uabooks.top

FEJEZET OPTIKA

A fény természetéről szóló első elképzelések még az ókori Görögországban és Egyiptomban jöttek létre. Az akkori számtalan elmélet közül egyesek közel álltak a mai elméletekhez, mások viszont igen primitívek voltak. Például egyes ókori tudósok úgy gondolták, hogy a szem vékony csápokat bocsát ki, amelyek letapogatják a tárgyakat, és ennek hatására jön létre a látásérzet. A maihoz közeli elméletet állított fel Démokritosz, aki a fényt részecskék áramlásának tekintette. Felidézzük, mi is a fény, majd megismerkedünk a fény természetéről szóló elképzelések fejlődésével.

Optika - a fényről szóló tudomány

A fény - emberi szemmel érzékelhető elektromágneses hullám, amelynek hullámhossza 380 nm (lila fény) és 760 nm (piros fény) közötti értékű.

• A fény az atom belsejében végbemenő folyamatok eredményeként jön létre (a fénykisugárzással részletesebben a 37. §-ban ismerkedhettek meg).

• Azokat a fizikai testeket, amelyeknek atomjai látható tartományú fényt sugároznak ki, fényforrásnak nevezik. A fényforrások lehetnek természetesek (csillagok, Nap, villám, szentjánosbogár) és mesterségesek (tábortűz, gyertya, fáklya, elektromos izzó).

Az optika (fénytan) a fizikának a látható tartományú elektromágneses hullámok terjedésével és az anyagokkal való kölcsönhatásukkal foglalkozó fejezete (latin optiké - látás tudománya; optos - látható).

Az utóbbi időben az optika által tanulmányozandó objektumok közé az elektromágneses hullámok infravörös (hossza 760 nm — 1 mm) és ultraibolya (10 —380 nm) alkotóit is hozzácsatolták.

A következő paragrafusokban részletesebben áttanulmányozzuk az optika fent említett ágainak alapfogalmait és törvényeit, most viszont röviden foglalkozunk a fény természetéről szóló elképzelések kialakulásával.

Newton korpuszkuláris és Huygens hullámelmélete

A XVII. század végén szinte egyszerre jött létre két alapelmélet, amelyek a mechanika törvényeire alapozva kísérelték megmagyarázni a fény természetét: Isaac Newton (1643-1727) angol fizikus korpuszkuláris és Christiaan Huygens (1629—1695) holland fizikus által felállított hullámelmélet.

Newton korpuszkuláris elmélete

Newton korpuszkuláris elmélete szerint a fény - a fényforrásból származó részecskék (korpuszkulák) árama, miközben a fénykorpuszkulák mozgása a mechanikai törvények alapján történik.

A fényvisszaverődést Newton a korpuszkulák felületről való rugalmas visszaverődésével magyarázta, a fénytörést pedig a részecskék sebességváltozásával, amely a törési közeg molekuláinak vonzása miatt jön létre.

Newton dolgozta ki a színelméletet is, amely alapján a fehér fény az összes többi szín keveréke, a tárgyak pedig azért tűnnek színeseknek, mert a fehér szín egyes összetevőit intenzívebben verik vissza, mint a többit.

Newton kísérletének vázlata a fehér fény spektrumokra történő szétválasztására

A Newton által elvégzett kísérletek nem találtak alternatívára a XIX. századig, az Optika (1704) című monográfiája pedig az akkori idők tankönyveinek alapjául szolgált.

Megjegyezzük: a korpuszkuláris elmélet arra a hamis következtetésre vezetett, hogy a fény sebessége a közegekben nagyobb, mint a vákuumban; az elmélet nem tudott magyarázatot adni arra sem, hogy a térben egymást metsző fénynyalábok miért nem hatnak egymásra.

Huygens hullámelmélete

Huygens hullámelmélete szerint a fény -fényéterben - a világmindenséget és a parányi részecskék közötti teret betöltő elméleti rugalmas közegben - terjedő longitudinális mechanikus hullám.

A tudós megfogalmazta a később Huy-gens-elvnek elnevezett fényhullám terjedési elméletét:

A közeg minden olyan pontja, amelybe eljutottak a rezgések, másodlagos hullámok forrásává válik, majd a másodlagos hullámok körvonala adja meg a hullámfront helyzetét a következő pillanatban.

Erre az elvre alapozva Huygens alátámasztotta a fényvisszaverődés és fénytörés jelenségeit, a fénysugarak függetlenségének elvét, viszont nem tudta megmagyarázni a színek kialakulását. Huygens Értekezés a fényről (1690) c. könyve az első tudományos munka a hullámoptika terén.

Miután a XIX. század elején megjelentek Thomas Young (1773—1829) angol és Augustin-Jean Fresnel (1788—1827) francia fizikusok munkái, akik a fényt vizsgálva csak a hullámokra jellemző jelenségeket figyelték meg: az akadályok előtti elhajlás (diffrakció) és a fénynyalábok egymásra helyezésekor a fény erősödése, illetve gyengülése (interferencia), attól fogva Huygens elmélete kezdett fölülkerekedni.

Mai elképzelések kialakulása a fény természetéről

A XIX. század 60-as éveiben J. Maxwell felállította az elektromágneses tér elméletét, amelynek egyik következménye feltételezte az elektromágneses hullámok létezésének lehetőségét. Számításai szerint az elektromágneses hullámok terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével: c ~ 300 000 km/s.

Maxwell elméleti kutatásai alapján arra a következtetésre jutott, hogy a fény az elektromágneses hullámok egyik fajtája. H. Hertz kísérletei után (lásd a 22. §-t) már többé nem merült fel kétely a fény elektromágneses természetével kapcsolatban.

A fény elektromágneses elmélete viszont nem adott magyarázatot a fény és az anyagok kölcsönhatása közben létrejövő jelenségek tisztázására: a fényelnyelésre és kisugárzásra, a fényelektromos hatásra (elektronok kibocsátása az anyagok felszínéről fény hatására) és egyebek. Ezek a jelenségek csak a fény kvantumelmélete segítségével tisztázhatók, amelynek alapját 1900-ban Max Planck (1858—1947) német fizikus fogalmazta meg. Az elmélet szerint a fény sugárzása, terjedése és anyagok általi elnyelése nem folyamatosan, hanem adagokban — kvantumokban — történik. Minden külön fénykvantum részecske tulajdonságokkal rendelkezik, a kvantumok összessége pedig hullámként viselkedik. A fény ezen kettős természetét hullám-részecske kettősségnek (hullám-korpuszkula dualizmusnak) nevezték el.

A modern fizikában a kvantumelmélet és hullámelmélet között nincs ellentmondás, hanem egyesülnek a kvantummechanika és a kvantumelektrodinamika tudományában.

Miért nem helyes Newton korpuszkuláris és Huygens hullámelmélete?

A fénysebesség meghatározása

A maga idejében Galilei úgy tartotta, hogy a fény véges, de nagyon nagy sebességgel terjed. Ő kísérelte meg elsőként megmérni a fény sebességét, ami nem sikerült neki.

A fény sebességét elsőként Olaf Christensen Römer (1644-1710) dán csillagásznak sikerült meghatároznia 1676-ban, a Jupiter lo nevű holdja fogyatkozásának megfigyelésekor (lásd a 143. oldalon lévő ábrát).

A fénysebességet kísérletileg elsőként Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) francia fizikus mérte meg 1849-ben.

Albert Abraham Michelson (1852-1931) amerikai fizikus tökéletesítette a fénysebesség mérésének módszerét. 1924 és 1927 között több kísérletet végzett el. A tudós Kaliforniában kiválasztott két hegycsúcsot, amelyek között a távolságot pontosan meghatározta (lásd az ábrát). A Mount Wilson-hegy csúcsára ívlámpát telepített, melyből a fény résen áthaladva egy nyolcoldalú tükrös hasábra esett.

Visszaverődve a tükrökről a fény a San Anto-nio-hegy csúcsán elhelyezett tükörrendszerbe jutott, ahonnan visszaverődött, és a megfigyelő látcsövébe került.

Amikor a tükörhasábot motor segítségével megforgatták, a megfigyelő látcsövébe a hasáb sebességének bizonyos értéke mellett került a fény - ez csak akkor történhetett meg, ha a fény útjának ideje alatt a hasáb 1/8 fordulatot tett meg.

Ismerve a hasáb másodpercenkénti n fordulatszámát és a hegycsúcsok közötti / távolságot, Michelson megállapította a fény sebességét

A fénysebesség közép

értéke a tudós mérései alapján 299 798 km/s.

Összegezés

Az optika (fénytan) a fizikának a látható tartományú (látható fény, infravörös és ultraibolya sugárzás) elektromágneses hullámok terjedésével és az anyagokkal való kölcsönhatásukkal foglalkozó fejezete.

• Newton korpuszkuláris elmélete szerint a fény a fényforrásból haladó részecskék (korpuszkulák) árama, miközben a fénykorpuszkulák mozgása a mechanikai törvények alapján történik.

• Huygens hullámelmélete szerint a fény mechanikai hullám, amely a világmindenséget betöltő fényéterben terjed.

• A modern kvantumelmélet szerint a fény kvantumok áradata. A tulajdonságaik leírására nem a klasszikus, hanem a kvantummechanika törvényeit alkalmazzák.

• A modern hullámelmélet a fényt elektromágneses hullámnak tekinti.

• A fény természetével kapcsolatos két ellentétes elmélet létezése (a korpuszkuláris és a hullámelmélet) a fény természetének kettősségével, a hullám-részecske kettősséggel magyarázható.

Ellenőrző kérdések

1. Mi a fény? Milyen objektumok sugározzák ki? 2. Ki a fény korpuszkuláris

elméletének megalkotója? Mik a fő állításai? 3. Milyen optikai jelenségeket nem

lehetett megmagyarázni a fény korpuszkuláris elméletével? 4. Ki a fény hullámelméletének megalapítója? Mik a fő állításai? 5. Mennyi a fény terjedési sebessége?

Hogyan határozták meg? 6. Mik a mai modern elképzelések a fény természetéről?

7. Miben rejlik a hullám-részecske kettősség lényege?

24. gyakorlat

1. Newton korpuszkuláris elméletének egyik következtetése az, hogy a fénysebesség az anyagban nagyobb a fénysebességnél a vákuumban. Valóban így van?

2. A fény természetének tanulmányozása során miért volt nagy jelentősége a fénysebesség meghatározásának?

Idézzétek fel az elektromágneses hullámok főbb tulajdonságait, és mondjatok példákat arra, hogy a fény szintén rendelkezik ezekkel a tulajdonságokkal.

4. Ismerve a Mount Wilson és a San Antonio csúcsok közötti távolságot (lásd a 142. oldalt), határozzátok meg a hasáb forgásának középfrekvenciáját!

5. Kiegészítő információforrás segítségével tudjátok meg: miért nem tudta Galilei megmérni a fény sebességét?

Az Io (a Jupiter holdja) „viselkedésében” mi segített Römernek viszonylag pontosan meghatározni a fénysebességet (lásd az ábrát)? Milyen berendezést használt Fizeau a kísérleteihez? Mikor és hol mérték meg legpontosabban a fény sebességét?

 

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev