Mi a fény? Ez a kérdés minden korban érdekelte az emberiséget, de csak korunk 20. századában lehetett sokat tisztázni ennek a jelenségnek a természetéről. Ez a cikk a fény korpuszkuláris elméletére, annak előnyeire és hátrányaira összpontosít.
Az ókori filozófusoktól Christian Huygensig és Isaac Newtonig
Egyes korunkig fennmaradt bizonyítékok szerint az emberek az ókori Egyiptomban és az ókori Görögországban kezdtek érdeklődni a fény természete iránt. Eleinte azt hitték, hogy a tárgyak képeket bocsátanak ki magukról. Ez utóbbiak az emberi szembe kerülve a tárgyak láthatóságának benyomását keltik.
Azután a görögországi filozófiai gondolkodás kialakulása során Arisztotelész új elmélete jelent meg, aki úgy gondolta, hogy minden ember a szeméből bocsát ki bizonyos sugarakat, amelyeknek köszönhetően képes "érezni" a tárgyakat.
A középkor nem hozott egyértelműséget a vizsgált kérdésben, új eredmények csak a reneszánsz és a tudomány forradalmával jöttek. Különösen a 17. század második felében jelent meg két teljesen ellentétes elmélet, amelyek arra törekedtek, hogymagyarázza a fénnyel kapcsolatos jelenségeket. Christian Huygens hullámelméletéről és Isaac Newton korpuszkuláris elméletéről beszélünk.
A hullámelmélet néhány sikere ellenére még mindig volt néhány fontos hiányossága:
- hitte, hogy a fény az éterben terjed, amit soha senki nem fedezett fel;
- a hullámok keresztirányú természete azt jelentette, hogy az éternek szilárd közegnek kell lennie.
Ezeket a hiányosságokat figyelembe véve, és tekintettel Newton akkori hatalmas tekintélyére is, a részecskék-testek elméletét egyhangúlag elfogadták a tudósok körében.
A fény korpuszkuláris elméletének lényege
Newton ötlete a lehető legegyszerűbb: ha a körülöttünk lévő összes testet és folyamatot a klasszikus mechanika törvényei írják le, amelyekben véges tömegű testek vesznek részt, akkor a fény is kis részecskék vagy testek. Egy bizonyos sebességgel mozognak a térben, ha akadályba ütköznek, visszaverődnek róla. Ez utóbbi például megmagyarázza az árnyék létezését egy tárgyon. Ezek a fényről alkotott elképzelések a 19. század elejéig, azaz körülbelül 150 évig tartottak.
Érdekes megjegyezni, hogy Lomonoszov a 18. század közepén a newtoni korpuszkuláris elméletet használta a gázok viselkedésének magyarázatára, amelyet az "Elements of Mathematical Chemistry" című munkájában ír le. Lomonoszov úgy vélte, hogy a gáz testrészecskékből áll.
Mit magyarázott a newtoni elmélet?
A vázolt ötletek a fényről készültekhatalmas lépés a természetének megértésében. Newton testtestelmélete a következő jelenségeket tudta megmagyarázni:
- A fény egyenes vonalú terjedése homogén közegben. Valójában, ha nem hatnak külső erők egy mozgó fénytestre, akkor annak állapotát sikeresen leírja a klasszikus mechanika első newtoni törvénye.
- A reflexió jelensége. A két közeg határfelületére ütközve a korpuszkula abszolút rugalmas ütközést tapasztal, aminek következtében a lendületi modulusa megmarad, maga pedig a beesési szöggel megegyező szögben verődik vissza.
- A fénytörés jelensége. Newton úgy vélte, hogy a kevésbé sűrű közegből sűrűbb közegbe (például levegőből vízbe) behatolva a test felgyorsul a sűrű közeg molekuláinak vonzása miatt. Ez a gyorsulás a normálhoz közelebbi változáshoz vezet a pályájában, azaz fénytörési hatás figyelhető meg.
- A virágok létezése. Az elmélet megalkotója úgy gondolta, hogy minden megfigyelt szín megfelel a saját "szín" testének.
A kifejtett elmélet problémái és visszatérés Huygens ötletéhez
Akkor kezdtek megjelenni, amikor új, fénnyel kapcsolatos hatásokat fedeztek fel. A főbbek a diffrakció (a fény egyenes vonalú terjedésétől való eltérés, amikor a sugár áthalad egy résen) és az interferencia (a Newton-gyűrűk jelensége). A fény ezen tulajdonságainak felfedezésével a fizikusok a 19. században elkezdték felidézni Huygens munkásságát.
Ugyanabban a 19. században Faraday és Lenz a váltakozó elektromos (mágneses) terek tulajdonságait vizsgálta, ill. Maxwell elvégezte a megfelelő számításokat. Ennek eredményeként bebizonyosodott, hogy a fény egy elektromágneses transzverzális hullám, amelynek létezéséhez nincs szükség éterre, mivel az azt alkotó mezők egymást generálják a terjedés során.
Új felfedezések a fénnyel és Max Planck ötletével kapcsolatban
Úgy tűnik, hogy Newton korpuszkuláris elméletét már teljesen elásták, de a 20. század elején új eredmények születnek: kiderül, hogy a fény képes "kihúzni" az elektronokat az anyagból, és nyomást gyakorolni a testekre, amikor rájuk esik. Ezeket a jelenségeket, amelyekhez egy fekete test felfoghatatlan spektrumát adták, a hullámelmélet képtelen megmagyarázni.
A megoldást Max Planck találta meg. Azt javasolta, hogy a fény kis részek formájában lép kölcsönhatásba az anyag atomjaival, amelyeket fotonoknak nevezett. A foton energiája a következő képlettel határozható meg:
E=hv.
Ahol v - fotonfrekvencia, h - Planck-állandó. Max Planck ennek a fény ötletnek köszönhetően lefektette az alapot a kvantummechanika fejlődéséhez.
Albert Einstein 1905-ben magyarázza el a fotoelektromos hatás jelenségét Planck ötletével, Niels Bohr 1912-ben az atomemissziós és abszorpciós spektrumokat magyarázza, Compton pedig 1922-ben fedezi fel a most az ő nevét viselő hatást. Ezenkívül az Einstein által kidolgozott relativitáselmélet megmagyarázta a gravitáció szerepét a fénysugár lineáris terjedésétől való eltérésben.
Így a 20. század eleji tudósok munkája újjáélesztette Newton elképzeléseitfény a 17. században.
A fény korpuszkuláris hullámelmélete
Mi a fény? Részecske vagy hullám? A fény terjedése során, akár közegben, akár levegőtlen térben, a hullám tulajdonságait mutatja. Ha figyelembe vesszük az anyaggal való kölcsönhatásait, akkor úgy viselkedik, mint egy anyagi részecske. Ezért manapság a fény kapcsán szokás annak tulajdonságainak dualizmusáról beszélni, amelyeket a korpuszkuláris-hullám elmélet keretein belül írunk le.
Egy fényrészecske – nyugalmi állapotban a fotonnak nincs sem töltése, sem tömege. Fő jellemzője az energia (vagy frekvencia, ami ugyanaz, ha a fenti kifejezésre figyelünk). A foton kvantummechanikai objektum, mint minden elemi részecske (elektron, proton, neutron), ezért olyan impulzusa van, mintha részecske lenne, de nem lokalizálható (pontos koordináták meghatározása), mintha egy részecske lenne. hullám.
