Co je světlo? Tato otázka zajímala lidstvo ve všech dobách, ale teprve ve 20. století našeho letopočtu se podařilo mnohé objasnit o podstatě tohoto fenoménu. Tento článek se zaměří na korpuskulární teorii světla, její výhody a nevýhody.
Od starověkých filozofů po Christiana Huygense a Isaaca Newtona
Některé důkazy, které se dochovaly do naší doby, říkají, že lidé se začali zajímat o povahu světla ve starověkém Egyptě a starověkém Řecku. Zpočátku se věřilo, že předměty vysílají obrazy sebe sama. Ty druhé, které se dostanou do lidského oka, vytvářejí dojem viditelnosti objektů.
Při formování filozofického myšlení v Řecku se pak objevila nová teorie Aristotela, který věřil, že každý člověk vyzařuje z očí nějaké paprsky, díky nimž může "cítit" předměty.
Středověk nepřinesl do uvažované problematiky žádné jasno, nové úspěchy přinesla až renesance a revoluce ve vědě. Zejména v druhé polovině 17. století se objevily dvě zcela opačné teorie, které usilovaly ovysvětlit jevy spojené se světlem. Hovoříme o vlnové teorii Christiana Huygense a korpuskulární teorii Isaaca Newtona.
Navzdory některým úspěchům vlnové teorie měla stále řadu důležitých nedostatků:
- věřili, že světlo se šíří v éteru, což nikdo nikdy neobjevil;
- příčná povaha vln znamenala, že éter musel být pevným médiem.
S přihlédnutím k těmto nedostatkům a také s ohledem na tehdejší Newtonovu obrovskou autoritu byla v kruhu vědců jednomyslně přijata teorie částic-korpuskulí.
Podstata korpuskulární teorie světla
Newtonova myšlenka je maximálně jednoduchá: pokud jsou všechna tělesa a procesy kolem nás popsány zákony klasické mechaniky, na níž se podílejí tělesa konečné hmotnosti, pak jsou světlo také malé částice nebo tělíska. Pohybují se v prostoru určitou rychlostí, pokud narazí na překážku, odrazí se od ní. Ten například vysvětluje existenci stínu na předmětu. Tyto představy o světle přetrvaly až do začátku 19. století, tedy asi 150 let.
Je zajímavé poznamenat, že Lomonosov použil v polovině 18. století Newtonovu korpuskulární teorii k vysvětlení chování plynů, které je popsáno v jeho díle „Elements of Mathematical Chemistry“. Lomonosov považoval plyn za složený z částic částic.
Co vysvětlila Newtonova teorie?
Nastíněné představy o vyrobeném světleobrovský krok k pochopení jeho podstaty. Newtonova teorie krvinek dokázala vysvětlit následující jevy:
- Přímočaré šíření světla v homogenním prostředí. Pokud totiž na pohybující se částici světla nepůsobí žádné vnější síly, pak její stav úspěšně popisuje první Newtonův zákon klasické mechaniky.
- Fenomén odrazu. Při dopadu na rozhraní mezi dvěma prostředími zažije tělísko absolutně elastickou srážku, v důsledku čehož je zachován jeho modul hybnosti a samo se odráží pod úhlem, který se rovná úhlu dopadu.
- Fenomén lomu. Newton věřil, že při pronikání do hustšího prostředí z méně hustého (například ze vzduchu do vody) se tělísko zrychluje díky přitahování molekul hustého média. Toto zrychlení vede ke změně jeho trajektorie blíže k normálu, to znamená, že je pozorován efekt lomu.
- Existence květin. Tvůrce teorie věřil, že každá pozorovaná barva odpovídá jejímu vlastnímu „barevnému“tělísku.
Problémy uvedené teorie a návrat k Huygensově myšlence
Začaly se objevovat, když byly objeveny nové efekty související se světlem. Mezi hlavní patří difrakce (odchylka od přímočarého šíření světla při průchodu paprsku štěrbinou) a interference (fenomén Newtonových prstenců). S objevem těchto vlastností světla si fyzici v 19. století začali připomínat Huygensovo dílo.
Ve stejném 19. století zkoumali Faraday a Lenz vlastnosti střídavých elektrických (magnetických) polí aMaxwell provedl odpovídající výpočty. V důsledku toho bylo prokázáno, že světlo je elektromagnetická příčná vlna, která ke své existenci nepotřebuje éter, protože pole, která je tvoří, se navzájem generují v procesu šíření.
Nové objevy související se světlem a nápadem Maxe Plancka
Zdálo by se, že Newtonova korpuskulární teorie je již zcela pohřbena, ale na začátku 20. století se objevují nové výsledky: ukazuje se, že světlo může „vytahovat“elektrony z hmoty a vyvíjet tlak na tělesa, když padá na ně. Tyto jevy, k nimž se přidalo nepochopitelné spektrum černého tělesa, se vlnová teorie ukázala jako bezmocná vysvětlit.
Řešení našel Max Planck. Navrhl, že světlo interaguje s atomy hmoty ve formě malých částí, které nazval fotony. Energii fotonu lze určit podle vzorce:
E=hv.
Kde v - frekvence fotonů, h - Planckova konstanta. Max Planck díky této myšlence světla položil základy pro rozvoj kvantové mechaniky.
S využitím Planckovy myšlenky vysvětluje Albert Einstein v roce 1905 fenomén fotoelektrického jevu, Niels Bohr – v roce 1912 uvádí zdůvodnění atomových emisních a absorpčních spekter a Compton – v roce 1922 objevuje efekt, který nyní nese jeho jméno. Kromě toho teorie relativity vyvinutá Einsteinem vysvětlila roli gravitace při odchylce od lineárního šíření paprsku světla.
Práce těchto vědců z počátku 20. století tedy oživila Newtonovy myšlenky osvětlo v 17. století.
Teorie korpuskulárních vln světla
Co je světlo? Je to částice nebo vlna? Světlo při svém šíření, ať už v prostředí nebo v bezvzduchovém prostoru, vykazuje vlastnosti vlny. Když vezmeme v úvahu jeho interakce s hmotou, chová se jako hmotná částice. Proto je v současnosti u světla zvykem hovořit o dualismu jeho vlastností, které jsou popsány v rámci teorie korpuskulárních vln.
Částice světla - foton nemá v klidu náboj ani hmotnost. Jeho hlavní charakteristikou je energie (nebo frekvence, což je totéž, pokud věnujete pozornost výše uvedenému výrazu). Foton je kvantově mechanický objekt, jako každá elementární částice (elektron, proton, neutron), má tedy hybnost, jako by to byla částice, ale nelze jej lokalizovat (určit přesné souřadnice), jako by byl vlna.
