Priroda svjetlosnih zraka
Razvoj valne teorije
Vezu između spektralne boje i valne duljine otkrivena je tek početkom
19. stoljeća, zamjenom čestične (korpuskularne) teorije prirode
svjetlosti valnom teorijom. Valnu teoriju prirode svjetlosti razvio
je još sredinom 17. stoljeća Christian Huygens. Budući su svi do
tada poznati valovi (zvučni valovi, valovi na vodi) nastajali kao
poslijedica titranja određenog medija, Huygens uvodi nevidljivu
tvar - eter, titranjem koje nastaju valovi svjetlosti. Valnoj teoriji
svjetlosti suprotstavljena je teorija koju je zastupao René Descartes,
a koja svjetlost predočuje kao struju brzih čestica. Newton se neko
vrijeme dvoumio između ove dvije teorije, no naposljetku se opredijelio
za čestičnu (korpuskularnu) teoriju, jer mu se činilo da bi postojanje
etera ometalo gibanje svemirskih tijela. Pod utjecajem Newtonovog
autoriteta čestična teorija svjetlosti je prevladala tijekom 18.
stoljeća.
Početkom 19. stoljeća Thomas Young i Augustin Fresnel provode niz
eksperimenata vezanih uz ogib (difrakciju) i interferenciju svjetlosnih
zraka, pojava koje se nisu mogle objasniti čestičnom prirodom svjetlosti.
Izračunavanje približne valne duljine boja u vidljivom dijelu spektra
označilo je privremenu pobjedu valne teorije svjetlosti.
Elektromagnetski valovi
Nagli razvoj elektrodinamike u 19. stoljeću rezultirao je teorijom
elektromagnetskog polja koju je 1864. godine iznio James Clerk Maxwell.
Iz Maxwellovih jednadžbi proizlazi da su elektricitet i magnetizam
različite manifestacije jednistvene elektromagnetske sile. Promjene
električnog i magnetskog polja u prostoru oko nekog naboja manifestiraju
se kao elektromagnetski valovi koji se prostorom šire konstantnom
brzinom svjetlosti. Maxwell zaključuje da su valovi svjetlosti ustvari
elektromagnetski valovi.
Eksperimentalnu potvrdu Maxwellovog zaključka dao je Heinrich Hertz
1888. Naizmjenični skokovi električne iskre između dviju nabijenih
kugli proizveli su elektromagnetske valove čija valna duljina je
ovisila o frekvenciji skokova. Elektromagnetski valovi dobiveni
u Hertzovom eksperimentu imali su valnu duljinu (~ 1 metar) više
od milijun puta veću od valnih duljina vidljive svjetlosti, no usprkos
tome svojstva tih valova (refleksija, ogib, interferencija) su odgovarala
svojstvima svjetlosti.
Michelson-Morleyev pokus
Maxwellova teorija elektromagnetskog polja zadržala je eter kao
medij širenja elektromagnetskih valova. Budući eter prožima sav
prostor, sva tijela su uronjena u njega, iz čega priozlazi da će
se brzina svjetlosti mijenjati ovisino o brzini kojom se giba tijelo
s kojeg se mjerenje vrši. Izuzetna brzina kojom se svjetlost širi
prostorom otežava utvrđivanje tih razlika.
Brzinu svjetlosti približno je odredio Römer Olaus 1676. godine.
Iz razlike u vremenu ulaska Jupiterovog satelita u Jupiterovu sjenu,
određenom mjerenjem u momentu kad im je Zemlja najbliže i najdalje,
procjenio je brzinu svjetlosti na 300 000 km/s.
U pokusu iz 1887. Albert Michelson i Edward Morley pokušali su
odrediti razliku u brzini dva svjetlosna snopa, od kojih je jedan
dolazio iz smjera orbitalnog gibanja zemlje oko sunca, a drugi iz
smjera pod pravim kutem u odnosu na zemljino gibanje. Svjetlosni
snop koji dolazi iz smjera gibanja zemlje kreće se protiv "eterskog
vjetra", pa bi mu brzina morala biti manja od brzine drugog svjetlosnog
snopa. U više puta ponovljenom pokusu Michelson i Morley nisu uočili
nikakvu razliku u brzinama svjetlosnih snopova. Za provedbu pokusa
upotrebljen je Michelsonov interferometar, koji u novije vrijeme
ima važnu primjenu u spektrometriji. Princip rada, te upotreba Michelsonovog
interferometra opisani su u poglavlju posvećenom infracrvenoj spektrometriji.
Na temelju rezultata Michelsona i Morleya, Albert Einsten 1905.
objavljuje specijalnu teoriju relativnosti koja ukida eter kao medij
širenja svjetlosti i postulira neovisnost brzine svjetlosti o brzini
gibanja promatrača.
Dvojna priroda svjetlosti
1899. godine Phillip Lenard je otkrio da katodne zrake (snop brzih
elektrona) mogu nastati usmjeravanjem svjetlosti na površinu metala
u vakuumu. Brzina izbijenih elektrona ovisila je o valnoj duljini
svjetlosti, dok je broj izbijenih elektrona ovisio o intenzitetu
svetlosnog snopa. Iznad određene valne duljine monokromatskog
svjetlosnog snopa katodne zrake se nisu javljale bez obzira na intenzitet
snopa. Ovu pojavu objasnio je 1905. godine A. Einstein primjenom
Planckove kvantne koncepcije na EMZ. Einstein zaključuje da svjetlost
ima dvojnu prirodu. Ovisno o tipu eksperimenta svjetlost će se ponašati
kao čestica (foton) ili kao val.
|
