نور چیست؟ این سؤال بشریت را در همه اعصار مورد توجه قرار داده است، اما تنها در قرن بیستم عصر ما می‌توان چیزهای زیادی در مورد ماهیت این پدیده روشن کرد. این مقاله بر روی نظریه جسمی نور، مزایا و معایب آن تمرکز خواهد کرد.
از فیلسوفان باستان تا کریستین هویگنس و اسحاق نیوتن
برخی از شواهدی که تا زمان ما باقی مانده است می گوید که علاقه مردم به طبیعت نور در مصر باستان و یونان باستان آغاز شد. در ابتدا اعتقاد بر این بود که اشیاء تصاویری از خود منتشر می کنند. دومی، با وارد شدن به چشم انسان، تصوری از دید اجسام ایجاد می کند.
سپس در جریان شکل گیری تفکر فلسفی در یونان، نظریه جدیدی از ارسطو ظاهر شد که معتقد بود هر فردی از چشمان پرتوهایی ساطع می کند که به لطف آنها می تواند اشیاء را "احساس" کند.
قرون وسطی هیچ شفافیتی برای موضوع مورد بررسی نداشت، دستاوردهای جدید تنها با رنسانس و انقلاب در علم به دست آمد. به ویژه، در نیمه دوم قرن هفدهم، دو نظریه کاملا متضاد ظاهر شد که در پیپدیده های مرتبط با نور را توضیح دهد. ما در مورد نظریه موج کریستین هویگنس و نظریه جسمی آیزاک نیوتن صحبت می کنیم.
علیرغم برخی موفقیت های تئوری موج، هنوز هم تعدادی کاستی مهم داشت:
- معتقد بود که نور در اتر منتشر می شود که هرگز توسط کسی کشف نشد؛
- ماهیت عرضی امواج به این معنی است که اتر باید یک محیط جامد باشد.
با در نظر گرفتن این کاستی ها و همچنین با توجه به اقتدار عظیم نیوتن در آن زمان، نظریه ذرات - ذرات به اتفاق آرا در حلقه دانشمندان پذیرفته شد.
جوهر نظریه جسمی نور
ایده نیوتن تا حد امکان ساده است: اگر تمام اجسام و فرآیندهای اطراف ما با قوانین مکانیک کلاسیک توصیف شوند که اجسام با جرم محدود در آن شرکت می کنند، نور نیز ذرات یا ذرات کوچک است. آنها با سرعت معینی در فضا حرکت می کنند، اگر به مانعی برخورد کنند، از آن منعکس می شوند. برای مثال دومی وجود سایه روی یک شی را توضیح می دهد. این عقاید در مورد نور تا آغاز قرن نوزدهم، یعنی حدود 150 سال ادامه داشت.
جالب است بدانید که لومونوسوف در اواسط قرن هجدهم از نظریه جسمانی نیوتنی برای توضیح رفتار گازها استفاده کرد که در کار او "عناصر شیمی ریاضی" توضیح داده شده است. لومونوسوف گاز را متشکل از ذرات جسمی می دانست.
نظریه نیوتنی چه چیزی را توضیح داد؟
ایده های مطرح شده درباره نور ساخته شده استگامی بزرگ در درک ماهیت آن. نظریه اجسام نیوتن توانست پدیده های زیر را توضیح دهد:
- انتشار مستقیم نور در محیط همگن. در واقع، اگر هیچ نیروی خارجی بر روی یک جسم متحرک از نور وارد نشود، وضعیت آن با موفقیت توسط اولین قانون نیوتنی مکانیک کلاسیک توصیف می‌شود.
- پدیده بازتاب. با برخورد به سطح مشترک بین دو رسانه، جسم یک برخورد کاملاً الاستیک را تجربه می کند که در نتیجه مدول تکانه آن حفظ می شود و خود در زاویه ای برابر با زاویه برخورد منعکس می شود.
- پدیده انکسار. نیوتن معتقد بود که با نفوذ به یک محیط چگال تر از یک محیط کم تر (مثلاً از هوا به آب)، جسم به دلیل جاذبه مولکول های محیط متراکم شتاب می گیرد. این شتاب منجر به تغییر مسیر آن به حالت عادی می شود، یعنی اثر شکست مشاهده می شود.
- وجود گلها. خالق این تئوری معتقد بود که هر رنگ مشاهده شده با جسم "رنگ" خود مطابقت دارد.
مشکلات نظریه بیان شده و بازگشت به ایده هویگنس
زمانی که اثرات جدید مرتبط با نور کشف شد، شروع به ظهور کردند. اصلی ترین آنها پراش (انحراف از انتشار مستطیلی نور هنگام عبور پرتو از شکاف) و تداخل (پدیده حلقه های نیوتن) هستند. با کشف این خواص نور، فیزیکدانان در قرن نوزدهم شروع به یادآوری کار هویگنس کردند.
در همان قرن نوزدهم، فارادی و لنز خواص میدان‌های الکتریکی (مغناطیسی) متناوب را بررسی کردند.ماکسول محاسبات مربوطه را انجام داد. در نتیجه ثابت شد که نور یک موج عرضی الکترومغناطیسی است که برای وجودش نیازی به اتر نیست، زیرا میدان‌هایی که آن را تشکیل می‌دهند در فرآیند انتشار یکدیگر را تولید می‌کنند.
اکتشافات جدید مرتبط با نور و ایده ماکس پلانک
به نظر می رسد که نظریه جسمی نیوتن قبلاً به طور کامل مدفون شده است، اما در آغاز قرن بیستم نتایج جدیدی ظاهر می شود: معلوم می شود که نور می تواند الکترون ها را از ماده "بیرون بکشد" و هنگامی که اجسام را تحت فشار قرار دهد. بر آنها می افتد. این پدیده‌ها، که طیف غیرقابل درک جسم سیاهی به آنها اضافه شد، نظریه موج در توضیح آن ناتوان بود.
راه حل توسط ماکس پلانک پیدا شد. او پیشنهاد کرد که نور با اتم‌های ماده به شکل بخش‌های کوچکی که فوتون نامیده می‌شود، برهمکنش می‌کند. انرژی فوتون را می توان با فرمول تعیین کرد:
E=hv.
جایی که v - فرکانس فوتون، h - ثابت پلانک. ماکس پلانک، به لطف این ایده از نور، پایه و اساس توسعه مکانیک کوانتومی را گذاشت.
با استفاده از ایده پلانک، آلبرت انیشتین پدیده اثر فوتوالکتریک را در سال 1905 توضیح می دهد، نیلز بور - در سال 1912 منطقی برای طیف های گسیل و جذب اتمی ارائه می دهد، و کامپتون - در سال 1922 اثری را کشف می کند که اکنون نام او را دارد. علاوه بر این، نظریه نسبیت توسعه یافته توسط انیشتین نقش گرانش را در انحراف از انتشار خطی یک پرتو نور توضیح داد.
بنابراین، کار این دانشمندان اوایل قرن بیستم ایده های نیوتن را در موردنور در قرن هفدهم.
نظریه موج جسمی نور
نور چیست؟ ذره است یا موج؟ نور در طول انتشار خود، چه در یک فضای متوسط و چه در فضای بدون هوا، ویژگی های یک موج را از خود نشان می دهد. هنگامی که برهمکنش آن با ماده در نظر گرفته می شود، مانند یک ذره مادی رفتار می کند. بنابراین، در حال حاضر، با توجه به نور، مرسوم است که در مورد دوگانگی ویژگی های آن صحبت شود، که در چارچوب نظریه موج جسمی توضیح داده شده است.
یک ذره نور - فوتون در حالت سکون نه بار دارد و نه جرم. مشخصه اصلی آن انرژی است (یا فرکانس که اگر به عبارت بالا دقت کنید همین است). فوتون یک جسم مکانیکی کوانتومی است، مانند هر ذره بنیادی (الکترون، پروتون، نوترون)، بنابراین یک تکانه دارد، گویی یک ذره است، اما نمی توان آن را محلی کرد (مختصات دقیق را تعیین کرد)، گویی یک ذره است. موج.
