Mis on valgus? See küsimus on inimkonda huvitanud igal ajastul, kuid alles meie ajastu 20. sajandil oli võimalik selle nähtuse olemuse kohta palju selgust saada. See artikkel keskendub valguse korpuskulaarsele teooriale, selle eelistele ja puudustele.
Iidsetest filosoofidest Christian Huygensi ja Isaac Newtonini
Mõned meie ajani säilinud tõendid näitavad, et inimesed hakkasid valguse olemuse vastu huvi tundma Vana-Egiptuses ja Vana-Kreekas. Alguses usuti, et objektid kiirgavad endast pilte. Viimased, sattudes inimsilma, loovad mulje objektide nähtavusest.
Seejärel, Kreekas filosoofilise mõtte kujunemise ajal, ilmus uus Aristotelese teooria, kes uskus, et iga inimene kiirgab silmadest mingisuguseid kiiri, tänu millele saab objekte "tunnetada".
Keskaaeg vaadeldavas küsimuses selgust ei toonud, uued saavutused tulid alles renessansi ja teadusrevolutsiooniga. Eelkõige 17. sajandi teisel poolel ilmusid kaks täiesti vastandlikku teooriat, mis püüdsidselgitada valgusega seotud nähtusi. Räägime Christian Huygensi laineteooriast ja Isaac Newtoni korpuskulaarteooriast.
Hoolimata laineteooria mõningatest õnnestumistest oli sellel siiski mitmeid olulisi puudujääke:
- uskus, et valgus levib eetris, mida keegi kunagi ei avastanud;
- lainete põiksuunaline olemus tähendas, et eeter pidi olema tahke keskkond.
Neid puudusi arvesse võttes ja arvestades ka Newtoni tolleaegset tohutut autoriteeti, võeti osakeste-kehade teooria teadlaste ringis üksmeelselt vastu.
Valguse korpuskulaarteooria olemus
Newtoni idee on võimalikult lihtne: kui kõiki meid ümbritsevaid kehasid ja protsesse kirjeldavad klassikalise mehaanika seadused, milles osalevad lõpliku massiga kehad, siis on valgus ka väikesed osakesed ehk kehakesed. Nad liiguvad ruumis teatud kiirusega, kui nad kohtavad takistust, peegelduvad nad sellelt. Viimane seletab näiteks varju olemasolu objektil. Need ettekujutused valgusest püsisid kuni 19. sajandi alguseni, see tähendab umbes 150 aastat.
Huvitav on märkida, et Lomonossov kasutas 18. sajandi keskel gaaside käitumise selgitamiseks Newtoni korpuskulaarteooriat, mida kirjeldab tema töö "Matemaatilise keemia elemendid". Lomonosov arvas, et gaas koosneb kehaosakestest.
Mida seletas Newtoni teooria?
Valguse kohta esitatud ideedsuur samm selle olemuse mõistmisel. Newtoni korpuskliteooria suutis selgitada järgmisi nähtusi:
- Valguse sirgjooneline levimine homogeenses keskkonnas. Tõepoolest, kui liikuvale valguskehale ei mõju välised jõud, kirjeldatakse selle olekut eduk alt klassikalise mehaanika esimese Newtoni seadusega.
- Peegelduse fenomen. Kahe kandja liidese tabamisel kogeb korpus absoluutselt elastset kokkupõrget, mille tulemusena säilib tema impulssmoodul ja ta ise peegeldub langemisnurgaga võrdse nurga all.
- Refraktsiooni nähtus. Newton uskus, et tungides vähem tihedast keskkonnast (näiteks õhust vette) tihedamasse keskkonda, kiireneb korpus tiheda keskkonna molekulide külgetõmbe tõttu. See kiirendus viib selle trajektoori muutumiseni tavapärasele lähemale, see tähendab, et täheldatakse murdumisefekti.
- Lillede olemasolu. Teooria looja uskus, et iga vaadeldav värv vastab tema enda "värvilisele" korpusele.
Välja toodud teooria probleemid ja tagasipöördumine Huygensi idee juurde
Need hakkasid esile kerkima, kui avastati uued valgusega seotud efektid. Peamised neist on difraktsioon (hälve valguse sirgjoonelisest levimisest, kui kiir läbib pilu) ja interferents (Newtoni rõngaste nähtus). Nende valguse omaduste avastamisega hakkasid füüsikud 19. sajandil meenutama Huygensi töid.
Samal 19. sajandil uurisid Faraday ja Lenz vahelduvate elektri- (magnet)väljade omadusi jaMaxwell viis läbi vastavad arvutused. Selle tulemusena tõestati, et valgus on elektromagnetiline põiklaine, mille olemasoluks ei ole vaja eetrit, kuna valgust moodustavad väljad genereerivad levimise käigus üksteist.
Uued avastused seoses valguse ja Max Plancki ideega
Tundub, et Newtoni korpuskulaarteooria on juba täielikult maha maetud, kuid 20. sajandi alguses ilmnevad uued tulemused: selgub, et valgus võib ainest elektrone "välja tõmmata" ja kehadele survet avaldada. langeb neile peale. Neid nähtusi, millele lisandus musta keha arusaamatu spekter, osutus laineteooria võimetuks seletada.
Lahenduse leidis Max Planck. Ta väitis, et valgus interakteerub aine aatomitega väikeste portsjonitena, mida ta nimetas footoniteks. Footoni energiat saab määrata järgmise valemiga:
E=hv.
Kus v – footoni sagedus, h – Plancki konstant. Max Planck pani tänu sellele valguse ideele aluse kvantmehaanika arengule.
Plancki ideed kasutades selgitab Albert Einstein 1905. aastal fotoelektrilise efekti fenomeni, Niels Bohr – 1912. aastal põhjendab aatomiemissiooni- ja neeldumisspektreid ning Compton – avastab 1922. aastal efekti, mis kannab praegu tema nime. Lisaks selgitas Einsteini välja töötatud relatiivsusteooria gravitatsiooni rolli valguskiire lineaarsest levimisest kõrvalekaldumisel.
Seega taaselustas nende 20. sajandi alguse teadlaste töö Newtoni ideedvalgus 17. sajandil.
Valguse korpuskulaarlaine teooria
Mis on valgus? Kas see on osake või laine? Valgus avaldab oma levimise ajal nii keskkonnas kui ka õhuvabas ruumis laine omadusi. Kui arvestada selle vastasmõju ainega, käitub see nagu materiaalne osake. Seetõttu on praegu kombeks valguse suhtes rääkida selle omaduste dualismist, mida kirjeldatakse korpuskulaarlaine teooria raames.
Valguse osake – footonil ei ole puhkeolekus laengut ega massi. Selle peamine omadus on energia (või sagedus, mis on sama asi, kui pöörata tähelepanu ül altoodud väljendile). Footon on kvantmehaaniline objekt, nagu iga elementaarosake (elektron, prooton, neutron), seetõttu on tal impulss, nagu oleks osake, kuid teda ei saa lokaliseerida (määrata täpseid koordinaate), nagu ta oleks laine.
