Dual natur av ljus

Ljus har fascinerat mänskligheten i århundraden. De antika teorierna ansåg ljus som något som utsändes av det mänskliga ögat. Senare förstod man att ljuset skulle komma från objekten som ses och att det kom in i ögat som gav känslan av syn.

Frågan om ljuset består av apartikelstråle eller det är en viss typ av vågrörelse har ofta studerats i vetenskapens historia. Mellan förkämparna och förtalarna i den corpuskulära ljusteori, den mest inflytelserika var utan tvekan Newton. Med hjälp av ovanstående teori kunde han förklara lagen om reflektion och refraktion. Ändå var hans avdrag av brytningslagen baserad på hypotesen att ljuset rör sig snabbare i vatten eller i glas än i luften.

Någon gång senare visade sig hypotesen varafel. De främsta förespråkare av vågteorin om ljus var Christian Huygens och Robert Hooke. Huygens kunde använda sin egen teori om vågutbredning att förklara reflektion och refraktion, förutsatt att ljuset rör sig långsammare i glas eller i vatten än i luften. Newton insåg fördelarna med vågteorin om ljus, särskilt för att det förklarade färger bildade av tunna filmer, som han hade studerat mycket noggrant.

Han motsatte sig inte att han förkastade den vågteorin som var förfallentill den uppenbara rätlinjiga förökningen av ljus. I sin tid hade diffraktion av ljusstrålen, som tillåter att undvika föremål, ännu inte observerats.

Newtons corpuskulära teori om ljus accepteradesi mer än ett sekel. Efter en tid, i 1801, återupplivade Thomas Young vågteorin om ljus. Han var en av de första forskarna som introducerade idén om störningar som ett vågfenomen som presenteras både i ljuset och i ljudet. Hans observationer av störningar erhållna från ljus var en tydlig demonstration av deras våg natur.

Ändå var unges forskning inte känd avdet vetenskapliga samfundet i mer än tio år. Förmodligen beror det franska fysikern Augustin Fresnel (1782-1827) som genomförde grundliga experiment på störningar och diffraktion. Han utvecklade också en vågteori baserad på en solid matematisk grund. I 1850 mätte Jean Foucault ljusets hastighet i vatten och kontrollerade att den var långsammare än i luften.

Således förstörde han äntligen Newtons corpuskuläraljusteori. År 1860 publicerade James Clerk Maxwell sin elektromagnetiska matematiska teori som föregick förekomsten av elektromagnetiska vågor. Dessa vågor förökades med en beräknad hastighet genom el- och magnetismlagar som var ekvivalenta i värde till 3 x 108 m / s, samma värde än ljusets hastighet. Maxwells teori bekräftades av Hertz 1887 som använde en stämd elektrisk krets för att generera vågor och en annan liknande krets för att upptäcka dem. Under andra hälften av 1800-talet tillämpade Kirchoff och andra forskare Maxwells lagar för att förklara störningar och diffraktion av ljus och andra elektromagnetiska vågor och stödja Huygens empiriska metoder för vågkonstruktion på en solid matematisk grund.

Även om vågteori är generellt korrekt närSpridning av ljus beskrivs (och av andra elektromagnetiska vågor), det misslyckas när andra ljusegenskaper ska förklaras, speciellt ljusets växelverkan med materia. Hertz, i ett berömt experiment i 1887, bekräftade Maxwells vågteori, och han upptäckte också den fotoelektriska effekten. En sådan effekt kan också förklaras med hjälp av en modell av partiklar för ljus, som Einstein visade sig bara några år senare. På så sätt infördes en ny kroppslig modell av ljus.

Ljuspartiklarna är kända som fotoner och energi E hos en foton är relaterad till frekvens f av ljusvågan associerad med Einsteins kända förhållande E = h · f (h = Plancks konstant).

En fullständig förståelse för ljusets dubbla naturuppnåddes inte före 20-talet på 20-talet. Experiment som utförs av tidens forskare (Davisson, Germer, Thompson och andra) visade att elektroner (och andra "partiklar") också hade dubbla egenskaper och presenterade störnings- och diffraktionsegenskaper förutom deras välkända partikelegenskaper.

I korthet, den moderna teorin om kvantmekanikav ljusstrålning accepterar det faktum att ljus verkar ha en dubbel natur. Å ena sidan finner ljusförplantningsfenomen en bättre förklaring inom Maxwells elektromagnetiska teori (elektromagnetisk vågens grundläggande natur). Å andra sidan är ömsesidig åtgärd mellan ljus och materia i processerna för absorption och utsläpp ett fotoelektriskt fenomen (korpuskulär natur).