Apakah cahaya? Soalan ini telah menarik minat manusia dalam semua peringkat umur, tetapi hanya pada abad ke-20 era kita adalah mungkin untuk menjelaskan banyak tentang sifat fenomena ini. Artikel ini akan menumpukan pada teori korpuskular cahaya, kelebihan dan kekurangannya.
Dari ahli falsafah purba kepada Christian Huygens dan Isaac Newton
Beberapa bukti yang bertahan hingga ke zaman kita mengatakan bahawa orang mula berminat dengan sifat cahaya di Mesir kuno dan Yunani kuno. Pada mulanya dipercayai bahawa objek memancarkan imej diri mereka sendiri. Yang terakhir, masuk ke dalam mata manusia, mencipta kesan keterlihatan objek.
Kemudian, semasa pembentukan pemikiran falsafah di Greece, teori baru Aristotle muncul, yang percaya bahawa setiap orang memancarkan beberapa sinar dari mata, yang mana dia boleh "merasakan" objek.
Abad Pertengahan tidak membawa sebarang kejelasan kepada isu yang sedang dipertimbangkan, pencapaian baharu hanya datang dengan Renaissance dan revolusi dalam sains. Khususnya, pada separuh kedua abad ke-17, dua teori yang sama sekali bertentangan muncul, yang berusaha untukmenerangkan fenomena yang berkaitan dengan cahaya. Kita bercakap tentang teori gelombang Christian Huygens dan teori korpuskular Isaac Newton.
Walaupun beberapa kejayaan teori gelombang, ia masih mempunyai beberapa kelemahan penting:
- percaya bahawa cahaya merambat dalam eter, yang tidak pernah ditemui oleh sesiapa pun;
- sifat melintang gelombang bermakna eter mestilah medium pepejal.
Mengambil kira kekurangan ini, dan juga memandangkan kewibawaan besar Newton pada masa itu, teori zarah-korpuskel diterima sebulat suara dalam kalangan saintis.
Intipati teori korpuskular cahaya
Idea Newton semudah mungkin: jika semua jasad dan proses di sekeliling kita diterangkan oleh undang-undang mekanik klasik, di mana jasad jisim terhingga mengambil bahagian, maka cahaya juga merupakan zarah atau korpuskel kecil. Mereka bergerak di angkasa pada kelajuan tertentu, jika mereka bertemu halangan, mereka dipantulkan daripadanya. Yang terakhir, sebagai contoh, menerangkan kewujudan bayang-bayang pada objek. Idea tentang cahaya ini bertahan sehingga awal abad ke-19, iaitu kira-kira 150 tahun.
Adalah menarik untuk diperhatikan bahawa Lomonosov menggunakan teori korpuskular Newtonian pada pertengahan abad ke-18 untuk menerangkan tingkah laku gas, yang diterangkan dalam karyanya "Unsur Kimia Matematik". Lomonosov menganggap gas terdiri daripada zarah corpuscle.
Apakah yang dijelaskan oleh teori Newton?
Idea yang digariskan tentang cahaya yang dibuatsatu langkah besar dalam memahami sifatnya. Teori korpuskel Newton dapat menjelaskan fenomena berikut:
- Perambatan lereng lurus cahaya dalam medium homogen. Sesungguhnya, jika tiada daya luar bertindak pada badan cahaya yang bergerak, maka keadaannya berjaya diterangkan oleh hukum Newtonian mekanik klasik yang pertama.
- Fenomena pantulan. Memukul antara muka antara dua media, corpuscle mengalami perlanggaran anjal mutlak, akibatnya modulus momentumnya dikekalkan, dan ia sendiri dipantulkan pada sudut yang sama dengan sudut tuju.
- Fenomena pembiasan. Newton percaya bahawa menembusi ke dalam medium yang lebih tumpat dari yang kurang tumpat (contohnya, dari udara ke dalam air), corpuscle mempercepatkan disebabkan oleh tarikan molekul medium tumpat. Pecutan ini membawa kepada perubahan trajektori yang lebih dekat kepada normal, iaitu, kesan pembiasan diperhatikan.
- Kewujudan bunga. Pencipta teori itu percaya bahawa setiap warna yang diperhatikan sepadan dengan korpuskel "warna"nya sendiri.
Masalah teori yang dinyatakan dan kembali kepada idea Huygens
Ia mula muncul apabila kesan berkaitan cahaya baharu ditemui. Yang utama ialah pembelauan (sisihan daripada perambatan rectilinear cahaya apabila rasuk melalui celah) dan gangguan (fenomena cincin Newton). Dengan penemuan sifat cahaya ini, ahli fizik pada abad ke-19 mula mengingati karya Huygens.
Pada abad ke-19 yang sama, Faraday dan Lenz menyiasat sifat-sifat medan elektrik (magnet) berselang-seli, danMaxwell menjalankan pengiraan yang sepadan. Hasilnya, telah dibuktikan bahawa cahaya ialah gelombang melintang elektromagnet, yang tidak memerlukan eter untuk kewujudannya, kerana medan yang membentuknya menjana satu sama lain dalam proses perambatan.
Penemuan baharu berkaitan cahaya dan idea Max Planck
Nampaknya teori korpuskular Newton telah terkubur sepenuhnya, tetapi pada awal abad ke-20 hasil baru muncul: ternyata cahaya boleh "menarik" elektron daripada jirim dan memberi tekanan pada jasad apabila ia jatuh ke atas mereka. Fenomena ini, di mana spektrum jasad hitam yang tidak dapat difahami telah ditambahkan, teori gelombang ternyata tidak berdaya untuk dijelaskan.
Penyelesaian ditemui oleh Max Planck. Beliau mencadangkan cahaya berinteraksi dengan atom-atom jirim dalam bentuk bahagian-bahagian kecil, yang dipanggilnya foton. Tenaga foton boleh ditentukan dengan formula:
E=hv.
Di mana v - frekuensi foton, h - pemalar Planck. Max Planck, terima kasih kepada idea cahaya ini, meletakkan asas untuk pembangunan mekanik kuantum.
Menggunakan idea Planck, Albert Einstein menerangkan fenomena kesan fotoelektrik pada tahun 1905, Niels Bohr - pada tahun 1912 memberikan rasional untuk spektrum pelepasan dan penyerapan atom, dan Compton - pada tahun 1922 menemui kesan yang kini membawa namanya. Selain itu, teori relativiti yang dibangunkan oleh Einstein menjelaskan peranan graviti dalam sisihan daripada perambatan linear pancaran cahaya.
Oleh itu, karya saintis awal abad ke-20 ini menghidupkan semula idea Newton tentangcahaya pada abad ke-17.
Teori gelombang korpuskular cahaya
Apakah cahaya? Adakah ia zarah atau gelombang? Semasa perambatannya, sama ada dalam medium atau dalam ruang tanpa udara, cahaya mempamerkan sifat-sifat gelombang. Apabila interaksinya dengan jirim dipertimbangkan, ia berkelakuan seperti zarah material. Oleh itu, pada masa ini, berkenaan dengan cahaya, adalah lazim untuk bercakap tentang dualisme sifatnya, yang diterangkan dalam kerangka teori gelombang korpuskular.
Satu zarah cahaya - foton tidak mempunyai cas mahupun jisim semasa diam. Ciri utamanya ialah tenaga (atau kekerapan, iaitu perkara yang sama, jika anda memberi perhatian kepada ungkapan di atas). Foton ialah objek mekanikal kuantum, seperti mana-mana zarah asas (elektron, proton, neutron), oleh itu ia mempunyai momentum, seolah-olah ia adalah zarah, tetapi ia tidak boleh disetempatkan (menentukan koordinat yang tepat), seolah-olah ia adalah gelombang.
