Жарық деген не? Бұл сұрақ барлық ғасырларда адамзатты қызықтырды, бірақ біздің дәуіріміздің 20 ғасырында ғана бұл құбылыстың табиғаты туралы көп нәрсені анықтау мүмкін болды. Бұл мақалада жарықтың корпускулярлық теориясы, оның артықшылықтары мен кемшіліктері қарастырылады.
Ежелгі философтардан Кристиан Гюйгенс пен Исаак Ньютонға дейін
Біздің заманымызға дейін жеткен кейбір деректер адамдардың жарық табиғатына Ежелгі Мысыр мен Ежелгі Грецияда қызығушылық таныта бастағанын айтады. Алғашында объектілер өз бейнелерін шығарады деп есептелді. Соңғысы адамның көзіне түсіп, заттардың көріну әсерін тудырады.
Содан кейін Грекияда философиялық ой-пікірдің қалыптасуы кезінде әр адам көзінен қандай да бір сәулелер шығарады, соның арқасында заттарды «сезеді» деп есептеген Аристотельдің жаңа теориясы пайда болды.
Орта ғасырлар қарастырылып отырған мәселеге ешқандай нақтылық әкелмеді, жаңа жетістіктер тек Қайта өрлеу дәуірімен және ғылымдағы революциямен бірге келді. Атап айтқанда, 17 ғасырдың екінші жартысында бір-біріне мүлдем қарама-қайшы екі теория пайда болды, оларжарыққа байланысты құбылыстарды түсіндіру. Біз Кристиан Гюйгенстің толқындық теориясы мен Исаак Ньютонның корпускулярлық теориясы туралы айтып отырмыз.
Толқындар теориясының кейбір жетістіктеріне қарамастан, оның әлі де бірқатар маңызды кемшіліктері болды:
- жарықтың эфирде таралатынына сенді, оны ешкім ашпаған;
- толқындардың көлденең табиғаты эфир қатты орта болуы керек дегенді білдірді.
Осы кемшіліктерді ескере отырып, сонымен қатар Ньютонның сол кездегі орасан зор беделін ескере отырып, бөлшектер-корпускулалар теориясы ғалымдар арасында бірауыздан қабылданды.
Жарықтың корпускулалық теориясының мәні
Ньютонның идеясы барынша қарапайым: егер бізді қоршаған барлық денелер мен процестер массасы шектеулі денелер қатысатын классикалық механика заңдарымен сипатталса, жарық та ұсақ бөлшектер немесе денелер болып табылады. Олар кеңістікте белгілі бір жылдамдықпен қозғалады, кедергіге тап болса, одан шағылысады. Соңғысы, мысалы, нысанда көлеңкенің болуын түсіндіреді. Жарық туралы бұл идеялар 19 ғасырдың басына дейін, яғни шамамен 150 жылға созылды.
Бір қызығы, Ломоносов 18 ғасырдың ортасында Ньютон корпускулярлық теориясын газдардың әрекетін түсіндіру үшін пайдаланды, ол өзінің «Математикалық химияның элементтері» атты еңбегінде сипатталған. Ломоносов газды корпускулалық бөлшектерден тұрады деп есептеді.
Ньютон теориясы нені түсіндірді?
Жарық туралы айтылған идеялар жасалдытабиғатын түсінудегі үлкен қадам. Ньютонның корпускулалар теориясы келесі құбылыстарды түсіндіре алды:
- Біртекті ортада жарықтың түзу сызықты таралуы. Шынында да, қозғалыстағы жарық корпускуласына ешқандай сыртқы күш әсер етпесе, оның күйі классикалық механиканың бірінші Ньютон заңымен сәтті сипатталады.
- Рефлексия құбылысы. Екі ортаның арасындағы интерфейске соғылған корпускул абсолютті серпімді соқтығысты бастан кешіреді, нәтижесінде оның импульс модулі сақталады және оның өзі түсу бұрышына тең бұрышта шағылысады.
- Сыну құбылысы. Ньютон тығыз ортадан азырақ ортадан (мысалы, ауадан суға) енгенде, корпускула тығыз орта молекулаларының тартылуына байланысты жылдамдайды деп есептеді. Бұл үдеу оның траекториясының қалыпты жағдайға жақын өзгеруіне әкеледі, яғни сыну әсері байқалады.
- Гүлдердің бар болуы. Теорияны жасаушы әрбір байқалған түс өзінің "түс" корпускуласына сәйкес келеді деп есептеді.
Айтылған теорияның мәселелері және Гюйгенс идеясына оралу
Олар жарыққа қатысты жаңа әсерлер ашылғанда пайда бола бастады. Олардың негізгілері дифракция (сәуле саңылау арқылы өткенде жарықтың түзу сызықты таралуынан ауытқу) және интерференция (Ньютон сақиналарының құбылысы). Жарықтың осы қасиеттерінің ашылуымен 19 ғасырдағы физиктер Гюйгенстің жұмысын еске түсіре бастады.
Сол 19 ғасырда Фарадей мен Ленц айнымалы электр (магниттік) өрістердің қасиеттерін зерттеді жәнеМаксвелл сәйкес есептеулерді жүргізді. Нәтижесінде жарықтың электромагниттік көлденең толқын екендігі дәлелденді, оның болуы үшін эфир қажет емес, өйткені оны құрайтын өрістер таралу процесінде бірін-бірі тудырады.
Жарық пен Макс Планк идеясына қатысты жаңа ашылулар
Ньютонның корпускулалық теориясы толығымен көмілген сияқты, бірақ 20-шы ғасырдың басында жаңа нәтижелер пайда болды: жарық заттан электрондарды «шығарып», денелерге қысым жасай алатыны белгілі болды. олардың үстіне түседі. Қара дененің түсініксіз спектрі қосылған бұл құбылыстарды толқындық теория түсіндіруге дәрменсіз болып шықты.
Шешімді Макс Планк тапты. Ол жарықтың зат атомдарымен шағын бөліктер түрінде әрекеттесуін ұсынды, оны фотондар деп атады. Фотонның энергиясын мына формуламен анықтауға болады:
E=hv.
Мұндағы v - фотон жиілігі, h - Планк тұрақтысы. Макс Планк осы жарық идеясының арқасында кванттық механиканың дамуының негізін қалады.
Планктың идеясын пайдалана отырып, Альберт Эйнштейн 1905 жылы фотоэффект құбылысын түсіндіреді, Нильс Бор - 1912 жылы атомдық сәулелену және жұтылу спектрлерінің негіздемесін келтіреді, ал Комптон - 1922 жылы қазіргі уақытта өз атымен аталатын әсерді ашты. Сонымен қатар, Эйнштейн жасаған салыстырмалылық теориясы жарық шоғының сызықтық таралуынан ауытқудағы ауырлық күшінің рөлін түсіндірді.
Осылайша, 20 ғасырдың басындағы бұл ғалымдардың еңбектері Ньютонның17 ғасырдағы жарық.
Жарықтың корпускулярлық-толқындық теориясы
Жарық деген не? Бөлшек пе, толқын ба? Жарық ортада немесе ауасыз кеңістікте таралу барысында толқынның қасиетін көрсетеді. Оның затпен әрекеттесуін қарастыратын болсақ, ол материалдық бөлшек сияқты әрекет етеді. Сондықтан, қазіргі уақытта жарыққа қатысты оның корпускулалық-толқындық теориясы шеңберінде сипатталған қасиеттерінің дуализмі туралы айту әдетке айналды.
Жарық бөлшегі – фотонның тыныштықта заряды да, массасы да жоқ. Оның негізгі сипаттамасы - энергия (немесе жоғарыдағы өрнекке назар аударсаңыз, дәл солай болатын жиілік). Фотон кез келген элементар бөлшектер (электрон, протон, нейтрон) сияқты кванттық механикалық объект болып табылады, сондықтан ол бөлшек сияқты импульске ие, бірақ оны локализациялау мүмкін емес (нақты координаттарды анықтаңыз), ол толқын.
