Mitä valo on? Tämä kysymys on kiinnostanut ihmiskuntaa kaikkina aikoina, mutta vasta aikakautemme 1900-luvulla pystyttiin selventämään paljon tämän ilmiön luonteesta. Tämä artikkeli keskittyy valon korpuskulaariseen teoriaan, sen etuihin ja haittoihin.
Muinaisista filosofeista Christian Huygensiin ja Isaac Newtoniin
Jotkut meidän aikamme säilyneistä todisteista kertoo, että ihmiset alkoivat olla kiinnostuneita valon luonteesta muinaisessa Egyptissä ja muinaisessa Kreikassa. Aluksi uskottiin, että esineet lähettävät kuvia itsestään. Jälkimmäiset, joutuessaan ihmissilmään, luovat vaikutelman esineiden näkyvyydestä.
Sitten Kreikan filosofisen ajattelun muodostumisen aikana ilmestyi uusi teoria Aristotelesta, joka uskoi, että jokainen ihminen säteilee silmistä joitain säteitä, joiden ansiosta hän voi "tuntea" esineitä.
Keskiaika ei tuonut mitään selvyyttä käsiteltävään asiaan, uusia saavutuksia tuli vasta renessanssin ja tieteen vallankumouksen myötä. Erityisesti 1600-luvun jälkipuoliskolla ilmestyi kaksi täysin päinvastaista teoriaa, jotka pyrkivätselittää valoon liittyviä ilmiöitä. Puhumme Christian Huygensin a altoteoriasta ja Isaac Newtonin korpuskulaarisesta teoriasta.
A altoteorian joistakin onnistumisista huolimatta siinä oli silti useita tärkeitä puutteita:
- uskoi valon leviävän eetterissä, jota kukaan ei koskaan löytänyt;
- a altojen poikittaisluonne tarkoitti, että eetterin oli oltava kiinteä väliaine.
Nämä puutteet huomioon ottaen ja Newtonin tuolloin v altavan auktoriteetti huomioon ottaen hiukkasten teoria hyväksyttiin yksimielisesti tiedemiesten piirissä.
Korpuskulaarisen valon teorian ydin
Newtonin idea on mahdollisimman yksinkertainen: jos kaikkia ympärillämme olevia kappaleita ja prosesseja kuvataan klassisen mekaniikan laeilla, joihin osallistuu rajallisen massan omaavia kappaleita, niin valo on myös pieniä hiukkasia tai hiukkasia. Ne liikkuvat avaruudessa tietyllä nopeudella, jos kohtaavat esteen, ne heijastuvat siitä. Jälkimmäinen esimerkiksi selittää varjon olemassaolon esineellä. Nämä käsitykset valosta kestivät 1800-luvun alkuun, eli noin 150 vuotta.
On mielenkiintoista huomata, että Lomonosov käytti 1700-luvun puolivälissä newtonilaista korpuskulaariteoriaa selittääkseen kaasujen käyttäytymistä, jota kuvataan hänen teoksessaan "Elements of Mathematical Chemistry". Lomonosov katsoi kaasun koostuvan verisoluhiukkasista.
Mitä Newtonin teoria selitti?
Luotellut ideat valosta tehtyv altava askel sen luonteen ymmärtämisessä. Newtonin verisoluteoria pystyi selittämään seuraavat ilmiöt:
- Valon suoraviivainen eteneminen homogeenisessa väliaineessa. Itse asiassa, jos mikään ulkoinen voima ei vaikuta liikkuvaan valokapseliin, sen tila kuvataan onnistuneesti klassisen mekaniikan ensimmäisellä Newtonin lailla.
- Reflektioilmiö. Osuessaan kahden median väliseen rajapintaan, korpuskkeli kokee ehdottoman elastisen törmäyksen, jonka seurauksena sen liikemäärä säilyy, ja se itse heijastuu kulmassa, joka on yhtä suuri kuin tulokulma.
- Taittuman ilmiö. Newton uskoi, että tunkeutuessaan tiheämpään väliaineeseen vähemmän tiheästä (esimerkiksi ilmasta veteen), verisolu kiihtyy tiheän väliaineen molekyylien vetovoiman vuoksi. Tämä kiihtyvyys johtaa muutokseen sen liikeradassa lähemmäksi normaalia, eli havaitaan taittuva vaikutus.
- Kukkien olemassaolo. Teorian luoja uskoi, että jokainen havaittu väri vastaa omaa "värisoluaan".
Kirjatun teorian ongelmat ja paluu Huygensin ajatukseen
Ne alkoivat ilmaantua, kun uusia valoon liittyviä tehosteita löydettiin. Tärkeimmät ovat diffraktio (poikkeama valon suoraviivaisesta etenemisestä, kun säde kulkee raon läpi) ja interferenssi (Newtonin renkaiden ilmiö). Kun nämä valon ominaisuudet löydettiin, fyysikot 1800-luvulla alkoivat muistaa Huygensin työtä.
Samalla 1800-luvulla Faraday ja Lenz tutkivat vuorottelevien sähköisten (magneettisten) kenttien ominaisuuksia jaMaxwell suoritti vastaavat laskelmat. Tuloksena todistettiin, että valo on sähkömagneettinen poikkia alto, joka ei vaadi eetteriä olemassaoloonsa, koska sen muodostavat kentät synnyttävät toisiaan etenemisprosessissa.
Uusia löytöjä valoon ja Max Planckin ideaan liittyen
Näyttää siltä, että Newtonin korpuskulaarinen teoria on jo kokonaan haudattu, mutta 1900-luvun alussa ilmenee uusia tuloksia: käy ilmi, että valo voi "vetää ulos" elektroneja aineesta ja kohdistaa painetta kappaleisiin. putoaa niiden päälle. Näitä ilmiöitä, joihin lisättiin käsittämätön mustan kappaleen spektri, a altoteoria osoittautui voimattomaksi selittää.
Max Planck löysi ratkaisun. Hän ehdotti, että valo on vuorovaikutuksessa aineen atomien kanssa pienten osien muodossa, joita hän kutsui fotoneiksi. Fotonin energia voidaan määrittää kaavalla:
E=hv.
Missä v - fotonitaajuus, h - Planckin vakio. Max Planck loi tämän valoidean ansiosta perustan kvanttimekaniikan kehitykselle.
Planckin ideaa käyttäen Albert Einstein selittää valosähköilmiön ilmiötä vuonna 1905, Niels Bohr - vuonna 1912 perustelee atomiemissio- ja -absorptiospektrejä, ja Compton - vuonna 1922 löytää vaikutuksen, joka nyt kantaa hänen nimeään. Lisäksi Einsteinin kehittämä suhteellisuusteoria selitti painovoiman roolin valonsäteen lineaarisen etenemisen poikkeamisessa.
Näiden 1900-luvun alun tiedemiesten työ herätti siis Newtonin ajatuksetvalo 1600-luvulla.
Korpuskulaarinen valon teoria
Mitä valo on? Onko se hiukkanen vai a alto? Etenemisensä aikana, joko väliaineessa tai ilmattomassa tilassa, valo osoittaa aallon ominaisuuksia. Kun tarkastellaan sen vuorovaikutusta aineen kanssa, se käyttäytyy kuin materiaalihiukkanen. Siksi tällä hetkellä valon suhteen on tapana puhua sen ominaisuuksien dualismista, joita kuvataan korpuskulaaria altoteorian puitteissa.
Valohiukkanen – fotonilla ei ole varausta eikä massaa levossa. Sen pääominaisuus on energia (tai taajuus, joka on sama asia, jos kiinnität huomiota yllä olevaan lausekkeeseen). Fotoni on kvanttimekaaninen esine, kuten mikä tahansa alkeishiukkanen (elektroni, protoni, neutroni), joten sillä on liikemäärä, ikään kuin se olisi hiukkanen, mutta sitä ei voida lokalisoida (määrittää tarkat koordinaatit), ikään kuin se olisi a alto.
