Čo je svetlo? Táto otázka zaujímala ľudstvo vo všetkých dobách, ale až v 20. storočí nášho letopočtu sa podarilo veľa objasniť o podstate tohto javu. Tento článok sa zameria na korpuskulárnu teóriu svetla, jej výhody a nevýhody.
Od starovekých filozofov po Christiana Huygensa a Isaaca Newtona
Niektoré dôkazy, ktoré prežili až do našich čias, hovoria, že ľudia sa začali zaujímať o povahu svetla v starovekom Egypte a starovekom Grécku. Spočiatku sa verilo, že predmety vyžarujú obrazy seba samých. Tie druhé, ktoré sa dostanú do ľudského oka, vytvárajú dojem viditeľnosti predmetov.
Počas formovania filozofického myslenia v Grécku sa objavila nová teória Aristotela, ktorý veril, že každý človek vyžaruje z očí nejaké lúče, vďaka ktorým môže predmety „cítiť“.
Stredovek do uvažovanej problematiky nepriniesol žiadnu jasnosť, nové výdobytky prišli až s renesanciou a revolúciou vo vede. Najmä v druhej polovici 17. storočia sa objavili dve úplne opačné teórie, ktoré sa snažili ovysvetliť javy spojené so svetlom. Hovoríme o vlnovej teórii Christiana Huygensa a korpuskulárnej teórii Isaaca Newtona.
Napriek niektorým úspechom vlnovej teórie mala stále niekoľko dôležitých nedostatkov:
- veril, že svetlo sa šíri v éteri, čo nikto nikdy neobjavil;
- priečny charakter vĺn znamenal, že éter musel byť pevným médiom.
Vzhľadom na tieto nedostatky a tiež vzhľadom na vtedajšiu obrovskú autoritu Newtona bola teória častíc-teliesok v kruhu vedcov jednomyseľne prijatá.
Podstata korpuskulárnej teórie svetla
Newtonova myšlienka je čo najjednoduchšia: ak sú všetky telesá a procesy okolo nás opísané zákonmi klasickej mechaniky, na ktorej sa podieľajú telesá s konečnou hmotnosťou, potom svetlo sú aj malé častice alebo častice. Pohybujú sa v priestore určitou rýchlosťou, ak narazia na prekážku, odrazia sa od nej. Ten napríklad vysvetľuje existenciu tieňa na predmete. Tieto predstavy o svetle pretrvali až do začiatku 19. storočia, teda asi 150 rokov.
Je zaujímavé poznamenať, že Lomonosov použil v polovici 18. storočia newtonovskú korpuskulárnu teóriu na vysvetlenie správania plynov, ktoré je opísané v jeho diele „Elements of Mathematical Chemistry“. Lomonosov považoval plyn za zložený z častíc častíc.
Čo vysvetlila Newtonova teória?
Načrtnuté predstavy o vyrobenom svetleobrovský krok k pochopeniu jeho podstaty. Newtonova teória krviniek dokázala vysvetliť nasledujúce javy:
- Priamočiare šírenie svetla v homogénnom prostredí. V skutočnosti, ak na pohybujúce sa teleso svetla nepôsobia žiadne vonkajšie sily, potom jeho stav úspešne popisuje prvý Newtonov zákon klasickej mechaniky.
- Fenomén odrazu. Pri náraze na rozhranie medzi dvoma médiami zažije teliesko absolútne elastickú zrážku, v dôsledku čoho sa zachová jeho modul hybnosti a samotné sa odrazí pod uhlom, ktorý sa rovná uhlu dopadu.
- Fenomén lomu. Newton veril, že pri prenikaní do hustejšieho média z menej hustého média (napríklad zo vzduchu do vody) sa teliesko zrýchľuje v dôsledku priťahovania molekúl hustého média. Toto zrýchlenie vedie k zmene jeho trajektórie bližšie k normálu, to znamená, že je pozorovaný refrakčný efekt.
- Existencia kvetov. Tvorca teórie veril, že každá pozorovaná farba zodpovedá jej vlastnej „farebnej“telieske.
Problémy uvedenej teórie a návrat k Huygensovej myšlienke
Začali sa objavovať, keď boli objavené nové efekty súvisiace so svetlom. Hlavnými sú difrakcia (odchýlka od priamočiareho šírenia svetla pri prechode lúča štrbinou) a interferencia (fenomén Newtonových prstencov). S objavom týchto vlastností svetla si fyzici v 19. storočí začali pripomínať Huygensovu prácu.
V tom istom 19. storočí Faraday a Lenz skúmali vlastnosti striedavých elektrických (magnetických) polí aMaxwell vykonal zodpovedajúce výpočty. Výsledkom bolo dokázané, že svetlo je elektromagnetické priečne vlnenie, ktoré na svoju existenciu nepotrebuje éter, pretože polia, ktoré ho tvoria, sa navzájom generujú v procese šírenia.
Nové objavy súvisiace so svetlom a nápad Maxa Plancka
Zdalo by sa, že Newtonova korpuskulárna teória je už úplne pochovaná, no na začiatku 20. storočia sa objavujú nové výsledky: ukazuje sa, že svetlo dokáže „vytiahnuť“elektróny z hmoty a vyvíjať tlak na telesá, keď padá na nich. Tieto javy, ku ktorým sa pridalo nepochopiteľné spektrum čierneho telesa, sa vlnová teória ukázala ako bezmocná na vysvetlenie.
Riešenie našiel Max Planck. Navrhol, že svetlo interaguje s atómami hmoty vo forme malých častí, ktoré nazval fotóny. Energiu fotónu možno určiť podľa vzorca:
E=hv.
Kde v - fotónová frekvencia, h - Planckova konštanta. Max Planck vďaka tejto myšlienke svetla položil základy pre rozvoj kvantovej mechaniky.
Pomocou Planckovej myšlienky vysvetľuje Albert Einstein fenomén fotoelektrického javu v roku 1905, Niels Bohr v roku 1912 zdôvodňuje atómové emisné a absorpčné spektrá a Compton v roku 1922 objavuje efekt, ktorý teraz nesie jeho meno. Okrem toho teória relativity vyvinutá Einsteinom vysvetlila úlohu gravitácie pri odchýlke od lineárneho šírenia lúča svetla.
Práca týchto vedcov zo začiatku 20. storočia teda oživila Newtonove myšlienky osvetlo v 17. storočí.
Teória svetla s korpuskulárnymi vlnami
Čo je svetlo? Je to častica alebo vlna? Svetlo pri svojom šírení, či už v prostredí alebo v priestore bez vzduchu, vykazuje vlastnosti vlny. Keď vezmeme do úvahy jeho interakcie s hmotou, správa sa ako hmotná častica. Preto sa v súčasnosti v súvislosti so svetlom zvykne hovoriť o dualizme jeho vlastností, ktoré sú opísané v rámci teórie korpuskulárnych vĺn.
Častica svetla – fotón nemá v pokoji náboj ani hmotnosť. Jeho hlavnou charakteristikou je energia (alebo frekvencia, čo je to isté, ak venujete pozornosť vyššie uvedenému výrazu). Fotón je kvantovo mechanický objekt, ako každá elementárna častica (elektrón, protón, neutrón), preto má hybnosť, akoby to bola častica, ale nedá sa lokalizovať (určiť presné súradnice), ako keby to bola vlna.
