الطبيعة المزدوجة للضوء

ضوء وقد مفتون البشرية لعدة قرون. تعتبر النظريات القديمة النور كشيء ينبعث من العين البشرية. في وقت لاحق ، كان من المفهوم أن الضوء يجب أن يأتي من الأشياء التي شوهدت وأنه دخل العين منتجة شعور الرؤية.

مسألة ما إذا كان الضوء يتكون من أشعاع من الجسيمات أو هو نوع معين من حركة الموجة كثيرا ما تمت دراسته في تاريخ العلم. بين مؤيدي ومتهمين من الجسد نظرية الضوء، الأكثر تأثيرا كان بلا شك نيوتن. باستخدام النظرية المذكورة أعلاه ، كان قادرا على شرح قوانين التفكير والانكسار. ومع ذلك ، استند خصمه من قانون الانكسار على فرضية أن الضوء يتحرك بسرعة أكبر في الماء أو في الزجاج من الهواء.

بعض الوقت في وقت لاحق ، ثبت أن الفرضيةخطأ. كان المؤيدان الرئيسيان لنظرية موجة الضوء هما كريستيان هيغنز وروبرت هوك. باستخدام نظرية انتشار الأمواج الخاصة بهم ، تمكنت هيغنز من شرح الانعكاس والانكسار على افتراض أن الضوء يسير ببطء أكثر في الزجاج أو في الماء منه في الهواء. أدرك نيوتن حول مزايا نظرية الموجة الضوئية ، خاصةً لأنها أوضحت الألوان المتكونة من أفلام رقيقة ، والتي درسها جيدًا.

ليس الصمود ، ورفض نظرية الموجة المستحقةإلى انتشار مستقيمي واضح من الضوء. في وقته ، لم يلاحظ بعد حيود الحزمة المضيئة ، التي تسمح بتجنب الأشياء.

تم قبول نظرية نيوتن الجسدية للضوءلأكثر من قرن. بعد بعض الوقت ، في عام 1801 ، أعاد توماس يونغ تنشيط نظرية موجة الضوء. لقد كان أحد أوائل العلماء الذين قدموا فكرة التداخل كظاهرة موجية موجودة في الضوء والصوت. كانت ملاحظاته عن التدخلات التي تم الحصول عليها من الضوء دليلًا واضحًا على طبيعتها الموجية.

ومع ذلك ، لم تكن أبحاث يونج معروفةالمجتمع العلمي لأكثر من عشر سنوات. من المحتمل أن يكون الإنجاز الأكثر أهمية فيما يتعلق بقبول عام لنظرية موجة الضوء هو الفيزيائي الفرنسي أوغسطين فريسنل (1782-1827) ، الذي أجرى تجارب شاملة على التداخل والحيود. كما طور نظرية الموجة بناءً على أساس رياضي صلب. في عام 1850 ، قام جان فوكو بقياس سرعة الضوء في الماء وتأكد من أنها أبطأ من الهواء.

وهكذا ، دمر أخيرًا نيوتننظرية الضوء. في عام 1860 ، نشر جيمس كليرك ماكسويل نظريته الرياضية الكهرومغناطيسية التي سبقت وجود الموجات الكهرومغناطيسية. تنتشر هذه الموجات بسرعة محسوبة من خلال قوانين الكهرباء والمغناطيسية التي كانت تعادل قيمتها 3 × 108 م / ث ، وهي نفس القيمة من سرعة الضوء. تم تأكيد نظرية ماكسويل من قبل هيرتز في عام 1887 الذي استخدم دائرة كهربائية مضبوطة لتوليد الأمواج ودائرة أخرى مماثلة لاكتشافها. في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، طبق كيرشوف وغيره من العلماء قوانين ماكسويل لتفسير التداخل والانعراج في الضوء وغيره من الموجات الكهرومغناطيسية ودعم أساليب هيغنز التجريبية لبناء الأمواج على أساس رياضي صلب.

على الرغم من أن نظرية الموجة صحيحة بشكل عام عندمايوصف انتشار الضوء (وغيره من الموجات الكهرومغناطيسية) ، فإنه يفشل عندما يتم شرح خصائص الضوء الأخرى ، وخاصة تفاعل الضوء مع المادة. أكد هيرتز ، في تجربة شهيرة في عام 1887 ، نظرية موجة ماكسويل ، واكتشف أيضًا التأثير الكهروضوئي. يمكن تفسير هذا التأثير أيضًا عن طريق نموذج من جزيئات الضوء ، كما أثبت أينشتاين بعد ذلك بسنوات قليلة. بهذه الطريقة ، تم تقديم نموذج جديد من الضوء.

تُعرف جزيئات الضوء باسم الفوتونات ، وترتبط الطاقة E للفوتون بتردد f للموجة المضيئة المرتبطة بنسبة أينشتاين الشهيرة E = h · f (h = ثابت بلانك).

فهم كامل للطبيعة المزدوجة للضوءلم يتحقق قبل العشرينات في القرن العشرين. أثبتت التجارب التي أجراها علماء العصر (دافيسون وجيرمر وطومسون وآخرون) أن الإلكترونات (وغيرها من "الجسيمات") لها أيضًا طبيعة مزدوجة وتقدم خصائص التداخل والحيود بالإضافة إلى خصائص الجسيمات المعروفة.

باختصار ، النظرية الحديثة لميكانيكا الكمالإشعاع المضيء يقبل حقيقة أن الضوء يبدو أن له طبيعة مزدوجة. من ناحية ، تجد ظاهرة انتشار الضوء تفسيرًا أفضل في نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية (الطبيعة الأساسية للموجة الكهرمغنطيسية). من ناحية أخرى ، فإن العمل المتبادل بين الضوء والمادة ، في عمليات الامتصاص والانبعاث ، هو ظاهرة كهروضوئية (الطبيعة الجسيمية).