Korpuskularno-talasni dualizam svetlosti

KORPUSKULARNO-TALASNI DUALIZAM SVETLOSTI
Šta je svetlost, talas ili mlaz čestica (korpuskula) - fotona?
Shvatanja o prirodi svetlosti značajno su se menjala sa razvojem nauke. Eksperimentalni rezultati, koji su bili u suprotnosti sa saznanjima o prirodi svetlosti, su uticali da se ta saznanja promene.
Krajem 17. veka formirane dve teorije:
korpuskularna teorija (Isak Njutn)
talasna teorija (Kristijan Hajgens)
Korpuskularna teorija svetlosti
Isak Njutn je postavio (1672.) teoriju, po kojoj svetlost predstavlja protok veoma malih i veoma brzih čestica – korpuskula koje emituje izvor svetlosti. Ove čestice su elastične i kroz prostor se kreću pravolinijski velikom brzinom. Kretanje ovih čestica podleže zakonima klasične mehanike.
Prema ovoj teoriji, svetlosni izvor šalje čestice na sve strane i kada dopru do oko čoveka izazivaju osećaj posmatrane slike. Odbijanje svetlosti se tumačilo na isti način kao i odbijanje elastičnih loptica od čvrste i ravne podloge. Različite boje svetlosti objašnjavane su postojanjem čestica različitih veličina. Najveće čestice izazivaju osećaj crvene, a najmanje osećaj ljubičaste boje.
Ova teorija nije mogla da objasni zašto ne dolazi do međusobnog dejstva dva svetlosna zraka koji se ukrštaju.
Talasna teorija svetlosti
Skoro u isto vreme (1690.) holandski naučnik Kristijan Hajgens je postavio teoriju, koja je negirala Njutnovu teoriju. Hajgens je tvrdio da svetlost predstavlja talas (u početku se smatralo da su longitudinalni talasi, kao i zvučni, kasnije je zbog polarizacije zaključeno da se radi o transverzalnim talasima).
Da bi objasnio prostiranje svetlosti u vakuumu Hajgens je pretpostavio postojanje sredine koja prenosi svetlost, a koju je nazvao etar (zamišljena kao bestežinska supstanca koja ispunjava celokupan prostor pa i međuplanetarni prostor).
Odbijanje svetlosti je objašnjavao kao i odbijanje svakog drugog talasa. Različite boje svetlosti je objašnjavao postojanjem talasa različitih talasnih dužina.
Talasna priroda svetlosti je potvrđena interferencijom, difrakcijom i polarizacijom svetlosti.
Ove teorije su paralelno postojale sve do početka 19. veka. Talasna teorija svetlosti postaje dominantna sredinom 19. veka jer su mnogi eksperimenti potvrdili talasnu prirodu svetlosti (interferencija, difrakcija i polarizacija svetlosti – pojave svojstvene samo talasima). Naime, posle eksperimenata Janga i Frenela u kojima je nedvosmisleno potvrđena interferencija i difrakcija svetlosti, prevagu je odnela talasna teorija.
U drugoj polovini 19. veka (1863. godine) Maksvel je postavio elektromagnetnu teoriju – teorijski dokazao da u prirodi postoje elektromagnetni talasi koji se kroz vakuum prostiru brzinom svetlosti – postalo je jasno da svetlost predstavlja elektromagnetni talas. Ovo tvrđenje je eksperimentalno dokazano pomoću interferencije svetlosti (Hajnrih Herc – 1888. i Petar Lebedev – 1895.)
Dalja ispitivanja su pokazala da svetlost ima iste osobine kao i elektromagnetni talasi i da je među njima jedina razlika u talasnoj dužini. Talasna dužina svetlosti je znatno manja.
Nezavisno od velikog uspeha elektromagnetne teorije svetlosti krajem 19. veka nastao je problem prilikom pokušaja da se teorijski objasne eksperimentalno dobijeni podaci koji se odnose na zračenje crnog tela, kao i pri objašnjavanju fotoelektričnog efekta.
Radovi Maksa Planka na neki način predstavljaju vraćanje na korpuskularnu teoriju svetlosti. Maks Plank je 1900. godine je uveo pretpostavku da se elektromagnetno zračenje emituje u obliku odvojenih količina (porcija) energije – kvanta energije. Znači energija se emituje diskontinualno, sa prekidima, u paketima energije. (kvant – upoređenje - meci iz mitraljeza – između svakog postoji izvestan razmak).
1905. godine Ajnštajn dokazuje Plankovu hipotezu o kvantima uspešno ih primenivši na objašnjenje fotoefekta. Pritom je Ajnštajn proširio Plankovu hipotezu u smislu da se energija elektromagnetnog zračenja ne samo emituje u vidu kvanata, već da se tako i prenosi i na kraju apsorbuje u nekoj prepreci kada je pogodi. Umesto Plankovog naziva – kvanti (porcije), Ajnštajn je predložio naziv – fotoni (delići svetlosti).
Kvanti se ne zamišljaju kao mehaničke čestice, već kao fotoni svetlosti, koje prvenstveno karakteriše energije kojom raspolažu.
Ajnštajn je dokazao da svakom fotonu svetlosti odgovara određena masa, impuls i energija. Ako ima masu i impuls foton mora da vrši pritisak na nepokretnu prepreku na koju naiđe, tj. svetlost bi trebalo da vrši pritisak na prepreku na koju pada. Upravo tako je i izvršena eksperimentalna provera. Ovo je bila potvrda ideje da fotoni imaju čestične osobine, odnosno potvrda korpuskularne teorije. Ovo je kvantna teorija svetlosti kojom su objašnjene pojave toplotnog zračenja, foto i Komptonovog efekta.
Proučavanje optičkih pojava pokazalo je dualističku prirodu svetlosi. Tako je nastao poznati dualizam talas-čestica. Po savremenim shvatanjima, svetlost je složeni elektromagnetni proces koji ima kako talasna tako i korpuskularna (čestična) svojstva.
U nekim pojavama svetlost ispoljava talasna svojstva (interferencija, difrakcija, polarizacija), a u drugim korpuskularna (čestična) svojstva (fotoefekat, Komptonov efekat...). Na ovaj način talasna (elektromagnetna) i korpuskularna (kvantna) teorija ne isključuju jedna drugu, već se dopunjavaju, čime je izraženo dualističko (dvojno) svojstvo svetlosti. Na njemu je zasnovana dualističa teorija svetlosti.
Luj De Brolj je (1924) izneo pretpostavku da dualizam nije osobina samo optičkih pojava, već je univerzalno svojstvo materije. Sve korpuskularne čestice poseduju i talasna svojstva.
Korpuskularna i talasna svojstva svetlosti povezana su formulama za energiju i impuls fotona. Energija i impuls su veličine koje opisuju osobine čestica, a frekvencija (talasna dužina) je veličina kojom se opisuju osobine talasa.
Formula za energiju kvanta
povezuje čestične i talasne osobine elektromagnetnih talasa. Energija predstavlja čestično, a frekvencija svojstvo elektromagnetnih talasa.
Na velikim talasnim dužinama (malim frekvencijama) energije fotona su male (reda eV). Pojedinačni fotoni nemaju dovoljno energije da bi izazvali neki od opisanih efekata (primer: fotoefekat, Komptonov efekat...). U ovim oblastima (dugotalasne oblasti – radio talasi, mikrotalasu, daleko infracrveno zračenje) dominiraju talasna svojstva zračenja. U ovim oblastima za objašnjavanje pojava može da se koristi Maksvelova elektrodinamika.
Na veoma malim talasnim dužinama (vrlo visokim frekvencijama) energije pojedinačnih fotona su veoma velike (reda MeV). U tom slučaju svaki pojedinačni foton može da izazove opisane procese (primer: fotoefekat, Komptonov efekat...). U ovim oblastima (H-zračenje, gama zračenje) talasni karakter zračenja se praktično ne manifestuje, dominira čestični karakter zračenja. Za objašnjavanje pojava u ovim oblastima koristi se kvantna elektrodinamika, teorija koja je formulisana tokom tridesetih i četrdesetih godina prošlog veka.
U oblasti vidljive svetlosti, koja se nalazi između navedenih oblasti, manifestuje se dvostruka priroda zračenja. U ovoj oblasti uzimaju se u obzir oba svojstva svetlosti. Efekti talasne optike, difrakcija i interferencija, ukazuju na talasnu prirodu svetlosti, dok fotoefekat i Komptonov efekat, ukazuju na čestičnu prirodu.
Sa povećanjem frekvencije elektromagnetnog zračenja povećava se energija fotona, pa se jače ispoljavaju čestična svojstva. Što je frekvencija niža (talasna dužina veća), energija fotona je manja, pa više dolaze do izražaja talasna svojstva.
čestične osobine:
|
talasne osobine:
|
čestica ima masu m
|
talas ima talasnu dužinu
|
kada se kreće čestica ima impuls
|
difrakcija
|
pri sudaru sa nepokretnom preprekom čestica vrši pritisak na nju
|
pri susretu – dva koherentna talasa vrše interferenciju
|
|