 20. stoletju naše dobe je bilo mogoče veliko razjasniti o naravi tega pojava. Ta članek se bo osredotočil na korpuskularno teorijo svetlobe, njene prednosti in slabosti.
Od starodavnih filozofov do Christiana Huygensa in Isaaca Newtona
Nekateri dokazi, ki so preživeli do našega časa, pravijo, da so se ljudje začeli zanimati za naravo svetlobe v starem Egiptu in stari Grčiji. Sprva so verjeli, da predmeti oddajajo podobe samih sebe. Slednji, ko pridejo v človeško oko, ustvarijo vtis vidnosti predmetov.
Potem se je med nastajanjem filozofske misli v Grčiji pojavila nova Aristotelova teorija, ki je verjel, da vsak človek oddaja nekaj žarkov iz oči, zahvaljujoč katerih lahko "čuti" predmete.
Srednji vek v obravnavano problematiko ni prinesel nobene jasnosti, novi dosežki so prišli šele z renesanso in revolucijo v znanosti. Zlasti v drugi polovici 17. stoletja sta se pojavili dve popolnoma nasprotni teoriji, ki sta si prizadevali zarazložiti pojave, povezane s svetlobo. Govorimo o valovni teoriji Christiana Huygensa in korpuskularni teoriji Isaaca Newtona.
Kljub nekaterim uspehom valovne teorije je imela še vedno številne pomembne pomanjkljivosti:
- verjeval, da se svetloba širi v etru, ki je nihče ni nikoli odkril;
- prečna narava valov je pomenila, da je moral biti eter trden medij.
Upoštevajoč te pomanjkljivosti in tudi glede na takratno veliko Newtonovo avtoriteto, je bila teorija delcev-teles soglasno sprejeta v krogu znanstvenikov.
Bistvo korpuskularne teorije svetlobe
Newtonova ideja je čim bolj preprosta: če so vsa telesa in procese okoli nas opisani z zakoni klasične mehanike, v kateri sodelujejo telesa končne mase, potem so svetloba tudi majhni delci ali korpuskuli. V prostoru se premikajo z določeno hitrostjo, če naletijo na oviro, se od nje odbijejo. Slednje na primer pojasnjuje obstoj sence na predmetu. Te ideje o svetlobi so trajale vse do začetka 19. stoletja, torej približno 150 let.
Zanimivo je, da je Lomonosov sredi 18. stoletja uporabil newtonsko korpuskularno teorijo za razlago obnašanja plinov, ki je opisano v njegovem delu "Elementi matematične kemije". Lomonosov je menil, da je plin sestavljen iz telesnih delcev.
Kaj je pojasnila Newtonova teorija?
Orisane ideje o izdelavi svetlobevelik korak pri razumevanju njegove narave. Newtonova teorija telesc je lahko razložila naslednje pojave:
- Premočrtno širjenje svetlobe v homogenem mediju. Dejansko, če na premikajočo se svetlobno telo ne deluje nobena zunanja sila, potem je njeno stanje uspešno opisano s prvim Newtonovim zakonom klasične mehanike.
- Fenomen refleksije. Pri udarcu v vmesnik med dvema medijema doživi korpuskul popolnoma elastičen trk, zaradi česar se njegov modul zagona ohrani, sam pa se odbije pod kotom, enakim vpadnemu kotu.
- Fenomen loma. Newton je verjel, da se celica, ki prodre v gostejši medij iz manj gostega (na primer iz zraka v vodo), pospeši zaradi privlačnosti molekul gostega medija. Ta pospešek vodi do spremembe njegove poti bližje normalni, to pomeni, da opazimo lomni učinek.
- Obstoj rož. Ustvarjalec teorije je verjel, da vsaka opazovana barva ustreza svojemu "barvnemu" korpuskulu.
Problemi navedene teorije in vrnitev k Huygensovi ideji
Začeli so se pojavljati, ko so bili odkriti novi učinki, povezani s svetlobo. Glavni sta difrakcija (odklon od premočrtnega širjenja svetlobe pri prehodu žarka skozi režo) in interferenca (fenomen Newtonovih obročev). Z odkritjem teh lastnosti svetlobe so se fiziki v 19. stoletju začeli spominjati Huygensovega dela.
V istem 19. stoletju sta Faraday in Lenz raziskovala lastnosti izmeničnih električnih (magnetnih) polj inMaxwell je izvedel ustrezne izračune. Posledično je bilo dokazano, da je svetloba elektromagnetno prečno valovanje, ki za svoj obstoj ne potrebuje etra, saj se polja, ki jo tvorijo, med širjenjem ustvarjajo.
Nova odkritja, povezana s svetlobo in idejo Maxa Plancka
Zdi se, da je Newtonova korpuskularna teorija že popolnoma pokopana, a na začetku 20. stoletja se pojavijo novi rezultati: izkaže se, da lahko svetloba "izvleče" elektrone iz snovi in pritiska na telesa, ko pade nanje. Te pojave, ki jim je bil dodan nerazumljiv spekter črnega telesa, se je valovna teorija izkazala za nemočno razložiti.
Rešitev je našel Max Planck. Predlagal je, da svetloba komunicira z atomi snovi v obliki majhnih delov, ki jih je imenoval fotoni. Energijo fotona lahko določimo s formulo:
E=hv.
Kjer je v - frekvenca fotona, h - Planckova konstanta. Max Planck je zahvaljujoč tej ideji svetlobe postavil temelje za razvoj kvantne mehanike.
Z uporabo Planckove ideje Albert Einstein leta 1905 razloži pojav fotoelektričnega učinka, Niels Bohr - leta 1912 poda utemeljitev za atomske emisijske in absorpcijske spektre, Compton - leta 1922 odkrije učinek, ki zdaj nosi njegovo ime. Poleg tega je teorija relativnosti, ki jo je razvil Einstein, pojasnila vlogo gravitacije pri odstopanju od linearnega širjenja svetlobnega snopa.
Tako je delo teh znanstvenikov z začetka 20. stoletja oživilo Newtonove ideje oluč v 17. stoletju.
korpuskularno-valovna teorija svetlobe
Kaj je svetloba? Je to delec ali val? Med svojim širjenjem, bodisi v mediju ali v brezzračnem prostoru, ima svetloba lastnosti valovanja. Ko upoštevamo njegove interakcije s snovjo, se obnaša kot materialni delec. Zato je trenutno v zvezi s svetlobo običajno govoriti o dualizmu njenih lastnosti, ki so opisane v okviru teorije korpuskularnega valovanja.
Delec svetlobe - foton v mirovanju nima niti naboja niti mase. Njegova glavna značilnost je energija (ali frekvenca, kar je isto, če ste pozorni na zgornji izraz). Foton je kvantno mehanski objekt, tako kot vsak elementarni delec (elektron, proton, nevtron), zato ima zagon, kot da bi bil delec, vendar ga ni mogoče lokalizirati (določiti natančne koordinate), kot da bi bil val.
