Què és la llum? Aquesta pregunta ha interessat a la humanitat en totes les edats, però només al segle XX de la nostra era va ser possible aclarir molt sobre la naturalesa d'aquest fenomen. Aquest article se centrarà en la teoria corpuscular de la llum, els seus avantatges i desavantatges.
Des dels filòsofs antics fins a Christian Huygens i Isaac Newton
Algunes proves que han sobreviscut fins als nostres dies diuen que la gent va començar a interessar-se per la naturalesa de la llum a l'antic Egipte i a l'antiga Grècia. Al principi es creia que els objectes emeten imatges d'ells mateixos. Aquests últims, entrant a l'ull humà, creen la impressió de visibilitat dels objectes.
Llavors, durant la formació del pensament filosòfic a Grècia, va aparèixer una nova teoria d'Aristòtil, que creia que cada persona emet uns raigs dels ulls, gràcies als quals pot "sentir" els objectes.
L'Edat Mitjana no va aportar cap claredat a la qüestió en qüestió, els nous èxits només van arribar amb el Renaixement i la revolució de la ciència. En concret, a la segona meitat del segle XVII van aparèixer dues teories totalment oposades, que pretenienExplicar els fenòmens associats a la llum. Estem parlant de la teoria ondulatòria de Christian Huygens i de la teoria corpuscular d'Isaac Newton.
Malgrat alguns èxits de la teoria ondulatòria, encara tenia una sèrie de deficiències importants:
- creia que la llum es propagava a l'èter, que mai ningú va descobrir;
- la naturalesa transversal de les ones significava que l'èter havia de ser un medi sòlid.
Tenint en compte aquestes mancances, i també donada la gran autoritat de Newton en aquell moment, la teoria de les partícules-corpúsculs va ser acceptada per unanimitat en el cercle dels científics.
L'essència de la teoria corpuscular de la llum
La idea de Newton és tan simple com sigui possible: si tots els cossos i processos que ens envolten estan descrits per les lleis de la mecànica clàssica, en què participen cossos de massa finita, aleshores la llum també són petites partícules o corpuscles. Es mouen a l'espai a una velocitat determinada, si troben un obstacle, se'n reflecteixen. Aquest últim, per exemple, explica l'existència d'una ombra sobre un objecte. Aquestes idees sobre la llum van durar fins a principis del segle XIX, és a dir, uns 150 anys.
És interessant observar que Lomonosov va utilitzar la teoria corpuscular newtoniana a mitjans del segle XVIII per explicar el comportament dels gasos, que es descriu a la seva obra "Elements de química matemàtica". Lomonosov considerava que el gas estava format per partícules de corpusculs.
Què va explicar la teoria newtoniana?
Les idees descrites sobre la llum fetesun gran pas en la comprensió de la seva naturalesa. La teoria dels corpuscles de Newton va ser capaç d'explicar els fenòmens següents:
- Propagació rectilínia de la llum en un medi homogeni. De fet, si no hi ha forces externes que actuen sobre un corpuscle de llum en moviment, aleshores el seu estat es descriu amb èxit per la primera llei newtoniana de la mecànica clàssica.
- El fenomen de la reflexió. En colpejar la interfície entre dos mitjans, el corpuscle experimenta una col·lisió absolutament elàstica, com a resultat de la qual es conserva el seu mòdul de moviment i es reflecteix en un angle igual a l'angle d'incidència.
- El fenomen de la refracció. Newton creia que penetrant en un medi més dens des d'un de menys dens (per exemple, de l'aire a l'aigua), el corpuscle s'accelera a causa de l'atracció de les molècules del medi dens. Aquesta acceleració comporta un canvi en la seva trajectòria més propera a la normal, és a dir, s'observa un efecte de refracció.
- L'existència de les flors. El creador de la teoria creia que cada color observat correspon al seu propi corpuscle "de color".
Problemes de la teoria enunciada i retorn a la idea de Huygens
Van començar a sorgir quan es van descobrir nous efectes relacionats amb la llum. Les principals són la difracció (desviació de la propagació rectilínia de la llum quan un feix passa per una escletxa) i la interferència (el fenomen dels anells de Newton). Amb el descobriment d'aquestes propietats de la llum, els físics del segle XIX van començar a recordar el treball de Huygens.
Al mateix segle XIX, Faraday i Lenz van investigar les propietats dels camps elèctrics (magnètics) alterns iMaxwell va realitzar els càlculs corresponents. Com a resultat, es va demostrar que la llum és una ona transversal electromagnètica, que no requereix èter per a la seva existència, ja que els camps que la formen es generen mútuament en el procés de propagació.
Nous descobriments relacionats amb la llum i la idea de Max Planck
Sembla que la teoria corpuscular de Newton ja ha quedat completament soterrada, però a principis del segle XX apareixen nous resultats: resulta que la llum pot "treure" electrons de la matèria i exercir pressió sobre els cossos quan aquesta cau sobre ells. Aquests fenòmens, als quals s'hi va afegir un espectre incomprensible d'un cos negre, la teoria ondulatòria va resultar incapaç d'explicar-los.
La solució la va trobar Max Planck. Va suggerir que la llum interacciona amb els àtoms de la matèria en forma de petites porcions, que va anomenar fotons. L'energia d'un fotó es pot determinar amb la fórmula:
E=hv.
On v - freqüència de fotons, h - constant de Planck. Max Planck, gràcies a aquesta idea de la llum, va establir les bases per al desenvolupament de la mecànica quàntica.
Utilitzant la idea de Planck, Albert Einstein explica el fenomen de l'efecte fotoelèctric el 1905, Niels Bohr -el 1912 dóna una justificació dels espectres d'emissió i absorció atòmica- i Compton -el 1922 descobreix l'efecte que ara porta el seu nom. A més, la teoria de la relativitat desenvolupada per Einstein va explicar el paper de la gravetat en la desviació de la propagació lineal d'un feix de llum.
Així, el treball d'aquests científics de principis del segle XX va reviure les idees de Newton sobrellum al segle XVII.
Teoria de les ones corporals de la llum
Què és la llum? És una partícula o una ona? Durant la seva propagació, ja sigui en un medi o en un espai sense aire, la llum presenta les propietats d'una ona. Quan es consideren les seves interaccions amb la matèria, es comporta com una partícula material. Per tant, actualment, pel que fa a la llum, s'acostuma a parlar del dualisme de les seves propietats, que es descriuen en el marc de la teoria de les ones corpusculars.
Una partícula de llum: un fotó no té càrrega ni massa en repòs. La seva característica principal és l'energia (o freqüència, que és el mateix, si es fixa en l'expressió anterior). Un fotó és un objecte de mecànica quàntica, com qualsevol partícula elemental (electró, protó, neutró), per tant té un moment, com si fos una partícula, però no es pot localitzar (determinar les coordenades exactes), com si fos un ona.
