Cos'è la luce? Questa domanda ha interessato l'umanità di tutte le epoche, ma solo nel XX secolo della nostra era è stato possibile chiarire molto sulla natura di questo fenomeno. Questo articolo si concentrerà sulla teoria corpuscolare della luce, sui suoi vantaggi e svantaggi.
Dai filosofi antichi a Christian Huygens e Isaac Newton
Alcune prove sopravvissute fino ai nostri giorni dicono che le persone iniziarono a interessarsi alla natura della luce nell'antico Egitto e nell'antica Grecia. All'inizio si credeva che gli oggetti emettessero immagini di se stessi. Quest'ultimo, entrando nell'occhio umano, crea l'impressione della visibilità degli oggetti.
Poi, durante la formazione del pensiero filosofico in Grecia, apparve una nuova teoria di Aristotele, il quale credeva che ogni persona emettesse dei raggi dagli occhi, grazie ai quali può "sentire" gli oggetti.
Il Medioevo non ha portato alcuna chiarezza sulla questione in esame, nuove conquiste sono arrivate solo con il Rinascimento e la rivoluzione scientifica. In particolare, nella seconda metà del 17° secolo, apparvero due teorie completamente opposte, che cercavano di farlospiegare i fenomeni associati alla luce. Stiamo parlando della teoria ondulatoria di Christian Huygens e della teoria corpuscolare di Isaac Newton.
Nonostante alcuni successi della teoria ondulatoria, presentava ancora una serie di importanti carenze:
- credevano che la luce si propagasse nell'etere, cosa che non fu mai scoperta da nessuno;
- la natura trasversale delle onde significava che l'etere doveva essere un mezzo solido.
Tenendo conto di queste carenze, e data anche l'enorme autorità di Newton in quel momento, la teoria delle particelle-corpuscoli fu accettata all'unanimità nella cerchia degli scienziati.
L'essenza della teoria corpuscolare della luce
L'idea di Newton è la più semplice possibile: se tutti i corpi ei processi intorno a noi sono descritti dalle leggi della meccanica classica, a cui partecipano corpi di massa finita, allora anche la luce è piccole particelle o corpuscoli. Si muovono nello spazio a una certa velocità, se incontrano un ostacolo vengono riflessi da esso. Quest'ultimo, ad esempio, spiega l'esistenza di un'ombra su un oggetto. Queste idee sulla luce sono durate fino all'inizio del 19° secolo, cioè circa 150 anni.
È interessante notare che Lomonosov usò la teoria corpuscolare newtoniana a metà del 18° secolo per spiegare il comportamento dei gas, che è descritto nella sua opera "Elements of Mathematical Chemistry". Lomonosov considerava il gas composto da particelle di corpuscoli.
Cosa spiegava la teoria newtoniana?
Le idee delineate sulla luce sono state realizzateun grande passo avanti nella comprensione della sua natura. La teoria dei corpuscoli di Newton è stata in grado di spiegare i seguenti fenomeni:
- Propagazione rettilinea della luce in un mezzo omogeneo. Infatti, se nessuna forza esterna agisce su un corpuscolo di luce in movimento, allora il suo stato è descritto con successo dalla prima legge newtoniana della meccanica classica.
- Il fenomeno della riflessione. Colpendo l'interfaccia tra due mezzi, il corpuscolo subisce una collisione assolutamente elastica, a seguito della quale il suo modulo di quantità di moto viene preservato, ed esso stesso viene riflesso con un angolo uguale all'angolo di incidenza.
- Il fenomeno della rifrazione. Newton credeva che penetrando in un mezzo più denso da uno meno denso (ad esempio, dall'aria all'acqua), il corpuscolo accelera a causa dell'attrazione delle molecole del mezzo denso. Questa accelerazione porta a un cambiamento nella sua traiettoria più vicino alla normale, cioè si osserva un effetto di rifrazione.
- L'esistenza dei fiori. Il creatore della teoria credeva che ogni colore osservato corrispondesse al proprio corpuscolo "colore".
Problemi della teoria dichiarata e ritorno all'idea di Huygens
Hanno cominciato ad emergere quando sono stati scoperti nuovi effetti legati alla luce. I principali sono la diffrazione (deviazione dalla propagazione rettilinea della luce quando un raggio passa attraverso una fenditura) e l'interferenza (il fenomeno degli anelli di Newton). Con la scoperta di queste proprietà della luce, i fisici nel 19° secolo iniziarono a ricordare il lavoro di Huygens.
Nello stesso diciannovesimo secolo, Faraday e Lenz studiarono le proprietà dei campi elettrici (magnetici) alternati eMaxwell ha eseguito i calcoli corrispondenti. Di conseguenza, è stato dimostrato che la luce è un'onda elettromagnetica trasversale, che non necessita di etere per la sua esistenza, poiché i campi che la formano si generano a vicenda nel processo di propagazione.
Nuove scoperte legate alla luce e all'idea di Max Planck
Sembrerebbe che la teoria corpuscolare di Newton sia già stata completamente sepolta, ma all'inizio del XX secolo compaiono nuovi risultati: si scopre che la luce può "estrarre" elettroni dalla materia ed esercitare pressione sui corpi quando cade su di loro. Questi fenomeni, a cui si è aggiunto uno spettro incomprensibile di un corpo nero, la teoria ondulatoria si è rivelata incapace di spiegare.
La soluzione è stata trovata da Max Planck. Ha suggerito che la luce interagisce con gli atomi della materia sotto forma di piccole porzioni, che ha chiamato fotoni. L'energia di un fotone può essere determinata dalla formula:
E=hv.
Dove v - frequenza del fotone, h - costante di Planck. Max Planck, grazie a questa idea di luce, ha gettato le basi per lo sviluppo della meccanica quantistica.
Usando l'idea di Planck, Albert Einstein spiega il fenomeno dell'effetto fotoelettrico nel 1905, Niels Bohr - nel 1912 fornisce una motivazione per gli spettri di emissione e assorbimento atomico, e Compton - nel 1922 scopre l'effetto che ora porta il suo nome. Inoltre, la teoria della relatività sviluppata da Einstein spiegava il ruolo della gravità nella deviazione dalla propagazione lineare di un raggio di luce.
Così, il lavoro di questi scienziati dell'inizio del 20° secolo ha fatto rivivere le idee di Newton suluce nel 17° secolo.
Teoria della luce delle onde corpuscolari
Cos'è la luce? È una particella o un'onda? Durante la sua propagazione, sia in un mezzo che in uno spazio senz'aria, la luce mostra le proprietà di un'onda. Quando si considerano le sue interazioni con la materia, si comporta come una particella materiale. Pertanto, attualmente, rispetto alla luce, è consuetudine parlare del dualismo delle sue proprietà, che sono descritte nell'ambito della teoria dell'onda corpuscolare.
Una particella di luce: un fotone non ha né carica né massa a riposo. La sua caratteristica principale è l'energia (o frequenza, che è la stessa cosa, se si presta attenzione all'espressione sopra). Un fotone è un oggetto quantomeccanico, come qualsiasi particella elementare (elettrone, protone, neutrone), quindi ha una quantità di moto, come se fosse una particella, ma non può essere localizzato (determinare le coordinate esatte), come se fosse una onda.
