Što je svjetlost? Ovo pitanje zanimalo je čovječanstvo u svim dobima, ali tek u 20. stoljeću naše ere bilo je moguće mnogo razjasniti o prirodi ovog fenomena. Ovaj će se članak usredotočiti na korpuskularnu teoriju svjetlosti, njezine prednosti i nedostatke.
Od antičkih filozofa do Christiana Huygensa i Isaaca Newtona
Neki dokazi koji su preživjeli do našeg vremena govore da su se ljudi počeli zanimati za prirodu svjetlosti u starom Egiptu i staroj Grčkoj. Isprva se vjerovalo da objekti emitiraju slike o sebi. Potonji, ulazeći u ljudsko oko, stvaraju dojam vidljivosti objekata.
Tada se, tijekom formiranja filozofske misli u Grčkoj, pojavila nova Aristotelova teorija, koji je vjerovao da svaka osoba emitira neke zrake iz očiju, zahvaljujući kojima može "osjetiti" predmete.
Srednji vijek nije donio nikakvu jasnoću razmatranom pitanju, nova dostignuća došla su tek s renesansom i revolucijom u znanosti. Konkretno, u drugoj polovici 17. stoljeća pojavile su se dvije potpuno suprotne teorije koje su nastojaleobjasniti pojave povezane sa svjetlom. Govorimo o valnoj teoriji Christiana Huygensa i korpuskularnoj teoriji Isaaca Newtona.
Unatoč nekim uspjesima teorije valova, ona je i dalje imala niz važnih nedostataka:
- vjerovao da se svjetlost širi u eteru, što nitko nikada nije otkrio;
- poprečna priroda valova značila je da eter mora biti čvrst medij.
Uzimajući u obzir ove nedostatke, a također i s obzirom na ogroman autoritet Newtona u to vrijeme, teorija čestica-korpuskula prihvaćena je jednoglasno u krugu znanstvenika.
Suština korpuskularne teorije svjetlosti
Newtonova ideja je što jednostavnija: ako su sva tijela i procesi oko nas opisani zakonima klasične mehanike, u kojoj sudjeluju tijela konačne mase, tada su i svjetlost male čestice ili korpuskule. Kreću se u prostoru određenom brzinom, ako naiđu na prepreku, reflektiraju se od nje. Potonje, na primjer, objašnjava postojanje sjene na objektu. Te ideje o svjetlu trajale su do početka 19. stoljeća, odnosno oko 150 godina.
Zanimljivo je primijetiti da je Lomonosov sredinom 18. stoljeća koristio Newtonovu korpuskularnu teoriju da objasni ponašanje plinova, što je opisano u njegovom djelu "Elementi matematičke kemije". Lomonosov je smatrao da se plin sastoji od čestica čestica.
Što je Newtonova teorija objasnila?
Ocrtane ideje o izradi svjetlaveliki korak u razumijevanju njegove prirode. Newtonova teorija korpuskula mogla je objasniti sljedeće fenomene:
- Pravolinijsko širenje svjetlosti u homogenom mediju. Doista, ako na pokretno svjetlosno tijelo ne djeluju vanjske sile, tada je njegovo stanje uspješno opisano prvim Newtonovim zakonom klasične mehanike.
- Fenomen refleksije. Udarajući u sučelje između dva medija, korpuskula doživljava apsolutno elastičan sudar, zbog čega je sačuvan njegov modul momenta, a sam se reflektira pod kutom jednakim kutu upada.
- Fenomen refrakcije. Newton je vjerovao da prodiranjem u gušći medij iz manje gustog (na primjer, iz zraka u vodu), tjelešce ubrzava zbog privlačenja molekula gustog medija. Ovo ubrzanje dovodi do promjene njegove putanje bliže normalnoj, odnosno opaža se efekt refrakcije.
- Postojanje cvijeća. Tvorac teorije vjerovao je da svaka promatrana boja odgovara vlastitom korpuskulu "boje".
Problemi navedene teorije i povratak Huygensovoj ideji
Počeli su se pojavljivati kada su otkriveni novi efekti povezani sa svjetlom. Glavne su difrakcija (odstupanje od pravocrtnog širenja svjetlosti kada snop prolazi kroz prorez) i interferencija (fenomen Newtonovih prstenova). S otkrićem ovih svojstava svjetlosti, fizičari su u 19. stoljeću počeli podsjećati na Huygensov rad.
U istom 19. stoljeću, Faraday i Lenz su istraživali svojstva izmjeničnih električnih (magnetskih) polja, iMaxwell je izvršio odgovarajuće izračune. Kao rezultat toga, dokazano je da je svjetlost elektromagnetski poprečni val, koji ne zahtijeva eter za svoje postojanje, budući da polja koja ga formiraju generiraju jedno drugo u procesu širenja.
Nova otkrića vezana uz svjetlo i ideju Maxa Plancka
Čini se da je Newtonova korpuskularna teorija već potpuno zatrpana, ali početkom 20. stoljeća pojavljuju se novi rezultati: ispada da svjetlost može "izvlačiti" elektrone iz materije i vršiti pritisak na tijela kada je pada na njih. Te fenomene, kojima je dodan neshvatljiv spektar crnog tijela, teorija vala se pokazala nemoćnom za objasniti.
Rješenje je pronašao Max Planck. Sugerirao je da svjetlost stupa u interakciju s atomima materije u obliku malih dijelova, koje je nazvao fotonima. Energija fotona može se odrediti formulom:
E=hv.
Gdje je v - frekvencija fotona, h - Planckova konstanta. Max Planck je, zahvaljujući ovoj ideji svjetla, postavio temelje za razvoj kvantne mehanike.
Koristeći Planckovu ideju, Albert Einstein objašnjava fenomen fotoelektričnog efekta 1905., Niels Bohr - 1912. daje obrazloženje za atomsku emisiju i apsorpcione spektre, a Compton - 1922. otkriva učinak koji sada nosi njegovo ime. Osim toga, teorija relativnosti koju je razvio Einstein objasnila je ulogu gravitacije u odstupanju od linearnog širenja snopa svjetlosti.
Tako je rad ovih znanstvenika s početka 20. stoljeća oživio Newtonove ideje osvjetlo u 17. stoljeću.
Korpuskularno-valna teorija svjetlosti
Što je svjetlost? Je li to čestica ili val? Tijekom svog širenja, bilo u mediju ili u prostoru bez zraka, svjetlost pokazuje svojstva vala. Kada se uzme u obzir njegova interakcija s materijom, ponaša se kao materijalna čestica. Stoga je danas, s obzirom na svjetlost, uobičajeno govoriti o dualizmu njezinih svojstava, koja su opisana u okviru teorije korpuskularnih valova.
Čestica svjetlosti - foton nema ni naboj ni masu u mirovanju. Njegova glavna karakteristika je energija (ili frekvencija, što je isto, ako obratite pozornost na gornji izraz). Foton je kvantno mehanički objekt, kao i svaka elementarna čestica (elektron, proton, neutron), stoga ima zamah, kao da je čestica, ali se ne može lokalizirati (odrediti točne koordinate), kao da je val.
