Що таке світло? Це питання цікавило людство у всі століття, але тільки в XX сторіччі нашої ери вдалося прояснити багато щодо природи цього феномена. У даній статті мова піде про корпускулярної теорії світла, про її переваги та недоліки.
Від філософів античного світу до Християна Гюйгенса і Ісаака Ньютона
Деякий збереглися до нашого часу свідоцтва кажуть, що природою світла почали цікавитися ще в давньому Єгипті і античної Греції. Спочатку вважали, що випускають предмети зображення самих себе. Останні, потрапляючи в око людини, створюють враження видимості об’єктів.
Потім, під час становлення філософської думки в Греції, з’явилася нова теорія Аристотеля, який вважав, що кожна людина з очей випускає деякі промені, завдяки яким він може “обмацувати” предмети.
Середні віки не внесли жодної ясності в дане питання, нові досягнення прийшли тільки з епохою Відродження і революцією в науці. Зокрема, у другій половині XVII століття з’явилися дві абсолютно протилежні теорії, які прагнули пояснити феномени, пов’язані зі світлом. Мова йде про хвильової теорії Християна Гюйгенса і корпускулярної теорії Ісаака Ньютона.
Незважаючи на деякі успіхи хвильової теорії, вона все ж мала низку істотних недоліків:
- вважала, що світло поширюється в ефірі, який ніколи ніким не було виявлено;
- поперечний характер хвиль говорив про те, що ефір повинен був бути твердим середовищем.
Беручи до уваги ці недоліки, а також враховуючи величезний авторитет Ньютона на той момент, теорія частинок-корпускул була прийнята одноголосно в колі науковців.
Суть корпускулярної теорії світла
Ідея Ньютона максимально проста: якщо всі оточують нас тіла і процеси описуються законами класичної механіки, в якій беруть участь тіла кінцевої маси, то значить, і світло являє собою маленькі частинки або корпускули. Вони рухаються в просторі з певною швидкістю, якщо зустрічають перешкоду, то відбиваються від нього. Останнє, наприклад, пояснює факт існування у тіні об’єкта. Ці уявлення про світлі проіснували до початку XIX, тобто близько 150 років.
Цікаво відзначити, що ньютоновскую корпускулярну теорію Ломоносов у середині XVIII століття використовував для пояснення поведінки газів, що викладається в його роботі “Елементи математичної хімії”. Ломоносов вважав газ складається з частинок-корпускул.
Що пояснювала ньютоновская теорія?
Викладені уявлення про світлі зробили величезний крок у розумінні його природи. Теорія корпускул Ньютона змогла пояснити такі явища:
- Прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі. Дійсно, якщо на рухому корпускул світу не діють ніякі зовнішні сили, то її стан з успіхом описується першим ньютонівським законом класичної механіки.
- Явище відбиття. Ударяючись об поверхню розділу двох середовищ, корпускула відчуває абсолютно пружне зіткнення, в результаті якого її модуль імпульсу зберігається, а сама вона відбивається під кутом, рівним куту падіння.
- Явище заломлення. Ньютон вважав, що проникаючи в більш щільне середовище з менш щільною (наприклад, з повітря у воду), корпускула прискорюється за рахунок тяжіння молекул щільного середовища. Це прискорення призводить до зміни її траєкторії ближче до нормалі, тобто спостерігається ефект заломлення.
- Існування кольорів. Творець теорії вважав, що кожному спостережуваного кольору відповідає своя “кольорова” корпускула.
Проблеми викладеної теорії і повернення до ідеї Гюйгенса
Вони почали виникати, коли з’явилися відкриття нових ефектів, пов’язаних зі світлом. Головними з них є дифракція (відхилення від прямолінійного поширення світла при проходженні променя через щілину) і інтерференція (явище кілець Ньютона). З виявленням цих властивостей світла фізики XIX століття почали згадувати про роботу Гюйгенса.
У тому ж XIX столітті Фарадей і Ленц досліджували властивості змінних електричних (магнітних полів, а Максвелл провів відповідні розрахунки. У результаті було доведено, що світло – це електромагнітне поперечна хвиля, яка для свого існування не потребує ефіру, оскільки утворюють її поля породжують один одного в процесі розповсюдження.
Нові відкриття, пов’язані зі світлом, і ідея Макса Планка
Здавалося б, корпускулярна теорія Ньютона вже остаточно похована, але на початку XX століття з’являються нові результати: виявляється, що світло може “виривати” електрони з речовини і чинити тиск на тіла при падінні на них. Ці явища, до яких додався незрозумілий спектр абсолютно чорного тіла, хвильова теорія виявилася неспроможною пояснити.
Рішення було знайдено Максом Планком. Він припустив, що світло взаємодіє з атомами речовини у вигляді маленьких порцій, які він назвав фотонами. Енергію фотона можна визначити за формулою:
E = h*v.
Де v – частота фотона, h – постійна Планка. Макс Планк, завдяки цьому уявленню про світлі, поклав початок розвитку квантової механіки.
Використовуючи ідею Планка, Альберт Ейнштейн пояснює явище фотоефекту в 1905 році, Нільс Бор – в 1912 році дає обгрунтування атомних спектрах випромінювання і поглинання, а Комптон – в 1922 році відкриває ефект, який носить тепер його прізвище. Крім того, розроблена Ейнштейном теорії відносності пояснила роль гравітації у відхиленні від лінійного поширення пучка світла.
Таким чином, роботи названих вчених початку XX століття відродили уявлення Ньютона про світло в XVII столітті.
Корпускулярно-хвильова теорія світла
Що таке світло? Це частка, або хвиля? Під час свого поширення, будь то в середовищі або в безповітряному просторі, світло проявляє властивості хвилі. Коли ж розглядаються його взаємодії з речовиною, то він веде себе як матеріальна частинка. Тому в даний час відносно світла прийнято говорити про дуалізм його властивостей, які описуються в рамках корпускулярно-хвильової теорії.
Частинка світла – фотон не має ні електрики, ні масою в спокої. Основна його характеристика – це енергія (або частота, що одне і те ж, якщо звернути увагу на вираз вище). Фотон – це об’єкт квантовомеханический, як і будь-яка елементарна частинка (електрон, протон, нейтрон), тому він володіє імпульсом, ніби є частинкою, але його не можна локалізувати (визначити точні координати), ніби він є хвилею.
