Τι είναι το φως; Αυτό το ερώτημα έχει ενδιαφέρει την ανθρωπότητα σε όλες τις εποχές, αλλά μόνο στον 20ο αιώνα της εποχής μας ήταν δυνατό να διευκρινιστούν πολλά σχετικά με τη φύση αυτού του φαινομένου. Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στη σωματική θεωρία του φωτός, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του.
Από τους αρχαίους φιλοσόφους στον Christian Huygens και τον Isaac Newton
Μερικά στοιχεία που έχουν επιβιώσει μέχρι την εποχή μας λένε ότι οι άνθρωποι άρχισαν να ενδιαφέρονται για τη φύση του φωτός στην αρχαία Αίγυπτο και την αρχαία Ελλάδα. Αρχικά πίστευαν ότι τα αντικείμενα εκπέμπουν εικόνες του εαυτού τους. Τα τελευταία, μπαίνοντας στο ανθρώπινο μάτι, δημιουργούν την εντύπωση της ορατότητας των αντικειμένων.
Τότε, κατά τη διαμόρφωση της φιλοσοφικής σκέψης στην Ελλάδα, εμφανίστηκε μια νέα θεωρία του Αριστοτέλη, ο οποίος πίστευε ότι ο κάθε άνθρωπος εκπέμπει κάποιες ακτίνες από τα μάτια, χάρη στις οποίες μπορεί να «αισθανθεί» αντικείμενα.
Ο Μεσαίωνας δεν έφερε καμία σαφήνεια στο υπό εξέταση ζήτημα, νέα επιτεύγματα ήρθαν μόνο με την Αναγέννηση και την επανάσταση στην επιστήμη. Συγκεκριμένα, στο δεύτερο μισό του 17ου αιώνα, εμφανίστηκαν δύο εντελώς αντίθετες θεωρίες, οι οποίες επιδίωκαν νανα εξηγήσει τα φαινόμενα που σχετίζονται με το φως. Μιλάμε για την κυματική θεωρία του Christian Huygens και τη σωματική θεωρία του Isaac Newton.
Παρά ορισμένες επιτυχίες της κυματικής θεωρίας, είχε ακόμα ορισμένες σημαντικές ελλείψεις:
- πίστευε ότι το φως διαδόθηκε στον αιθέρα, το οποίο δεν ανακαλύφθηκε ποτέ από κανέναν;
- η εγκάρσια φύση των κυμάτων σήμαινε ότι ο αιθέρας έπρεπε να είναι ένα στερεό μέσο.
Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις ελλείψεις, αλλά και δεδομένης της τεράστιας εξουσίας του Νεύτωνα εκείνη την εποχή, η θεωρία των σωματιδίων-σωματιδίων έγινε αποδεκτή ομόφωνα στον κύκλο των επιστημόνων.
Η ουσία της σωματιδιακής θεωρίας του φωτός
Η ιδέα του Νεύτωνα είναι όσο το δυνατόν πιο απλή: αν όλα τα σώματα και οι διαδικασίες γύρω μας περιγράφονται από τους νόμους της κλασικής μηχανικής, στους οποίους συμμετέχουν σώματα πεπερασμένης μάζας, τότε το φως είναι επίσης μικρά σωματίδια ή σωματίδια. Κινούνται στο διάστημα με συγκεκριμένη ταχύτητα, αν συναντήσουν εμπόδιο αντανακλώνται από αυτό. Το τελευταίο, για παράδειγμα, εξηγεί την ύπαρξη μιας σκιάς σε ένα αντικείμενο. Αυτές οι ιδέες για το φως διήρκεσαν μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, δηλαδή περίπου 150 χρόνια.
Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι ο Lomonosov χρησιμοποίησε τη Νευτώνεια σωματιδιακή θεωρία στα μέσα του 18ου αιώνα για να εξηγήσει τη συμπεριφορά των αερίων, η οποία περιγράφεται στο έργο του "Στοιχεία Μαθηματικής Χημείας". Ο Lomonosov θεώρησε ότι το αέριο αποτελείται από σωματίδια.
Τι εξήγησε η Νευτώνεια θεωρία;
Έγιναν οι περιγραφόμενες ιδέες για το φωςένα τεράστιο βήμα για την κατανόηση της φύσης του. Η θεωρία του Νεύτωνα για τα σωματίδια ήταν σε θέση να εξηγήσει τα ακόλουθα φαινόμενα:
- Ευθύγραμμη διάδοση του φωτός σε ομοιογενές μέσο. Πράγματι, εάν δεν ενεργούν εξωτερικές δυνάμεις σε ένα κινούμενο σώμα φωτός, τότε η κατάστασή του περιγράφεται με επιτυχία από τον πρώτο Νευτώνειο νόμο της κλασικής μηχανικής.
- Το φαινόμενο της αντανάκλασης. Χτυπώντας τη διεπαφή μεταξύ δύο μέσων, το σώμα υφίσταται μια απολύτως ελαστική σύγκρουση, ως αποτέλεσμα της οποίας διατηρείται ο συντελεστής ορμής του και το ίδιο ανακλάται σε γωνία ίση με τη γωνία πρόσπτωσης.
- Το φαινόμενο της διάθλασης. Ο Νεύτωνας πίστευε ότι διεισδύοντας σε ένα πιο πυκνό μέσο από ένα λιγότερο πυκνό (για παράδειγμα, από τον αέρα στο νερό), το σώμα επιταχύνεται λόγω της έλξης των μορίων του πυκνού μέσου. Αυτή η επιτάχυνση οδηγεί σε αλλαγή της τροχιάς της πιο κοντά στην κανονική, δηλαδή παρατηρείται φαινόμενο διάθλασης.
- Η ύπαρξη των λουλουδιών. Ο δημιουργός της θεωρίας πίστευε ότι κάθε παρατηρούμενο χρώμα αντιστοιχεί στο δικό του "χρωματικό" σώμα.
Προβλήματα της δηλωμένης θεωρίας και επιστροφή στην ιδέα του Huygens
Άρχισαν να εμφανίζονται όταν ανακαλύφθηκαν νέα εφέ που σχετίζονται με το φως. Τα κυριότερα είναι η περίθλαση (απόκλιση από την ευθύγραμμη διάδοση του φωτός όταν μια δέσμη διέρχεται από μια σχισμή) και η παρεμβολή (το φαινόμενο των δακτυλίων του Νεύτωνα). Με την ανακάλυψη αυτών των ιδιοτήτων του φωτός, οι φυσικοί τον 19ο αιώνα άρχισαν να θυμούνται το έργο του Huygens.
Τον ίδιο 19ο αιώνα, ο Faraday και ο Lenz ερεύνησαν τις ιδιότητες των εναλλασσόμενων ηλεκτρικών (μαγνητικών) πεδίων καιΟ Maxwell έκανε τους αντίστοιχους υπολογισμούς. Ως αποτέλεσμα, αποδείχθηκε ότι το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό εγκάρσιο κύμα, το οποίο δεν απαιτεί αιθέρα για την ύπαρξή του, αφού τα πεδία που το σχηματίζουν δημιουργούν το ένα το άλλο στη διαδικασία διάδοσης.
Νέες ανακαλύψεις που σχετίζονται με το φως και την ιδέα του Max Planck
Φαίνεται ότι η σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα έχει ήδη θαφτεί εντελώς, αλλά στις αρχές του 20ου αιώνα εμφανίζονται νέα αποτελέσματα: αποδεικνύεται ότι το φως μπορεί να "βγάλει" ηλεκτρόνια από την ύλη και να ασκήσει πίεση στα σώματα όταν πέφτει πάνω τους. Αυτά τα φαινόμενα, στα οποία προστέθηκε ένα ακατανόητο φάσμα ενός μαύρου σώματος, η κυματική θεωρία αποδείχθηκε αδύναμη να εξηγήσει.
Η λύση βρέθηκε από τον Max Planck. Πρότεινε ότι το φως αλληλεπιδρά με τα άτομα της ύλης με τη μορφή μικρών μερών, τα οποία ονόμασε φωτόνια. Η ενέργεια ενός φωτονίου μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο:
E=hv.
Όπου v - συχνότητα φωτονίων, h - σταθερά Planck. Ο Max Planck, χάρη σε αυτή την ιδέα του φωτός, έθεσε τα θεμέλια για την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής.
Χρησιμοποιώντας την ιδέα του Planck, ο Albert Einstein εξηγεί το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου το 1905, ο Niels Bohr - το 1912 δίνει μια λογική για τα φάσματα ατομικής εκπομπής και απορρόφησης, και ο Compton - το 1922 ανακαλύπτει το φαινόμενο που τώρα φέρει το όνομά του. Επιπλέον, η θεωρία της σχετικότητας που αναπτύχθηκε από τον Αϊνστάιν εξήγησε το ρόλο της βαρύτητας στην απόκλιση από τη γραμμική διάδοση μιας δέσμης φωτός.
Έτσι, το έργο αυτών των επιστημόνων των αρχών του 20ου αιώνα αναβίωσε τις ιδέες του Νεύτωνα γιαφως τον 17ο αιώνα.
Θεωρία σωματικών κυμάτων του φωτός
Τι είναι το φως; Είναι σωματίδιο ή κύμα; Κατά τη διάδοσή του, είτε σε μέσο είτε σε χώρο χωρίς αέρα, το φως εμφανίζει τις ιδιότητες ενός κύματος. Όταν εξετάζονται οι αλληλεπιδράσεις του με την ύλη, συμπεριφέρεται σαν ένα υλικό σωματίδιο. Ως εκ τούτου, επί του παρόντος, όσον αφορά το φως, συνηθίζεται να μιλάμε για τον δυισμό των ιδιοτήτων του, οι οποίες περιγράφονται στο πλαίσιο της θεωρίας σωματικών κυμάτων.
Ένα σωματίδιο φωτός - ένα φωτόνιο δεν έχει ούτε φορτίο ούτε μάζα σε ηρεμία. Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι η ενέργεια (ή η συχνότητα, που είναι το ίδιο, αν προσέξετε την παραπάνω έκφραση). Ένα φωτόνιο είναι ένα κβαντομηχανικό αντικείμενο, όπως κάθε στοιχειώδες σωματίδιο (ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο, νετρόνιο), επομένως έχει ορμή, σαν να ήταν σωματίδιο, αλλά δεν μπορεί να εντοπιστεί (προσδιορίστε τις ακριβείς συντεταγμένες), σαν να ήταν κύμα.
