Las etapas de la comprensión humana de la luz

El proceso de comprensión de la luz por parte de los seres humanos - -

La comprensión de la naturaleza de la luz por parte de los seres humanos ha pasado por un proceso largo y tortuoso, que no solo nos permitió adquirir muchos conocimientos, pero también lo importante es una comprensión más profunda del espíritu científico y los descubrimientos científicos.

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La historia de la comprensión de la naturaleza de la luz

——Extraído de "La formación y el desarrollo de Importantes conceptos y leyes físicas" 》Editado por Qiao Jiping y Liu Jiamin

La comprensión de la gente sobre la naturaleza de la luz ha pasado por un largo período de tiempo. Alrededor del siglo XVII, se formaron dos teorías opuestas, a saber, la La teoría ondulatoria de la luz y la teoría de partículas, sin embargo, mucho más tarde, durante un largo período de tiempo, prevaleció la teoría de partículas, mientras que la teoría ondulatoria casi desapareció. La historia se desarrolló hasta principios del siglo XIX. Gracias a una serie de descubrimientos y los esfuerzos de muchos científicos, la teoría ondulatoria de la luz resucitó y superó a la teoría de las partículas. A principios del siglo XX, Einstein propuso la teoría cuántica de la luz y Compton confirmó la naturaleza partícula de la luz, dando a la gente una nueva comprensión de la naturaleza de la luz. Incluso hoy en día, la gente se da cuenta de que la luz tiene dos fenómenos: onda y partícula. sexo. El proceso de comprensión de la naturaleza de la luz por parte de las personas se puede resumir de la siguiente manera:

Teoría ondulatoria de la luz → Teoría de la luz de partículas → Teoría ondulatoria de la luz → Teoría cuántica de la luz → Teoría de la luz de partículas → Onda- Teoría de partículas del sexo ligero.

1. La formación de la teoría ondulatoria de la luz

En el siglo XVII se formaron dos teorías sobre la naturaleza de la luz: Descartes y Hooke defendieron la teoría ondulatoria de la luz. , Huygens et al.

1. Descartes utilizó el éter para explicar el proceso de propagación de la luz

En la primera mitad del siglo XVII, el físico francés Descartes (1596-1650) utilizó su hipótesis del "éter" para explicar la propagación de la luz de la naturaleza. . Usó la presión del éter para ilustrar el proceso de propagación de la luz. Si un objeto se calienta y emite luz, significa que las partículas del objeto están en movimiento y ejercen presión sobre las partículas del medio. Este medio se llama éter y llena todo el espacio. La presión se extiende en todas direcciones, haciendo que las personas sientan después de llegar al ojo humano. Comparó la visión de los objetos con la de una persona ciega que usa un palo para percibir la existencia de los objetos. Imaginó que el color de la luz se originaba a partir de las diferentes velocidades de rotación de los objetos. Las partículas de éter. Las rápidas provocan la sensación de color rojo, las lentas corresponden al amarillo y las más lentas son el verde y el azul. Su idea es enfatizar la influencia del medio, tomar como punto de partida la propagación de la "acción", especialmente la acción de contacto o acción cercana, y considerar la luz como la propagación de la presión o el movimiento pulsante. Propagación de la luz. El fundador de la teoría ondulatoria.

2． La analogía de Hooke entre las ondas de luz y las ondas de agua señaló la naturaleza ondulatoria de la luz.

En su libro "Microscopía" publicado en 1665, Hooke afirmó claramente que la luz es una vibración. Tomó como ejemplo el fenómeno de los diamantes luminosos en la oscuridad al ser frotados, golpeados o calentados. Creía que parte del cuerpo luminoso estaba en más o menos movimiento, y como el diamante era muy duro, estaba seguro de que se trataba de un diamante. vibración muy corta. Al analizar la propagación de la luz, Hooke mencionó que la velocidad de la luz es finita y creía que “en un medio uniforme, este movimiento se propaga con igual velocidad en todas direcciones”, por lo que cada vibración del cuerpo luminoso forma una esfera que se expande en todas direcciones. , al igual que la ola formada por una piedra arrojada al agua, y los rayos se cruzan con la superficie de la ola en ángulos rectos. Hooke también aplicó la idea de superficie de onda al estudio del fenómeno de refracción de la luz, y propuso que el color de la película es causado por la superposición de dos haces de luz con diferentes intensidades e inconsistencias después de la reflexión y refracción en los dos. interfaces. Este ya contiene muchos conceptos básicos de la teoría ondulatoria, como los frentes de onda y las interferencias.

3． Huygens propuso el principio de Huygens mediante la analogía de las ondas de luz y las ondas de sonido, y desarrolló la teoría ondulatoria de la luz.

El físico holandés Huygens (1629-1695) se dedicó al estudio de la luz en la década de 1770. , publicó su famoso libro "Sobre la luz" en 1690. Huygens explicó que la luz es una especie de movimiento desde dos aspectos: la producción de luz y los efectos que provoca. Su investigación encontró: "La luz se propaga en todas direcciones a velocidades extremadamente altas, y cuando los rayos de luz parten de diferentes lugares, los rayos de luz se atraviesan entre sí sin afectarse entre sí. Cuando vemos un objeto luminoso, nunca lo veremos. Es debido a el hecho de que cualquier materia en el objeto se transmite a nosotros, como una bala o una flecha que atraviesa el aire." De esto se desprende que Huygens derivó del hecho de que los haces de luz no se obstaculizan entre sí cuando se cruzan durante la propagación.

llegó a la conclusión anterior. Comparó la propagación de la luz con la propagación del sonido en el aire y señaló claramente la idea de que la luz es una onda. También demostró, basándose en la velocidad finita de la luz, que la luz es un movimiento que se propaga de una parte del medio a otras partes en secuencia. Creía que la luz, como las ondas sonoras y las ondas del agua, es una onda esférica. Huygens no solo explicó varios fenómenos de ondas de luz a partir del fenómeno, sino que también intentó resumir leyes universales desde un nivel teórico. Propuso el famoso principio de Huygens. Cuenta: “En cuanto a la formación de estas ondas, también hay que observar que cuando la luz se propaga a través de la materia, cada partícula de materia debe transmitir su movimiento no sólo a las partículas que se encuentran cerca de ella en la línea que la conecta con el punto de luz, sino que pero también debe transmitir movimiento a todas las demás partículas que entran en contacto con ella y dificultan su movimiento. Por lo tanto, debe formarse una onda alrededor de la partícula, y la partícula es el centro de la onda. Utilizando este principio de onda secundaria, Huygens no sólo explicó con éxito las leyes de reflexión y refracción, sino que también explicó el fenómeno de birrefringencia de la calcita. Huygens no dio una descripción matemática rigurosa del proceso ondulatorio. El concepto de longitud de onda no se menciona, y su envolvente de subonda no se considera a partir de la distribución de intensidad causada por la superposición de ciertas fases. Es solo una descripción cualitativa geométrica de la propagación de la luz, por lo que aún permanece en el campo de la óptica geométrica. . Dentro del ámbito de los conceptos. Como creía que las ondas de luz eran ondas longitudinales como las ondas sonoras, no podía explicar el fenómeno de polarización de la luz; además, la llamada onda de Huygens era en realidad sólo un pulso y no un tren de ondas, y no estableció el concepto de; periodicidad del proceso ondulatorio, por lo tanto, su teoría no puede explicar el origen del color, ni tampoco la interferencia, la difracción y otros fenómenos relacionados con la naturaleza de la luz. En resumen, la teoría ondulatoria de la luz establecida por Descartes, Hooke, Huygens y otros en el siglo XVII era todavía muy inmadura.

2. La formación de la teoría de partículas de la luz

En el proceso de formación de la teoría ondulatoria de la luz, surgió otra teoría opuesta sobre la naturaleza de la luz: la teoría de partículas de La luz se fue estableciendo gradualmente.

1. Newton propuso la teoría de las partículas de la luz en su estudio del fenómeno de dispersión de la luz. En sus investigaciones ópticas, Newton llegó a la conclusión del fenómeno de dispersión de la luz: un haz de luz monocromático no se puede modificar. Se puede decir que son "átomos" de luz, al igual que los átomos de materia. Las personas que apoyan la teoría de las partículas de la luz creen que la luz monocromática está compuesta de una sola partícula, mientras que la luz blanca es una mezcla de varias partículas de luz. El prisma solo las clasifica de modo que varias partículas de luz tengan diferentes ángulos de desviación. Por tanto, Newton y sus seguidores consideraron el fenómeno de la dispersión como una prueba de la teoría de las partículas. Sin embargo, la teoría ondulatoria, que entonces era muy imperfecta, difícilmente podía explicar el problema de la dispersión de la luz. Aunque Huygens estaba al tanto de los resultados de la investigación de Newton, evitó discutir este tema en sus obras.

2. Basándose en las propiedades de propagación lineal de la luz, Newton propuso la teoría de que la luz es un flujo de partículas. En su libro "Óptica" publicado en 1704, Newton propuso la teoría de que la luz es un flujo de partículas basándose en las propiedades de propagación lineal de la luz. Creía que la propagación de la luz en línea recta se debe al hecho de que estas partículas salen volando de la fuente de luz y se mueven en línea recta a una velocidad uniforme debido a la inercia en el vacío o en una sustancia uniforme. Dijo: "¿Es la luz un objeto muy pequeño emitido por una sustancia luminosa? Porque tales objetos pueden pasar a través de un medio uniforme en línea recta sin doblarse hacia el área de sombra. Ésta es la naturaleza de la luz.

”

3. Newton desarrolló y mejoró aún más la teoría de partículas de la luz en el proceso de explicar las leyes de refracción, difracción, interferencia y otros fenómenos de la luz. Al analizar la ley de refracción, Newton se adhirió a la. desde el punto de vista de la teoría de partículas y creía que la velocidad de la luz en un medio ópticamente denso es mayor que en un medio ópticamente disperso (en realidad, esta es una visión errónea), pero esto no pudo comprobarse experimentalmente en ese momento cuando Newton. Al explicar el fenómeno de la difracción de la luz, creía que cuando las partículas de luz pasan a través del borde del obstáculo, el haz de luz entra en el área de sombra geométrica debido a la fuerza gravitacional entre los dos. Esta explicación fue aceptada por la mayoría de la gente en ese momento. Cuando Newton explicó el fenómeno de interferencia de la luz, creía que cuando la luz se proyecta sobre un objeto, al ascender, puede provocar la vibración de las partículas de éter en el objeto, al igual que las piedras arrojadas al agua provocan ondas. El agua incluso imaginó que podría ser el fenómeno de interferencia causado por esta onda que pasa a través de la luz en secuencia. Al explicar la interferencia de la película delgada, Newton había entrado en contacto con el concepto de periodicidad de la luz. Se ha visto que la visión de Newton sobre la naturaleza de la luz se inclina básicamente hacia la teoría de partículas, pero también contiene algunas opiniones ondulatorias. Los partidarios y admiradores de esa época eligieron a Newton como representante de la teoría de partículas.

Cuando se formaron inicialmente la teoría ondulatoria de la luz y la teoría de partículas, estas dos se oponían. Los puntos de vista tuvieron feroces debates y luchas: la teoría ondulatoria de la luz representada por Huygens y otros, y la teoría de la luz representada por Newton y la teoría de partículas tienen su propia opinión. Todas pueden explicar algunos fenómenos ópticos, y a veces es difícil explicarlos con claridad. juzgue si es correcto o no debido a las condiciones del momento. Por ejemplo, según la teoría de partículas, la ley de refracción de la luz se puede deducir como

sini/sinr=v2/v1

En la fórmula, i es el ángulo de incidencia, r es el ángulo de refracción y n es el índice de refracción. v1 y v2 son el primer medio y el segundo medio respectivamente. medio ópticamente denso de un medio disperso, v2>v1, es decir, la velocidad de la luz v1 en el medio ópticamente disperso es menor que la velocidad de la luz v2 en el medio ópticamente denso. Según la teoría ondulatoria, Huygens derivó

sini/ sinr=v1/v2 then v2lt;v1

Dado que no había forma de medir con precisión la velocidad de la luz en el medio de forma experimental, era imposible juzgar cuál de los dos conceptos opuestos tenía razón. En el debate entre las dos teorías, debido a la destacada reputación y autoridad de Newton en ese momento, y al hecho de que la teoría de partículas de la luz también explicaba con éxito las características de propagación lineal de la luz, la reflexión y refracción de la luz, etc. La teoría de las partículas también era coherente con las teorías entonces vigentes sobre la estructura de la materia. La teoría atómica no es incompatible, por lo que la mayoría de los físicos del siglo XVII estuvieron de acuerdo con la teoría corpuscular de la luz. Esta situación duró hasta finales del siglo XVIII. siglo, lo que provocó que la teoría corpuscular dominara el debate sobre la naturaleza de la luz hasta el siglo XIX. También proporcionó una base importante para que la gente entendiera la naturaleza de la luz, haciendo que la teoría ondulatoria de la luz casi desapareciera. desarrolló la teoría ondulatoria del "éter". Entre ellos se encontraban Euler de Suiza (1707-1783), Bernoulli (1700-1782) y el ruso Lomonosov (1711-1765), etc. Aunque la teoría de las partículas prevaleció en el debate sobre la naturaleza de la luz, la actitud académica rigurosa de Newton siempre le hizo creer que aunque había realizado muchos experimentos ópticos, todavía eran insuficientes y sólo podían plantear algunas preguntas sobre la naturaleza de la luz. En la etapa de hipótesis, Newton esperaba "dejarlo a la consideración de aquellos que piensan que vale la pena el esfuerzo de aplicar esta hipótesis a la explicación de diversos fenómenos".

4. El resurgimiento de la teoría ondulatoria de la luz

En el siglo XVIII, debido al predominio de la teoría de partículas de la luz, en realidad hubo pocos avances en la teoría ondulatoria de la luz. luz. A principios del siglo XIX, gracias a los esfuerzos conjuntos de un gran número de físicos, la teoría ondulatoria de la luz resurgió nuevamente y logró un gran éxito.

1. El trabajo de investigación pionero de Thomas Young

El joven erudito británico Thomas Young (1773-1829) se enfrentó a la teoría de partículas representada por el famoso Newton y creyó que aunque también admiraba el nombre de Newton, esto no significa necesariamente que Newton sea infalible. Podría cometer errores y, debido a su autoridad, en ocasiones puede incluso obstaculizar el progreso de la ciencia. Es más, en su "Óptica", Newton

El fenómeno de rotación se produce en un campo magnético, revelando la conexión intrínseca entre la luz y los fenómenos electromagnéticos. En 1852, el físico alemán Weber (1804-1891) descubrió y midió que la relación entre la unidad electromagnética y la unidad electrostática de carga era igual a la velocidad de propagación de la luz en el vacío, lo que ilustra aún más la conexión intrínseca entre la luz y el electromagnetismo. En 1849, el físico francés Fizeau midió la velocidad de la luz. En 1862, Foucault utilizó el método del espejo giratorio para obtener un valor de medición más preciso y determinó que la velocidad de la luz en el agua es menor que la del aire.

velocidad, dando así una prueba experimental suficientemente precisa de la teoría ondulatoria de la luz. La medición de la velocidad de la luz proporciona una fuerte evidencia a favor de la teoría electromagnética de la luz. El establecimiento de la teoría del campo electromagnético de Maxwell en 1864 llevó la teoría ondulatoria de la luz a la cima del éxito. Hasta ahora, la teoría ondulatoria de la luz parece muy completa. Sin embargo, si consideramos la onda como una onda mecánica elástica en el "éter", debemos darle al éter muchas propiedades adicionales e incluso contradictorias, por ejemplo, si es la luz. Para ser una onda transversal, el "éter" debe tener una elasticidad de corte muy grande, y esta propiedad sólo la poseen los sólidos, por lo que la teoría ondulatoria todavía enfrenta dificultades. Y los resultados experimentales posteriores también demostraron que la teoría ondulatoria de la luz tiene ciertas limitaciones.

5. Teoría cuántica de la luz

En 1900, Planck propuso la hipótesis cuántica, y en 1905, Einstein publicó un famoso artículo sobre la teoría cuántica de la luz, titulado "Una teoría de la luz". Light" Perspectivas inspiradoras sobre generación y transformación. Señaló que la teoría de las ondas luminosas, que utiliza funciones espaciales continuas para representar la energía, conducirá a resultados contradictorios con la experiencia cuando se aplique a fenómenos como la generación y transformación de la luz. Parece más fácil comprender fenómenos como la radiación del cuerpo negro, la fotoluminiscencia y los efectos fotoeléctricos si se explican a partir del supuesto de cuantos de luz. Desarrolló el concepto de cuantos de energía propuesto por Planck y creía que la energía de la radiación electromagnética se puede dividir en pequeñas porciones y pequeñas porciones de "partículas". Estas partículas de energía son cuantos de luz, o fotones para abreviar. Su tamaño está representado por hv. (h—constante de Planck, v—frecuencia de la luz). El cuanto de luz es aplicable a todos los problemas de generación y transformación de la luz. En el espacio libre, el cuanto de luz es una "entidad" existente. Einstein utilizó el concepto de cuanto de luz para explicar con éxito el hecho experimental que no puede resolverse mediante la teoría física clásica. efecto fotoeléctrico. Porque según la teoría ondulatoria de la luz, contradice los hechos experimentales del efecto fotoeléctrico. Primero, según la teoría ondulatoria de la luz, bajo la irradiación de luz, los electrones del metal absorberán energía de la luz incidente y escaparán de la superficie del metal. La energía cinética inicial al escapar debe estar determinada por la amplitud de la vibración de la luz, es decir, la intensidad de la luz. Por tanto, la energía cinética inicial de los fotoelectrones debería aumentar con la intensidad de la luz incidente. Esto es inconsistente con los resultados experimentales del efecto fotoeléctrico. En segundo lugar, según la teoría ondulatoria, si la intensidad de la luz es suficiente para suministrar la energía necesaria para liberar fotoelectrones del metal, entonces el efecto fotoeléctrico se producirá para luz de varias frecuencias, pero el hecho experimental es que cada metal tiene un límite rojo. ν0, para la frecuencia. Para luz incidente menor que ν0, no importa cuán fuerte sea la luz incidente, el efecto fotoeléctrico no puede ocurrir. En tercer lugar, según la teoría ondulatoria de la luz, los electrones en el metal absorben energía de la onda incidente y deben hacerlo. acumularla hasta una cierta cantidad antes de que puedan liberar los electrones. Obviamente, cuanto más débil es la luz incidente, mayor es el tiempo de acumulación de energía. Pero el hecho es que cuando un objeto es iluminado por luz, no importa cuán débil sea la luz, siempre que la frecuencia sea mayor que la frecuencia límite roja, los fotoelectrones se emiten casi de inmediato. Einstein explicó con éxito el efecto fotoeléctrico basándose en la teoría cuántica de la luz. Y resumió la ecuación del efecto fotoeléctrico

Diez años después, el experimento de Millikan confirmó completamente la exactitud de la ecuación y la teoría del efecto fotoeléctrico de Einstein, estableciendo así la teoría cuántica de la luz.

6. La naturaleza partícula de la luz

En 1923, el físico estadounidense Compton descubrió en un experimento que la longitud de onda de los rayos Roentgen cambiaba después de que eran dispersados ​​por átomos de luz. Más tarde, este fenómeno también se observó cuando se utilizaron átomos pesados ​​para la dispersión, y el efecto Compton en ese momento era más complicado. Según la teoría electromagnética clásica, la luz es una onda electromagnética con una longitud de onda muy corta. La dispersión de la luz se puede explicar de la siguiente manera: cuando las ondas electromagnéticas pasan a través de un objeto, provocan vibraciones forzadas de las partículas cargadas en el objeto, absorbiendo energía de la luz incidente. Cada partícula cargada que vibra puede considerarse como un dipolo eléctrico vibrante, y irradian alrededor, lo que se convierte en luz dispersa. Según la teoría ondulatoria de la luz, la frecuencia de vibración forzada de las partículas cargadas debe ser igual a la frecuencia de la luz incidente, por lo que la frecuencia de la luz dispersada

La frecuencia debe ser la misma que la frecuencia de la luz incidente. La teoría ondulatoria de la luz visible puede explicar la dispersión invariante en longitud de onda, pero no puede explicar el efecto Compton. Compton explicó con éxito el efecto Compton utilizando el concepto de fotones. Supuso que la luz incidente está compuesta por muchos fotones. Estos fotones no solo tienen energía hv, sino que también tienen impulso hν/e. Este problema se transforma en un problema de colisión de partículas ordinario, es decir, fotones con impulso y energía chocan con electrones. que originalmente se encuentran en un estado estacionario. El proceso de colisión sigue las leyes de conservación de la energía y del momento. Los valores numéricos calculados de esta manera son consistentes con los resultados experimentales, confirmando así que la luz sí tiene propiedades de partículas.

7. Materialidad de la luz

La luz que incide sobre un objeto debe ejercer presión sobre el objeto que se ilumina. Esto fue propuesto por Kepler ya a principios del siglo XVII cuando explicó. la forma de la cola del cometa, en 1899, el físico ruso Lebedev (1866-1912) completó con éxito por primera vez el experimento de presión de la luz, confirmando aún más la materialidad de la luz. A través del experimento de presión de la luz, se demuestra efectivamente que la luz no solo tiene energía, sino también impulso. Esto sin duda prueba la materialidad de la luz y demuestra que la luz es una forma de materia al igual que los objetos reales. La luz es materia, lo que supone una mayor profundización de la comprensión de la gente sobre la naturaleza de la luz.

8. Visiones modernas sobre la naturaleza de la luz

Después de muchas generaciones de esfuerzos, hoy tenemos una comprensión más profunda y completa de la naturaleza de la luz. La luz es un tipo de sustancia y la luz tiene propiedades de onda y de partícula. Ésta es la llamada dualidad onda-partícula. La luz está compuesta de fotones. Los fotones tienen las propiedades de las partículas clásicas en muchos aspectos, pero la probabilidad de aparición de fotones se distribuye según las predicciones de la óptica ondulatoria. Dado que la constante de Planck es extremadamente pequeña, la energía y el impulso de los fotones que no tienen una frecuencia muy alta son muy pequeños. En muchos casos, es difícil que los fotones individuales muestren efectos observables. Lo que la gente suele ver es el comportamiento estadístico de una gran cantidad de fotones. Solo en algunas ocasiones especiales, especialmente cuando están involucrados procesos como la emisión y absorción de luz, la naturaleza de las partículas de los fotones individuales se mostrará claramente cuanto más corta sea la longitud de onda. , más obvia es la naturaleza de las partículas.