Физика

за сваког по нешто

Корпускуларно-таласни дуализам светлости

Преузми Word документ

Схватања о природи светлости значајно су се мењала са развојем науке. Експериментални резултати, који су били у супротности са сазнањима о природи светлости, су утицали да се та сазнања промене.

Крајем 17. века формиране две теорије:

  • корпускуларна теорија (Исак Њутн)
  • таласна теорија (Кристијан Хајгенс)

 

Корпускуларна теорија светлости

Исак Њутн је поставио (1672.) теорију, по којој светлост представља проток веома малих и веома брзих честица – корпускула које емитује извор светлости. Ове честице су еластичне и кроз простор се крећу праволинијски великом брзином. Кретање ових честица подлеже законима класичне механике.

Према овој теорији, светлосни извор шаље честице на све стране и када допру до око човека изазивају осећај посматране слике. Одбијање светлости се тумачило на исти начин као и одбијање еластичних лоптица од чврсте и равне подлоге. Различите боје светлости објашњаване су постојањем честица различитих величина. Највеће честице изазивају осећај црвене, а најмање осећај љубичасте боје.

Ова теорија није могла да објасни зашто не долази до међусобног дејства два светлосна зрака који се укрштају.

 

Таласна теорија светлости

Скоро у исто време (1690.) холандски научник Кристијан Хајгенс је поставио теорију, која је негирала Њутнову теорију. Хајгенс је тврдио да светлост представља талас (у почетку се сматрало да су лонгитудинални таласи, као и звучни, касније је због поларизације закључено да се ради о трансверзалним таласима).

Да би објаснио простирање светлости у вакууму Хајгенс је претпоставио постојање средине која преноси светлост, а коју је назвао етар (замишљена као бестежинска супстанца која испуњава целокупан простор па и међупланетарни простор).

Одбијање светлости је објашњавао као и одбијање сваког другог таласа. Различите боје светлости је објашњавао постојањем таласа различитих таласних дужина.

Таласна природа светлости је потврђена интерференцијом, дифракцијом и поларизацијом светлости.

 

Ове теорије су паралелно постојале све до почетка 19. века. Таласна теорија светлости постаје доминантна средином 19. века јер су многи експерименти потврдили таласну природу светлости (интерференција, дифракција и поларизација светлости – појаве својствене само таласима). Наиме, после експеримената Јанга и Френела у којима је недвосмислено потврђена интерференција и дифракција светлости, превагу је однела таласна теорија.

У другој половини 19. века (1863. године) Максвел је поставио електромагнетну теорију – теоријски доказао да у природи постоје електромагнетни таласи који се кроз вакуум простиру брзином светлости – постало је јасно да светлост представља електромагнетни талас. Ово тврђење је експериментално доказано помоћу интерференције светлости (Хајнрих Херц – 1888. и Петар Лебедев – 1895.)

Даља испитивања су показала да светлост има исте особине као и електромагнетни таласи и да је међу њима једина разлика у таласној дужини. Таласна дужина светлости је знатно мања.

Независно од великог успеха електромагнетне теорије светлости крајем 19. века настао је проблем приликом покушаја да се теоријски објасне експериментално добијени подаци који се односе на зрачење црног тела, као и при објашњавању фотоелектричног ефекта.

Радови Макса Планка на неки начин представљају враћање на корпускуларну теорију светлости. Макс Планк је 1900. године је увео претпоставку да се електромагнетно зрачење емитује у облику одвојених количина (порција) енергије – кванта енергије. Значи енергија се емитује дисконтинуално, са прекидима, у пакетима енергије. (квант – упоређење – меци из митраљеза – између сваког постоји известан размак).

1905. године Ајнштајн доказује Планкову хипотезу о квантима успешно их применивши на објашњење фотоефекта. Притом је Ајнштајн проширио Планкову хипотезу у смислу да се енергија електромагнетног зрачења не само емитује у виду кваната, већ да се тако и преноси и на крају апсорбује у некој препреци када је погоди. Уместо Планковог назива – кванти (порције), Ајнштајн је предложио назив – фотони (делићи светлости).

Кванти се не замишљају као механичке честице, већ као фотони светлости, које првенствено карактерише енергије којом располажу.

Ајнштајн је доказао да сваком фотону светлости одговара одређена маса, импулс и енергија. Ако има масу и импулс фотон мора да врши притисак на непокретну препреку на коју наиђе, тј. светлост би требало да врши притисак на препреку на коју пада. Управо тако је и извршена експериментална провера. Ово је била потврда идеје да фотони имају честичне особине, односно потврда корпускуларне теорије. Ово је квантна теорија светлости којом су објашњене појаве топлотног зрачења, фото и Комптоновог ефекта.

Проучавање оптичких појава показало је дуалистичку природу светлоси. Тако је настао познати дуализам талас-честица. По савременим схватањима, светлост је сложени електромагнетни процес који има како таласна тако и корпускуларна (честична) својства.

У неким појавама светлост испољава таласна својства (интерференција, дифракција, поларизација), а у другим корпускуларна (честична) својства (фотоефекат, Комптонов ефекат…). На овај начин таласна (електромагнетна) и корпускуларна (квантна) теорија не искључују једна другу, већ се допуњавају, чиме је изражено дуалистичко (двојно) својство светлости. На њему је заснована дуалистича теорија светлости.

Луј Де Брољ је (1924) изнео претпоставку да дуализам није особина само оптичких појава, већ је универзално својство материје. Све корпускуларне честице поседују и таласна својства.

Корпускуларна и таласна својства светлости повезана су формулама за енергију и импулс фотона. Енергија и импулс су величине које описују особине честица, а фреквенција (таласна дужина) је величина којом се описују особине таласа.

Формула за енергију кванта

E=hf           E=\frac{hc}{\lambda}

повезује честичне и таласне особине електромагнетних таласа. Енергија представља честично, а фреквенција својство електромагнетних таласа.

На великим таласним дужинама (малим фреквенцијама) енергије фотона су мале (реда еV). Појединачни фотони немају довољно енергије да би изазвали неки од описаних ефеката (пример: фотоефекат, Комптонов ефекат…). У овим областима (дуготаласне области – радио таласи, микроталасу, далеко инфрацрвено зрачење) доминирају таласна својства зрачења. У овим областима за објашњавање појава може да се користи Максвелова електродинамика.

На веома малим таласним дужинама (врло високим фреквенцијама) енергије појединачних фотона су веома велике (реда МеV). У том случају сваки појединачни фотон може да изазове описане процесе (пример: фотоефекат, Комптонов ефекат…). У овим областима (Х-зрачење, гама зрачење) таласни карактер зрачења се практично не манифестује, доминира честични карактер зрачења. За објашњавање појава у овим областима користи се квантна електродинамика, теорија која је формулисана током тридесетих и четрдесетих година прошлог века.

У области видљиве светлости, која се налази између наведених области, манифестује се двострука природа зрачења. У овој области узимају се у обзир оба својства светлости. Ефекти таласне оптике, дифракција и интерференција, указују на таласну природу светлости, док фотоефекат и Комптонов ефекат, указују на честичну природу.

Са повећањем фреквенције електромагнетног зрачења повећава се енергија фотона, па се јаче испољавају честична својства. Што је фреквенција нижа (таласна дужина већа), енергија фотона је мања, па више долазе до изражаја таласна својства.

 

 

 

Комптонов ефекат Квантна природа електромагнетног зрачења