Ce este lumina? Această întrebare a interesat omenirea din toate epocile, dar abia în secolul al XX-lea al erei noastre a fost posibil să se clarifice multe despre natura acestui fenomen. Acest articol se va concentra pe teoria corpusculară a luminii, avantajele și dezavantajele acesteia.
De la filozofii antici la Christian Huygens și Isaac Newton
Unele dovezi care au supraviețuit până în timpul nostru spun că oamenii au început să fie interesați de natura luminii în Egiptul antic și Grecia antică. La început s-a crezut că obiectele emit imagini despre ele însele. Acestea din urmă, intrând în ochiul uman, creează impresia de vizibilitate a obiectelor.
Apoi, în timpul formării gândirii filozofice în Grecia, a apărut o nouă teorie a lui Aristotel, care credea că fiecare om emite niște raze din ochi, datorită cărora poate „simți” obiectele.
Evul Mediu nu a adus nicio claritate problemei luate în considerare, noi realizări au venit doar odată cu Renașterea și revoluția în știință. În special, în a doua jumătate a secolului al XVII-lea au apărut două teorii complet opuse, care urmăreau săexplica fenomenele asociate cu lumina. Vorbim despre teoria undelor a lui Christian Huygens și teoria corpusculară a lui Isaac Newton.
În ciuda unor succese ale teoriei valurilor, aceasta a avut încă o serie de deficiențe importante:
- credea că lumina se propaga în eter, care nu a fost descoperit niciodată de nimeni;
- natura transversală a undelor însemna că eterul trebuia să fie un mediu solid.
Ținând cont de aceste neajunsuri și, de asemenea, având în vedere uriașa autoritate a lui Newton la acea vreme, teoria particulelor-corpuscule a fost acceptată în unanimitate în cercul oamenilor de știință.
Esența teoriei corpusculare a luminii
Ideea lui Newton este cât se poate de simplă: dacă toate corpurile și procesele din jurul nostru sunt descrise de legile mecanicii clasice, la care participă corpuri de masă finită, atunci lumina este și particule mici sau corpusculi. Se deplasează în spațiu cu o anumită viteză, dacă întâlnesc un obstacol, se reflectă din acesta. Acesta din urmă, de exemplu, explică existența unei umbre pe un obiect. Aceste idei despre lumină au durat până la începutul secolului al XIX-lea, adică aproximativ 150 de ani.
Este interesant de observat că Lomonosov a folosit teoria corpusculară newtoniană la mijlocul secolului al XVIII-lea pentru a explica comportamentul gazelor, care este descrisă în lucrarea sa „Elemente de chimie matematică”. Lomonosov a considerat gazul compus din particule de corpuscule.
Ce a explicat teoria newtoniană?
Ideile schițate despre lumină au făcutun pas uriaș în înțelegerea naturii sale. Teoria corpusculilor a lui Newton a fost capabilă să explice următoarele fenomene:
- Propagarea rectilinie a luminii într-un mediu omogen. Într-adevăr, dacă nicio forță exterioară nu acționează asupra unui corpuscul de lumină în mișcare, atunci starea acestuia este descrisă cu succes de prima lege newtoniană a mecanicii clasice.
- Fenomenul reflexiei. Lovind interfața dintre două medii, corpusculul experimentează o coliziune absolut elastică, în urma căreia modulul său de impuls este păstrat și el însuși este reflectat la un unghi egal cu unghiul de incidență.
- Fenomenul refracției. Newton credea că pătrunzând într-un mediu mai dens dintr-unul mai puțin dens (de exemplu, din aer în apă), corpusculul accelerează datorită atracției moleculelor mediului dens. Această accelerație duce la o modificare a traiectoriei sale mai aproape de normal, adică se observă un efect de refracție.
- Existența florilor. Creatorul teoriei credea că fiecare culoare observată corespunde propriului său corpuscul „culoare”.
Probleme ale teoriei enunțate și revenire la ideea lui Huygens
Au început să apară când au fost descoperite noi efecte legate de lumină. Principalele sunt difracția (abaterea de la propagarea rectilinie a luminii atunci când un fascicul trece printr-o fantă) și interferența (fenomenul inelelor lui Newton). Odată cu descoperirea acestor proprietăți ale luminii, fizicienii din secolul al XIX-lea au început să-și amintească lucrările lui Huygens.
În același secol al XIX-lea, Faraday și Lenz au investigat proprietățile câmpurilor electrice (magnetice) alternative șiMaxwell a efectuat calculele corespunzătoare. Drept urmare, s-a dovedit că lumina este o undă electromagnetică transversală, care nu necesită eter pentru existența sa, întrucât câmpurile care o formează se generează reciproc în procesul de propagare.
Noi descoperiri legate de lumină și ideea lui Max Planck
S-ar părea că teoria corpusculară a lui Newton a fost deja complet îngropată, dar la începutul secolului al XX-lea apar noi rezultate: se dovedește că lumina poate „smulge” electroni din materie și poate exercita presiune asupra corpurilor atunci când cade asupra lor. Aceste fenomene, la care s-a adăugat un spectru de neînțeles al unui corp negru, teoria undelor s-a dovedit a fi neputincioasă să le explice.
Soluția a fost găsită de Max Planck. El a sugerat că lumina interacționează cu atomii materiei sub formă de porțiuni mici, pe care le-a numit fotoni. Energia unui foton poate fi determinată prin formula:
E=hv.
Unde v - frecvența fotonului, h - constanta lui Planck. Max Planck, datorită acestei idei de lumină, a pus bazele dezvoltării mecanicii cuantice.
Folosind ideea lui Planck, Albert Einstein explică fenomenul efectului fotoelectric în 1905, Niels Bohr - în 1912 oferă o rațiune pentru spectrele de emisie și absorbție atomică, iar Compton - în 1922 descoperă efectul care îi poartă acum numele. În plus, teoria relativității dezvoltată de Einstein a explicat rolul gravitației în abaterea de la propagarea liniară a unui fascicul de lumină.
Astfel, munca acestor oameni de știință de la începutul secolului al XX-lea a reînviat ideile lui Newton desprelumina în secolul al XVII-lea.
Teoria undelor corpusculare a luminii
Ce este lumina? Este o particulă sau o undă? În timpul propagării sale, fie într-un mediu sau în spațiu fără aer, lumina prezintă proprietățile unei unde. Când sunt luate în considerare interacțiunile sale cu materia, ea se comportă ca o particulă materială. Prin urmare, în prezent, în ceea ce privește lumina, se obișnuiește să se vorbească despre dualismul proprietăților sale, care sunt descrise în cadrul teoriei undelor corpusculare.
O particulă de lumină - un foton nu are nici sarcină, nici masă în repaus. Caracteristica sa principală este energia (sau frecvența, care este același lucru, dacă acordați atenție expresiei de mai sus). Un foton este un obiect mecanic cuantic, ca orice particulă elementară (electron, proton, neutron), de aceea are un impuls, de parcă ar fi o particulă, dar nu poate fi localizat (determinați coordonatele exacte), ca și cum ar fi o val.
