Какво е светлина? Този въпрос интересува човечеството през всички епохи, но едва през 20-ти век от нашата ера беше възможно да се изясни много за природата на това явление. Тази статия ще се фокусира върху корпускулярната теория на светлината, нейните предимства и недостатъци.
От древни философи до Кристиан Хюйгенс и Исак Нютон
Някои доказателства, оцелели до нашето време, казват, че хората започват да се интересуват от природата на светлината в древен Египет и древна Гърция. Първоначално се смяташе, че обектите излъчват изображения на себе си. Последните, попадайки в човешкото око, създават впечатление за видимост на обекти.
След това, по време на формирането на философската мисъл в Гърция, се появява нова теория на Аристотел, който вярва, че всеки човек излъчва някакви лъчи от очите, благодарение на които може да "усеща" обекти.
Средновековието не внася яснота в разглеждания въпрос, нови постижения идват едва с Ренесанса и революцията в науката. По-специално, през втората половина на 17 век се появяват две напълно противоположни теории, които се стремят даобясняват явленията, свързани със светлината. Говорим за вълновата теория на Кристиан Хюйгенс и корпускулярната теория на Исак Нютон.
Въпреки някои успехи на вълновата теория, тя все още имаше редица важни недостатъци:
- вярваше, че светлината се разпространява в етера, която никога не е била открита от никого;
- напречната природа на вълните означаваше, че етерът трябва да бъде твърда среда.
Вземайки предвид тези недостатъци, а също и предвид огромния авторитет на Нютон по това време, теорията за частиците-тела е приета единодушно в кръга на учените.
Същността на корпускулярната теория на светлината
Идеята на Нютон е възможно най-проста: ако всички тела и процеси около нас се описват от законите на класическата механика, в която участват тела с крайна маса, тогава светлината също е малки частици или частици. Те се движат в пространството с определена скорост, срещнат ли препятствие, се отразяват от него. Последното, например, обяснява съществуването на сянка върху обект. Тези идеи за светлината продължават до началото на 19-ти век, тоест около 150 години.
Интересно е да се отбележи, че Ломоносов използва корпускулярната теория на Нютон в средата на 18-ти век, за да обясни поведението на газовете, което е описано в неговия труд "Елементи на математическата химия". Ломоносов смяташе, че газът се състои от частици.
Какво обясни теорията на Нютон?
Очертаните идеи за направена светлинаогромна стъпка в разбирането на нейната природа. Теорията на Нютон за корпускулите е в състояние да обясни следните явления:
- Праволинейно разпространение на светлината в хомогенна среда. Всъщност, ако върху движеща се частица светлина не действат външни сили, тогава нейното състояние се описва успешно от първия нютонов закон на класическата механика.
- Феноменът на отражението. Удряйки се в интерфейса между две среди, корпускулът преживява абсолютно еластичен сблъсък, в резултат на което неговият модул на инерция се запазва, а самият той се отразява под ъгъл, равен на ъгъла на падане.
- Феноменът на пречупване. Нютон вярва, че прониквайки в по-плътна среда от по-малко плътна среда (например от въздух във вода), корпускулът се ускорява поради привличането на молекулите на плътната среда. Това ускорение води до промяна в траекторията му по-близо до нормалното, тоест се наблюдава ефект на пречупване.
- Съществуването на цветя. Създателят на теорията вярва, че всеки наблюдаван цвят съответства на своя собствена "цветна" частица.
Проблеми на изложената теория и връщане към идеята на Хюйгенс
Те започнаха да се появяват, когато бяха открити нови ефекти, свързани със светлината. Основните са дифракция (отклонение от праволинейното разпространение на светлината при преминаване на лъч през процеп) и интерференция (феноменът на Нютоновите пръстени). С откриването на тези свойства на светлината, физиците през 19-ти век започват да припомнят работата на Хюйгенс.
През същия 19-ти век Фарадей и Ленц изследват свойствата на променливите електрически (магнитни) полета иМаксуел извърши съответните изчисления. В резултат на това беше доказано, че светлината е електромагнитна напречна вълна, която не изисква етер за съществуването си, тъй като полетата, които я образуват, се генерират взаимно в процеса на разпространение.
Нови открития, свързани със светлината и идеята на Макс Планк
Изглежда, че корпускулярната теория на Нютон вече е напълно погребана, но в началото на 20-ти век се появяват нови резултати: оказва се, че светлината може да „издърпва” електрони от материята и да оказва натиск върху телата, когато пада върху тях. Тези явления, към които беше добавен неразбираем спектър от черно тяло, вълновата теория се оказа безсилна за обяснение.
Решението е намерено от Макс Планк. Той предполага, че светлината взаимодейства с атомите на материята под формата на малки порции, които той нарича фотони. Енергията на фотона може да се определи по формулата:
E=hv.
Где v - честота на фотона, h - константа на Планк. Макс Планк, благодарение на тази идея за светлина, положи основата за развитието на квантовата механика.
Използвайки идеята на Планк, Алберт Айнщайн обяснява феномена на фотоелектричния ефект през 1905 г., Нилс Бор - през 1912 г. дава обосновка за атомните емисии и спектрите на абсорбция, а Комптън - през 1922 г. открива ефекта, който сега носи неговото име. В допълнение, теорията на относителността, разработена от Айнщайн, обяснява ролята на гравитацията в отклонението от линейното разпространение на лъч светлина.
Така работата на тези учени от началото на 20-ти век възроди идеите на Нютон засветлина през 17 век.
Корпускулярно-вълнова теория на светлината
Какво е светлина? Дали е частица или вълна? По време на своето разпространение, независимо дали в среда или в безвъздушно пространство, светлината проявява свойствата на вълна. Когато се разглеждат нейните взаимодействия с материята, тя се държи като материална частица. Ето защо в момента по отношение на светлината е обичайно да се говори за дуализма на нейните свойства, които са описани в рамките на теорията на корпускулярните вълни.
Частица светлина - фотонът няма нито заряд, нито маса в покой. Основната му характеристика е енергия (или честота, което е същото, ако обърнете внимание на израза по-горе). Фотонът е квантово механичен обект, като всяка елементарна частица (електрон, протон, неутрон), следователно има импулс, сякаш е частица, но не може да бъде локализиран (определяне на точните координати), сякаш е вълна.
