Nuru ni nini? Swali hili linavutia ubinadamu katika vizazi vyote, lakini tu katika karne ya 20 ya enzi yetu iliwezekana kufafanua mengi juu ya asili ya jambo hili. Makala haya yataangazia nadharia shirikishi ya mwanga, faida na hasara zake.
Kutoka kwa wanafalsafa wa kale hadi kwa Christian Huygens na Isaac Newton
Baadhi ya ushahidi ambao umesalia hadi wakati wetu unasema kwamba watu walianza kupendezwa na asili ya mwanga katika Misri ya kale na Ugiriki ya kale. Mwanzoni iliaminika kuwa vitu hutoa picha zao wenyewe. Mwisho, ukiingia kwenye jicho la mwanadamu, huunda taswira ya mwonekano wa vitu.
Kisha, wakati wa malezi ya mawazo ya kifalsafa huko Ugiriki, nadharia mpya ya Aristotle ilitokea, ambayo iliamini kwamba kila mtu hutoa miale kutoka kwa macho, shukrani ambayo anaweza "kuhisi" vitu.
Enzi za Kati hazikuleta uwazi wowote kwa suala lililozingatiwa, mafanikio mapya yalikuja tu na Renaissance na mapinduzi ya sayansi. Hasa, katika nusu ya pili ya karne ya 17, nadharia mbili za kinyume kabisa zilionekana, ambazo zilitakakueleza matukio yanayohusiana na mwanga. Tunazungumza juu ya nadharia ya wimbi la Christian Huygens na nadharia ya ushirika ya Isaac Newton.
Licha ya mafanikio kadhaa ya nadharia ya wimbi, bado ilikuwa na kasoro kadhaa muhimu:
- aliamini kwamba nuru ilienea katika etha, ambayo haikuwahi kugunduliwa na mtu yeyote;
- asili ya mvuke ya mawimbi ilimaanisha kwamba etha lazima iwe kati imara.
Kwa kuzingatia mapungufu haya, na pia kutokana na mamlaka makubwa ya Newton wakati huo, nadharia ya chembe chembe-corpuscles ilikubaliwa kwa kauli moja katika mzunguko wa wanasayansi.
Kiini cha nadharia shirikishi ya mwanga
Wazo la Newton ni rahisi iwezekanavyo: ikiwa miili na michakato yote inayotuzunguka inafafanuliwa na sheria za mechanics ya kitambo, ambayo miili yenye ukomo hushiriki, basi mwanga pia ni chembe ndogo au corpuscles. Wanasonga angani kwa kasi fulani, ikiwa wanakutana na kikwazo, wanaonyeshwa kutoka kwake. Mwisho, kwa mfano, unaelezea kuwepo kwa kivuli kwenye kitu. Mawazo haya kuhusu mwanga yalidumu hadi mwanzoni mwa karne ya 19, yaani, takriban miaka 150.
Inafurahisha kutambua kwamba Lomonosov alitumia nadharia ya Newtonian corpuscular katikati ya karne ya 18 kuelezea tabia ya gesi, ambayo imeelezwa katika kazi yake "Elements of Hisabati Kemia". Lomonosov alizingatia kuwa gesi inaundwa na chembe za corpuscle.
Nadharia ya Newton ilieleza nini?
Mawazo yaliyoainishwa kuhusu mwanga uliofanywahatua kubwa katika kuelewa asili yake. Nadharia ya Newton ya corpuscles iliweza kueleza matukio yafuatayo:
- Uenezi wa mstatili wa mwanga katika hali ya usawa. Hakika, ikiwa hakuna nguvu za nje zinazofanya kazi kwenye mzunguko wa mwanga unaosonga, basi hali yake inafafanuliwa kwa mafanikio na sheria ya kwanza ya Newtonian ya mechanics ya kitambo.
- Hali ya kutafakari. Kugonga kiolesura kati ya vyombo viwili vya habari, corpuscle hupata mgongano wa kunyumbulika kabisa, kama matokeo ambayo moduli yake ya kasi huhifadhiwa, na yenyewe inaakisiwa kwa pembe sawa na angle ya tukio.
- Hali ya mwonekano. Newton aliamini kuwa kupenya ndani ya katikati mnene kutoka kwa mnene kidogo (kwa mfano, kutoka hewa hadi maji), mwili huharakisha kwa sababu ya mvuto wa molekuli za kati mnene. Uongezaji kasi huu husababisha mabadiliko katika mwelekeo wake karibu na ule wa kawaida, yaani, athari ya kinzani huzingatiwa.
- Kuwepo kwa maua. Muundaji wa nadharia hiyo aliamini kwamba kila rangi inayotazamwa inalingana na ubao wake wa "rangi".
Matatizo ya nadharia iliyotajwa na kurudi kwa wazo la Huygens
Zilianza kujitokeza wakati madoido mapya yanayohusiana na mwanga yalipogunduliwa. Ya kuu ni diffraction (kupotoka kutoka kwa uenezi wa rectilinear wa mwanga wakati boriti inapita kupitia mwako) na kuingiliwa (jambo la pete za Newton). Pamoja na ugunduzi wa sifa hizi za mwanga, wanafizikia katika karne ya 19 walianza kukumbuka kazi ya Huygens.
Katika karne hiyohiyo ya 19, Faraday na Lenz walichunguza sifa za uga wa umeme (sumaku), naMaxwell alifanya mahesabu yanayolingana. Kwa sababu hiyo, ilithibitishwa kuwa mwanga ni wimbi linalopitisha sumakuumeme, ambalo halihitaji etha kwa kuwepo kwake, kwa kuwa sehemu zinazoiunda huzalishana katika mchakato wa uenezi.
Ugunduzi mpya unaohusiana na mwanga na wazo la Max Planck
Inaonekana kuwa nadharia ya ushirika wa Newton tayari imezikwa kabisa, lakini mwanzoni mwa karne ya 20 matokeo mapya yanaonekana: inabadilika kuwa mwanga unaweza "kutoa" elektroni kutoka kwa maada na kutoa shinikizo kwa miili wakati huanguka juu yao. Matukio haya, ambayo wigo usioeleweka wa mwili mweusi uliongezwa, nadharia ya wimbi iligeuka kuwa haina uwezo wa kuelezea.
Suluhisho lilipatikana na Max Planck. Alipendekeza kwamba nuru iingiliane na atomi za maada kwa namna ya sehemu ndogo, ambazo aliziita fotoni. Nishati ya fotoni inaweza kubainishwa na fomula:
E=hv.
Ambapo v - masafa ya fotoni, h - ya Planck isiyobadilika. Max Planck, kutokana na wazo hili la mwanga, aliweka msingi wa ukuzaji wa mechanics ya quantum.
Kwa kutumia wazo la Planck, Albert Einstein anaelezea hali ya athari ya picha ya umeme mwaka wa 1905, Niels Bohr - mwaka wa 1912 anatoa mantiki ya utoaji wa atomiki na mwonekano wa kunyonya, na Compton - mwaka wa 1922 anagundua athari ambayo sasa ina jina lake. Kwa kuongezea, nadharia ya uhusiano iliyositawishwa na Einstein ilieleza dhima ya uvutano katika kupotoka kutoka kwa uenezi wa mstari wa miale ya mwanga.
Hivyo, kazi ya wanasayansi hawa wa mwanzoni mwa karne ya 20 ilifufua mawazo ya Newton kuhusumwanga katika karne ya 17.
Nadharia ya mawimbi ya corpuscular ya mwanga
Nuru ni nini? Ni chembe au wimbi? Wakati wa uenezi wake, iwe katika nafasi ya kati au isiyo na hewa, mwanga huonyesha mali ya wimbi. Wakati mwingiliano wake na maada unazingatiwa, hufanya kama chembe ya nyenzo. Kwa hiyo, kwa sasa, kwa heshima ya mwanga, ni desturi ya kuzungumza juu ya uwili wa mali zake, ambazo zinaelezwa ndani ya mfumo wa nadharia ya corpuscular-wave.
Chembe ya mwanga - fotoni haina chaji wala uzito wakati wa kupumzika. Tabia yake kuu ni nishati (au frequency, ambayo ni kitu kimoja, ikiwa unazingatia usemi hapo juu). Photon ni kitu cha mitambo cha quantum, kama chembe yoyote ya msingi (elektroni, protoni, neutroni), kwa hivyo ina kasi, kana kwamba ni chembe, lakini haiwezi kuwekwa ndani (amua kuratibu kamili), kana kwamba ni wimbi.
