A fény kettős természete
2013. december 09. írta: Druida Borealis

A fény kettős természete

Mint ahogy a fény megismerésének történetéből is jól nyomon követhető, kutatásaik során a tudósok nagyon sokáig elsődlegesen eldöntendő kérdésnek tartották, hogy a fény részecske vagy hullám. Ma azt mondhatnánk, hogy egyik sem, illetve mindkettő. A fény önmagában semmihez nem hasonlítható (kivéve persze az elektromágneses színkép többi tagját), teljesen egyedi, megfoghatatlan dolog. Emberi megismerésünk természetéből adódóan azonban az ilyen közvetlenül megfigyelhetetlen dolgokat kénytelenek vagyunk valami általunk már ismert dologhoz hasonlítani, vagyis modellezni.

A fény esetén két ilyen modell lehetősége adódott. A fénynek a tükörről való visszaverődésehasonlít ahhoz is, ahogyan a rugalmas labdák (energiaveszteség nélkül) visszapattannak egy merev falról, de hasonlít ahhoz is, ahogyan egy egyenes hullám verődik vissza egy új közeg határáról. A visszaverődés leírásakor tehát mindkét modell jól működik.

ÁBRA: A fényvisszaverődés

A fény visszaverődése értelmezhető a részecskék tökéletesen rugalmas ütközéseként és hullámok visszaverődéseként is.

A törés törvényének magyarázata során már különböző feltevésekkel kell élni, ha a fényt részecskének illetve ha hullámnak tekintjük. 1637-ben, és az ő nyomán azt feltételezte, hogy a hullám a sűrűbb közegbe érve azért törik a beesési merőleges felé, mert a sűrűbb közeg jobban vonzza a részecskéket, így a fénynek a beesési merőlegessel párhuzamos sebességkomponense megnő.

ÁBRA: A fénytörés értelmezéseTöréskor ahullámfrontirányváltozása a részecskemodellel csak úgy magyarázható, hogy a sűrűbb közegben mért sebesség nő. A hullámmodell alapján alkotott magyarázat szerint azonban a sűrűbb közegben mért sebesség kisebb.

Ha hullámként képzeljük a fényt, akkor viszont - a Huygens-elv alapján - azt kell feltételeznünk, hogy ugyanezen irányváltozás oka a hullám sebességének csökkenése. A két nézet nyilvánvalóan összeegyeztethetetlen, de a sebességek mérését akkoriban még nem tudták elvégezni. Newton tekintélye olyan nagy volt, hogy a tudósok jó ideig nem kérdőjelezték meg a részecske szemléletet.

A fény részecske elméletére a döntő csapást kétréses interferencia kísérlete mérte 1802-ben. A két résre érkező sugárzás a felfogó ernyőn színes világos és sötét csíkok sorozatát adta oly módon, hogy az ernyő olyan helyein, amelyeket külön-külön mindkét rés megvilágított, sötét vonalak is adódtak. Ezt a jelenséget már nem lehet a részecske modellel értelmezni, hiszen két fényrészecske összege nem adhat sötétséget egy pontban. Kézenfekvő viszont a hullámok találkozásához hasonlítani, hiszen ha két hullám hullámhegye és hullámvölgye találkozik, azok kiolthatják egymást.
Mivel így a fény terjedésének minden jelenségét ellentmondásmentesen tudták értelmezni, ekkor úgy tűnt, diadalmaskodik az a nézet, hogy a fény hullám. A hullámok létrejöttéhez azonban valamilyen közeg rezgésére, hullámzására van szükség, ezért még mindig megmaradt az a nyugtalanító kérdés, hogy minek a rezgése a fény, és miben, hogyan hullámzik a terjedésekor. A választ eredménye adta meg (miszerint a fény az elektromágneses hullámok egyik fajtája) 1864-ben, pedig kísérleteivel igazolta, hogy az elektromágneses hullámok ugyanolyan módon viselkednek, mint fény. Ezzel az elméletre a korona is felkerült.

A modell érvényessége mindaddig tart, amíg egy neki ellentmondó kísérletbe nem ütközik a gyakorlat. A fény esetén erre 1902-ben került sor, amikor Lenard az ún. fotoeffektust tanulmányozta. Kísérleteinek lényege a következő: ha bizonyos fémeket fénnyel megvilágítunk, a fémből elektronok lépnek ki. Az atomok vonzásából való kilépéshez az elektronnak energiára van szüksége, amit nyilván a fény biztosít. A hullámok energiája az amplitúdótól, vagyis a hullám intenzitásától függ. Azt várhatnánk tehát, hogy a kilépő elektronok energiája nagyobb lesz, ha a megvilágítás erőssége nő. Lenard azonban azt tapasztalta, hogy ez nincs így. Az elektronok sebességét (energiáját) sem a fényerő, sem a megvilágítás ideje nem befolyásolta, egyedül a fény színétől (vagyis a frekvenciájától) függött. Egyszínű fény esetén minden elektron energiája ugyanakkora, a fény frekvenciájával egyenesen arányos érték volt.

Egy 1905-ben megjelent tanulmányában megoldásként azt javasolta, hogy a fényt az elektronokkal való kölcsönhatása során tekintsük úgy, mintha fénysebességgel röpködő részecskékből állna. Ezen részecskék energiája egyedül attól függ, hogy a fénynek milyen a színe (frekvenciája). A fény részecskéit fotonoknak nevezte el. Einstein gondolatai az anyag megismerésének egészen új vonalát indították el, ezért a tanulmányáért 1921-ben Nobel díjat kapott.

Azóta mindkét nézet megtalálta a helyét, vagyis azt mondjuk, hogy a fény természete kettős. (Valójában a modellünk az.) Hogy melyik modellt kell alkalmazzuk, azt a szituáció dönti el. Terjedése során (visszaverődéskor, töréskor, elhajláskor stb.) a fény hullámként írható le, az anyaggal való kölcsönhatásakor viszont az energiát adagokban adja le, mintha az adott energiával ütköző részecske lenne.

Forrás: http://www.brody-ajka.sulinet.hu

A bejegyzés trackback címe:

https://altertuf.blog.hu/api/trackback/id/tr775532874

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

Nincsenek hozzászólások.