Wat is licht? Deze vraag heeft de mensheid van alle leeftijden geïnteresseerd, maar pas in de 20e eeuw van onze jaartelling was het mogelijk om veel opheldering te geven over de aard van dit fenomeen. Dit artikel gaat in op de corpusculaire theorie van licht, de voor- en nadelen ervan.
Van oude filosofen tot Christian Huygens en Isaac Newton
Enig bewijs dat tot onze tijd bewaard is gebleven, zegt dat mensen in het oude Egypte en het oude Griekenland geïnteresseerd begonnen te raken in de aard van licht. Aanvankelijk dacht men dat objecten beelden van zichzelf uitzenden. Deze laatste, die in het menselijk oog komen, wekken de indruk van de zichtbaarheid van objecten.
Toen, tijdens de vorming van het filosofische denken in Griekenland, verscheen een nieuwe theorie van Aristoteles, die geloofde dat elke persoon wat stralen uit de ogen uitzendt, waardoor hij objecten kan "voelen".
De Middeleeuwen brachten geen duidelijkheid over de kwestie die in overweging werd genomen, nieuwe prestaties kwamen pas met de Renaissance en de revolutie in de wetenschap. Met name in de tweede helft van de 17e eeuw verschenen twee totaal tegengestelde theorieën, die probeerdenverklaren van de verschijnselen die verband houden met licht. We hebben het over de golftheorie van Christian Huygens en de corpusculaire theorie van Isaac Newton.
Ondanks enkele successen van de golftheorie, had deze nog een aantal belangrijke tekortkomingen:
- geloofde dat licht zich voortplantte in de ether, wat nooit door iemand is ontdekt;
- de transversale aard van de golven betekende dat de ether een vast medium moest zijn.
Rekening houdend met deze tekortkomingen, en ook gezien de enorme autoriteit van Newton in die tijd, werd de theorie van deeltjes-lichaampjes unaniem aanvaard in de kring van wetenschappers.
De essentie van de corpusculaire lichttheorie
Newtons idee is zo eenvoudig mogelijk: als alle lichamen en processen om ons heen worden beschreven door de wetten van de klassieke mechanica, waaraan lichamen van eindige massa deelnemen, dan is licht ook kleine deeltjes of bloedlichaampjes. Ze bewegen met een bepaalde snelheid in de ruimte, als ze een obstakel tegenkomen, worden ze ervan weerkaatst. Dit laatste verklaart bijvoorbeeld het bestaan van een schaduw op een object. Deze ideeën over licht hielden stand tot het begin van de 19e eeuw, dat wil zeggen ongeveer 150 jaar.
Het is interessant om op te merken dat Lomonosov de Newtoniaanse corpusculaire theorie in het midden van de 18e eeuw gebruikte om het gedrag van gassen te verklaren, dat wordt beschreven in zijn werk "Elements of Mathematical Chemistry". Lomonosov beschouwde gas als samengesteld uit deeltjes van bloedlichaampjes.
Wat verklaarde de Newtoniaanse theorie?
De geschetste ideeën over licht gemaakteen enorme stap in het begrijpen van de aard ervan. Newtons theorie van bloedlichaampjes was in staat om de volgende verschijnselen te verklaren:
- Rectilineaire voortplanting van licht in een homogeen medium. Inderdaad, als er geen externe krachten inwerken op een bewegend lichtlichaampje, dan wordt zijn toestand met succes beschreven door de eerste Newtoniaanse wet van de klassieke mechanica.
- Het fenomeen reflectie. Het lichaampje raakt het grensvlak tussen twee media en ervaart een absoluut elastische botsing, waardoor de impulsmodulus behouden blijft en het zelf wordt gereflecteerd onder een hoek die gelijk is aan de invalshoek.
- Het fenomeen van breking. Newton geloofde dat het bloedlichaampje versnelt door de aantrekking van de moleculen van het dichte medium wanneer het een dichter medium binnendringt vanuit een minder dicht medium (bijvoorbeeld van lucht in water). Deze versnelling leidt tot een verandering in het traject dat dichter bij de normaal ligt, dat wil zeggen dat er een brekingseffect wordt waargenomen.
- Het bestaan van bloemen. De maker van de theorie geloofde dat elke waargenomen kleur overeenkomt met zijn eigen "kleur" lichaampje.
Problemen van de genoemde theorie en terug naar het idee van Huygens
Ze kwamen tevoorschijn toen nieuwe lichtgerelateerde effecten werden ontdekt. De belangrijkste zijn diffractie (afwijking van de rechtlijnige voortplanting van licht wanneer een bundel door een spleet gaat) en interferentie (het fenomeen van de ringen van Newton). Met de ontdekking van deze eigenschappen van licht begonnen natuurkundigen zich in de 19e eeuw het werk van Huygens te herinneren.
In dezelfde 19e eeuw onderzochten Faraday en Lenz de eigenschappen van alternerende elektrische (magnetische) velden, enMaxwell voerde de bijbehorende berekeningen uit. Als resultaat werd bewezen dat licht een elektromagnetische transversale golf is, die geen ether nodig heeft voor zijn bestaan, aangezien de velden die het vormen elkaar tijdens het voortplantingsproces genereren.
Nieuwe ontdekkingen met betrekking tot licht en het idee van Max Planck
Het lijkt erop dat de corpusculaire theorie van Newton al volledig is begraven, maar aan het begin van de 20e eeuw verschijnen nieuwe resultaten: het blijkt dat licht elektronen uit materie kan "trekken" en druk kan uitoefenen op lichamen wanneer het v alt op hen. Deze verschijnselen, waaraan een onbegrijpelijk spectrum van een zwart lichaam werd toegevoegd, bleek de golftheorie niet te verklaren.
De oplossing is gevonden door Max Planck. Hij suggereerde dat licht interageert met de atomen van materie in de vorm van kleine porties, die hij fotonen noemde. De energie van een foton kan worden bepaald met de formule:
E=hv.
Waar v - fotonfrequentie, h - constante van Planck. Max Planck heeft dankzij dit idee van licht de basis gelegd voor de ontwikkeling van de kwantummechanica.
Met het idee van Planck verklaart Albert Einstein het fenomeen van het foto-elektrisch effect in 1905, Niels Bohr - in 1912 geeft een reden voor atomaire emissie- en absorptiespectra, en Compton - in 1922 het effect dat nu zijn naam draagt. Bovendien verklaarde de door Einstein ontwikkelde relativiteitstheorie de rol van de zwaartekracht in de afwijking van de lineaire voortplanting van een lichtstraal.
Zo heeft het werk van deze wetenschappers van het begin van de 20e eeuw Newtons ideeën overlicht in de 17e eeuw.
Corpusculaire-golftheorie van licht
Wat is licht? Is het een deeltje of een golf? Tijdens zijn voortplanting, hetzij in een medium of in een luchtloze ruimte, vertoont licht de eigenschappen van een golf. Wanneer de interacties met materie worden beschouwd, gedraagt het zich als een materieel deeltje. Daarom is het tegenwoordig met betrekking tot licht gebruikelijk om te praten over het dualisme van zijn eigenschappen, die worden beschreven in het kader van de corpusculaire-golftheorie.
Een deeltje van licht - een foton heeft in rust geen lading of massa. Het belangrijkste kenmerk is energie (of frequentie, wat hetzelfde is, als je aandacht besteedt aan de bovenstaande uitdrukking). Een foton is een kwantummechanisch object, zoals elk elementair deeltje (elektron, proton, neutron), daarom heeft het een momentum, alsof het een deeltje is, maar het kan niet worden gelokaliseerd (bepaal de exacte coördinaten), alsof het een zwaai.
