ما هو الضوء؟ لقد اهتم هذا السؤال بالإنسانية في جميع الأعمار ، ولكن فقط في القرن العشرين من عصرنا كان من الممكن توضيح الكثير عن طبيعة هذه الظاهرة. ستركز هذه المقالة على النظرية الجسيمية للضوء ومزاياها وعيوبها.
من الفلاسفة القدامى إلى كريستيان هيغنز وإسحاق نيوتن
بعض الأدلة التي نجت حتى عصرنا تقول أن الناس بدأوا يهتمون بطبيعة الضوء في مصر القديمة واليونان القديمة. في البداية كان يعتقد أن الأشياء تنبعث منها صوراً لنفسها. هذا الأخير ، الذي يدخل العين البشرية ، يخلق انطباعًا عن رؤية الأشياء.
ثم ، أثناء تشكيل الفكر الفلسفي في اليونان ، ظهرت نظرية جديدة لأرسطو ، يعتقد أن كل شخص يبعث بعض الأشعة من عينيه ، وبفضلها يمكنه "الشعور" بالأشياء.
لم تجلب العصور الوسطى أي وضوح للقضية قيد النظر ، ولم تأت الإنجازات الجديدة إلا مع عصر النهضة والثورة في العلوم. على وجه الخصوص ، في النصف الثاني من القرن السابع عشر ، ظهرت نظريتان متعارضتان تمامًا ، سعت إلى ذلكشرح الظواهر المرتبطة بالضوء. نحن نتحدث عن نظرية الموجة لكريستيان هيغنز ونظرية الجسيمات لإسحاق نيوتن.
على الرغم من بعض النجاحات التي حققتها نظرية الموجة ، إلا أنها لا تزال تعاني من عدد من أوجه القصور المهمة:
- يعتقد أن الضوء ينتشر في الأثير ، وهو ما لم يكتشفه أحد ؛
- الطبيعة العرضية للأمواج تعني أن الأثير يجب أن يكون وسيطًا صلبًا.
مع الأخذ في الاعتبار أوجه القصور هذه ، وأيضًا نظرًا للسلطة الهائلة لنيوتن في ذلك الوقت ، تم قبول نظرية الجسيمات-الجسيمات بالإجماع في دائرة العلماء.
جوهر النظرية الجسيمية للضوء
فكرة نيوتن بسيطة قدر الإمكان: إذا تم وصف جميع الأجسام والعمليات من حولنا بواسطة قوانين الميكانيكا الكلاسيكية ، والتي تشارك فيها أجسام ذات كتلة محدودة ، فإن الضوء أيضًا عبارة عن جزيئات صغيرة أو جسيمات. إنهم يتحركون في الفضاء بسرعة معينة ، إذا واجهوا عقبة ، فإنهم ينعكسون عليها. هذا الأخير ، على سبيل المثال ، يشرح وجود ظل على كائن. استمرت هذه الأفكار حول الضوء حتى بداية القرن التاسع عشر ، أي حوالي 150 عامًا.
من المثير للاهتمام ملاحظة أن لومونوسوف استخدم نظرية الجسيمات النيوتونية في منتصف القرن الثامن عشر لشرح سلوك الغازات ، والتي تم وصفها في عمله "عناصر الكيمياء الرياضية". اعتبر لومونوسوف أن الغاز يتكون من جزيئات جسمية.
ماذا فسرت النظرية النيوتونية؟
الأفكار المحددة حول الضوء مصنوعةخطوة كبيرة في فهم طبيعتها. تمكنت نظرية نيوتن عن الجسيمات من تفسير الظواهر التالية:
- الانتشار المستقيم للضوء في وسط متجانس. في الواقع ، إذا لم تكن هناك قوى خارجية تعمل على جسم متحرك من الضوء ، فسيتم وصف حالتها بنجاح بواسطة القانون النيوتوني الأول للميكانيكا الكلاسيكية.
- ظاهرة الانعكاس. عند ضرب الواجهة بين وسيطين ، يتعرض الجسم لتصادم مرن تمامًا ، ونتيجة لذلك يتم الحفاظ على معامل الزخم الخاص به ، وينعكس هو نفسه بزاوية تساوي زاوية السقوط.
- ظاهرة الانكسار. اعتقد نيوتن أن اختراق وسط أكثر كثافة من وسط أقل كثافة (على سبيل المثال ، من الهواء إلى الماء) ، يتسارع الجسم بسبب جاذبية جزيئات الوسط الكثيف. يؤدي هذا التسارع إلى تغيير مساره أقرب إلى الطبيعي ، أي ملاحظة تأثير الانكسار.
- وجود الزهور. يعتقد مبتكر النظرية أن كل لون تمت ملاحظته يتوافق مع جسيم "اللون" الخاص به.
مشاكل النظرية المذكورة والعودة إلى فكرة Huygens
بدأوا في الظهور عندما تم اكتشاف تأثيرات جديدة متعلقة بالضوء. أهمها الانعراج (الانحراف عن الانتشار المستقيم للضوء عندما تمر الحزمة عبر شق) والتداخل (ظاهرة حلقات نيوتن). مع اكتشاف خصائص الضوء هذه ، بدأ الفيزيائيون في القرن التاسع عشر في تذكر عمل Huygens.
في نفس القرن التاسع عشر ، بحث فاراداي ولينز في خصائص الحقول الكهربائية (المغناطيسية) المتناوبة ، وأجرى ماكسويل الحسابات المقابلة. نتيجة لذلك ، ثبت أن الضوء عبارة عن موجة عرضية كهرومغناطيسية ، والتي لا تتطلب الأثير لوجودها ، لأن الحقول التي تشكلها تولد بعضها البعض في عملية الانتشار.
اكتشافات جديدة متعلقة بالضوء وفكرة ماكس بلانك
يبدو أن نظرية الجسيمات لنيوتن قد دُفنت بالكامل بالفعل ، ولكن في بداية القرن العشرين ظهرت نتائج جديدة: اتضح أن الضوء يمكن أن "يسحب" الإلكترونات من المادة ويمارس ضغطًا على الأجسام عندما يقع عليهم. هذه الظواهر ، التي أضيف إليها طيف غير مفهوم لجسم أسود ، تبين أن نظرية الموجة غير قادرة على تفسيرها.
تم إيجاد الحل بواسطة ماكس بلانك. اقترح أن الضوء يتفاعل مع ذرات المادة في شكل أجزاء صغيرة ، وهو ما أطلق عليه الفوتونات. يمكن تحديد طاقة الفوتون بالصيغة:
E=hv.
أين ت - تردد الفوتون ، ح - ثابت بلانك. وضع ماكس بلانك ، بفضل فكرة الضوء هذه ، الأساس لتطوير ميكانيكا الكم.
باستخدام فكرة بلانك ، شرح ألبرت أينشتاين ظاهرة التأثير الكهروضوئي في عام 1905 ، وقدم نيلز بور - في عام 1912 الأساس المنطقي للانبعاثات الذرية وأطياف الامتصاص ، واكتشف كومبتون في عام 1922 التأثير الذي يحمل اسمه الآن. بالإضافة إلى ذلك ، أوضحت نظرية النسبية التي طورها أينشتاين دور الجاذبية في الانحراف عن الانتشار الخطي لشعاع من الضوء.
وهكذا ، أعاد عمل هؤلاء العلماء في أوائل القرن العشرين إحياء أفكار نيوتنضوء في القرن السابع عشر.
نظرية الموجة الجسدية للضوء
ما هو الضوء؟ هل هو جسيم أم موجة؟ أثناء انتشاره ، سواء في وسط أو في الفضاء الخالي من الهواء ، يعرض الضوء خصائص الموجة. عندما يتم النظر في تفاعلاتها مع المادة ، فإنها تتصرف مثل الجسيمات المادية. لذلك ، في الوقت الحاضر ، فيما يتعلق بالضوء ، من المعتاد الحديث عن ثنائية خصائصه ، والتي يتم وصفها في إطار نظرية الموجة الجسدية.
جسيم من الضوء - الفوتون ليس له شحنة ولا كتلة عند السكون. السمة الرئيسية لها هي الطاقة (أو التردد ، وهو نفس الشيء ، إذا انتبهت للتعبير أعلاه). الفوتون هو كائن ميكانيكي كمي ، مثل أي جسيم أولي (إلكترون ، بروتون ، نيوترون) ، لذلك فهو يمتلك زخمًا ، كما لو كان جسيمًا ، لكن لا يمكن تحديد موقعه (حدد الإحداثيات الدقيقة) ، كما لو كان موجة
