Ánh sáng là gì? Câu hỏi này đã khiến nhân loại ở mọi thời đại quan tâm, nhưng chỉ trong thế kỷ 20 của thời đại chúng ta, người ta mới có thể làm sáng tỏ nhiều điều về bản chất của hiện tượng này. Bài viết này sẽ tập trung vào lý thuyết ánh sáng, ưu điểm và nhược điểm của nó.
Từ các triết gia cổ đại đến Christian Huygens và Isaac Newton
Một số bằng chứng còn tồn tại đến thời đại chúng ta nói rằng mọi người bắt đầu quan tâm đến bản chất của ánh sáng ở Ai Cập cổ đại và Hy Lạp cổ đại. Lúc đầu, người ta tin rằng các vật thể phát ra hình ảnh của chính chúng. Sau đó, đi vào mắt người, tạo ra ấn tượng về khả năng hiển thị của các đối tượng.
Sau đó, trong quá trình hình thành tư tưởng triết học ở Hy Lạp, một lý thuyết mới của Aristotle đã xuất hiện, người tin rằng mỗi người phát ra một số tia từ mắt, nhờ đó anh ta có thể "cảm nhận" được các vật thể.
Thời Trung Cổ không mang lại bất kỳ sự rõ ràng nào cho vấn đề đang được xem xét, những thành tựu mới chỉ đến với thời kỳ Phục hưng và cuộc cách mạng trong khoa học. Đặc biệt, vào nửa sau của thế kỷ 17, hai lý thuyết hoàn toàn trái ngược nhau xuất hiện, đã tìm cáchgiải thích các hiện tượng liên quan đến ánh sáng. Chúng ta đang nói về lý thuyết sóng của Christian Huygens và lý thuyết vật thể của Isaac Newton.
Mặc dù có một số thành công của lý thuyết sóng, nó vẫn còn một số thiếu sót quan trọng:
- tin rằng ánh sáng lan truyền trong ête, thứ chưa bao giờ được phát hiện bởi bất kỳ ai;
- tính chất ngang của sóng có nghĩa là ête phải là một môi trường rắn.
Tính đến những thiếu sót này, và cũng được trao cho quyền lực rất lớn của Newton vào thời điểm đó, lý thuyết về hạt-tiểu thể đã được các nhà khoa học nhất trí chấp nhận.
Bản chất của lý thuyết phân tử ánh sáng
Ý tưởng của Newton càng đơn giản càng tốt: nếu tất cả các vật thể và quá trình xung quanh chúng ta được mô tả bởi các định luật cơ học cổ điển, trong đó các vật thể có khối lượng hữu hạn tham gia, thì ánh sáng cũng là các hạt nhỏ hoặc các tiểu thể. Chúng di chuyển trong không gian với một tốc độ nhất định, nếu gặp chướng ngại vật, chúng sẽ bị phản xạ từ đó. Ví dụ, phần sau giải thích sự tồn tại của một cái bóng trên một vật thể. Những ý tưởng về ánh sáng này tồn tại cho đến đầu thế kỷ 19, tức là khoảng 150 năm.
Có một điều thú vị là Lomonosov đã sử dụng lý thuyết phân tử Newton vào giữa thế kỷ 18 để giải thích hành vi của chất khí, được mô tả trong tác phẩm "Các yếu tố của Hóa học Toán học" của ông. Lomonosov coi khí được cấu tạo bởi các hạt tiểu thể.
Lý thuyết Newton giải thích điều gì?
Những ý tưởng phác thảo về ánh sáng được thực hiệnmột bước tiến lớn trong việc hiểu bản chất của nó. Lý thuyết về tiểu thể của Newton đã có thể giải thích các hiện tượng sau:
- Sự truyền trực tiếp của ánh sáng trong môi trường đồng nhất. Thật vậy, nếu không có ngoại lực nào tác động lên một tiểu thể ánh sáng chuyển động, thì trạng thái của nó được mô tả thành công bằng định luật Newton đầu tiên của cơ học cổ điển.
- Hiện tượng phản xạ. Khi va chạm vào mặt phân cách giữa hai phương tiện, khối cầu trải qua một va chạm đàn hồi tuyệt đối, do đó mô-đun động lượng của nó được bảo toàn và bản thân nó bị phản xạ theo một góc bằng góc tới.
- Hiện tượng khúc xạ. Newton tin rằng thâm nhập vào một môi trường đặc hơn từ một môi trường ít đặc hơn (ví dụ, từ không khí vào nước), tiểu thể tăng tốc do lực hút của các phân tử của môi trường đặc. Gia tốc này dẫn đến sự thay đổi quỹ đạo của nó gần với bình thường hơn, tức là quan sát thấy hiệu ứng khúc xạ.
- Sự tồn tại của hoa. Người tạo ra lý thuyết này tin rằng mỗi màu quan sát được tương ứng với tiểu thể "màu" của riêng nó.
Các vấn đề của lý thuyết đã nêu và quay trở lại ý tưởng của Huygens
Chúng bắt đầu xuất hiện khi các hiệu ứng liên quan đến ánh sáng mới được phát hiện. Những cái chính là nhiễu xạ (độ lệch khỏi sự truyền thẳng của ánh sáng khi một chùm tia đi qua một khe) và giao thoa (hiện tượng các vòng Newton). Với việc phát hiện ra những đặc tính này của ánh sáng, các nhà vật lý ở thế kỷ 19 bắt đầu nhớ lại công trình của Huygens.
Trong cùng thế kỷ 19, Faraday và Lenz đã nghiên cứu các đặc tính của điện trường (từ trường) xoay chiều, vàMaxwell đã thực hiện các phép tính tương ứng. Kết quả là, người ta đã chứng minh rằng ánh sáng là một sóng ngang điện từ, không cần ete để tồn tại, vì các trường hình thành nên nó tạo ra lẫn nhau trong quá trình lan truyền.
Khám phá mới liên quan đến ánh sáng và ý tưởng của Max Planck
Có vẻ như lý thuyết vật thể của Newton đã bị chôn vùi hoàn toàn, nhưng vào đầu thế kỷ 20, kết quả mới xuất hiện: hóa ra ánh sáng có thể "kéo" các electron ra khỏi vật chất và gây áp lực lên các vật thể khi nó rơi vào chúng. Những hiện tượng này, trong đó một quang phổ khó hiểu của vật đen được thêm vào, lý thuyết sóng hóa ra không thể giải thích được.
Giải pháp được tìm ra bởi Max Planck. Ông cho rằng ánh sáng tương tác với các nguyên tử của vật chất dưới dạng những phần nhỏ, mà ông gọi là photon. Năng lượng của một photon có thể được xác định theo công thức:
E=hv.
Trong đó v - tần số photon, h - hằng số Planck. Max Planck, nhờ ý tưởng về ánh sáng này, đã đặt nền móng cho sự phát triển của cơ học lượng tử.
Sử dụng ý tưởng của Planck, Albert Einstein giải thích hiện tượng hiệu ứng quang điện năm 1905, Niels Bohr - năm 1912 đưa ra cơ sở lý luận cho quang phổ hấp thụ và phát xạ nguyên tử, và Compton - năm 1922 phát hiện ra hiệu ứng mà ngày nay mang tên ông. Ngoài ra, thuyết tương đối do Einstein phát triển đã giải thích vai trò của lực hấp dẫn đối với độ lệch khỏi sự truyền thẳng của chùm ánh sáng.
Vì vậy, công trình của các nhà khoa học đầu thế kỷ 20 này đã làm sống lại những ý tưởng của Newton vềánh sáng vào thế kỷ 17.
Lý thuyết sóng cơ của ánh sáng
Ánh sáng là gì? Nó là một hạt hay một sóng? Trong quá trình lan truyền của nó, dù trong môi trường hay trong không gian không có không khí, ánh sáng thể hiện các đặc tính của sóng. Khi các tương tác của nó với vật chất được xem xét, nó hoạt động giống như một hạt vật chất. Do đó, hiện nay, đối với ánh sáng, người ta thường nói về thuyết nhị nguyên của các thuộc tính của nó, được mô tả trong khuôn khổ của lý thuyết sóng cơ.
Một hạt ánh sáng - một photon không có điện tích và khối lượng ở trạng thái nghỉ. Đặc tính chính của nó là năng lượng (hoặc tần số, cũng giống như vậy, nếu bạn chú ý đến biểu thức ở trên). Một photon là một vật thể cơ lượng tử, giống như bất kỳ hạt cơ bản nào (electron, proton, neutron), do đó nó có động lượng, như thể nó là một hạt, nhưng nó không thể định vị được (xác định tọa độ chính xác), như thể nó là một làn sóng.
