Delta
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Delta > Fizyka - spis artykułów >  KORPUSKULARNA TEORIA INTERFENCJI ŚWIATŁA  
  Jesteś tutaj
Wybór artykułów z miesięcznika "Delta"
"Delta" to miesięcznik popularyzujący matematykę, fizykę i astronomię na bardzo wysokim poziomie, wydawany od 1974 roku.
Wirtualny Wszechświat prezentuje wybór tekstów publikowanych w "Delcie" od pierwszego numeru po początek XXI wieku.
  Szukacz
Delta 08/1974
Zbigniew PŁOCHOCKI
KORPUSKULARNA TEORIA INTERFENCJI ŚWIATŁA

Panuje dziś pogląd, że zjawiska interferencji światła (to znaczy nakładania się wiązek świetlnych ze wzmocnieniem lub osłabieniem) można wyjaśnić jedynie za pomocą falowej teorii światła. Albo odwrotnie, zjawiska te świadczą o falowej naturze światła. Na gruncie teorii falowej wzmacnianie lub osłabianie się wiązek świetlnych tłumaczymy nakładaniem się fal świetlnych w fazach zgodnych lub przeciwnych. Korpuskularna teoria światła zjawisk tego rodzaju wyjaśnić nie może, niemożliwe jest bowiem, rozumujemy, by na przykład w punkcie, do którego strzela się z dwu karabinów maszynowych, pociski "wygaszały się" wzajemnie; pada tam dwa razy więcej pocisków w porównaniu z sytuacją, gdy strzelałby do tego punktu tylko jeden karabin maszynowy. A więc strumienie cząstek "wzmacniają się".

Istotnie, teoria korpuskularna światła, w której światło traktuje się jako strumienie cząstek, nie pozwala skonstruować jednolitego schematu, w ramach którego można byłoby wyjaśnić wszystkie zjawiska interferencji światła. Teoria falowa natomiast taki schemat zbudować pozwala. Dlatego właśnie mamy prawo powiedzieć, że interferencja światła świadczy o jego falowej naturze.

Jak zapewne Czytelnikom wiadomo, obie koncepcje: falowa i korpuskularna narodziły się w XVII wieku. Pierwsza powstała za sprawą R. Hooke'a i Ch. Huyghensa i przybrała postać w miarę zwartej teorii dopiero w pierwszym dwudziestoleciu XIX wieku, głównie dzięki Th. Youngowi i A. J. Fresnelowi. Pierwszą korpuskularną teorią światła zaproponował angielski fizyk Isaac Newton w 1675 r. Rozwinął ją w swym dziele Optics , wydanym w 1703 r. Teoria ta, uznawana przez cały wiek XVIII, musiała w XIX wieku ustąpić teorii falowej, by na początku XX w. odrodzić się w postaci kwantowej teorii światła A. Einsteina. Właśnie w tym traktacie podał Newton wyjaśnienie jednego zjawiska, w którym mamy do czynienia z interferencją światła, mianowicie pierścieni Newtona (odkrytych wprawdzie przez R. Boyle'a w 1663 r., a nazwanych potem pierścieniami Newtona, gdyż właśnie Newton po raz pierwszy zbadał je dokładnie). Było to zresztą zjawisko tego typu zbadane dokładnie w tamtych czasach.

Najpierw słów kilka o samym zjawisku. Powstaje ono, gdy mamy do czynienia z odbiciem światła od górnej i dolnej powierzchni cieniutkiej warstewki powietrza a zmiennej grubości między płaską płytką szklaną a soczewką szklaną (rys. 1).

Rys. 1. Układ do obserwacji pierścieni Newtona: a - "z góry", tzn. w świetle odbitym; b - "z dołu", tzn. w świetle przechodzącym.

Obserwator widzi wtedy barwne koła (rys. 2).

Rys. 2. Pierścienie Newtona obserwowane w świetle odbitym przy użyciu światła: a - czerwonego, b - niebieskiego.

Falowa teoria światła tłumaczy to zjawisko interferencją wiązek światła odbitych od dolnej powierzchni soczewki i od górnej powierzchni płytki szklanej (rys. 3).


powiększ...
Rys. 3. Mechanizm powstawania pierścieni według falowej teorii światła. Fale wzmacniają się w tych kierunkach, w których biegną w fazach zgodnych (obserwator widzi jasny krążek); wygaszają się natomiast w tych kierunkach, w których biegną w fazach przeciwnych (do obserwatora nic nie dociera, czyli widzi on ciemny krążek). Dla pełnego zrozumienia zjawisk trzeba pamiętać, że w szkle fala świetlana odbija się od powierzchni oddzielającej szkło od powietrza - bez zmiany fazy; podczas odbicia do tej powierzchni, w przypadku, gdy fala świetlna pada z powietrza, następuje skokowa zmiana jej fazy o ;załamanie fali świetlnej następuje w obu przypadkach bez zmiany fazy.

A jak zjawisko tłumaczył Newton? Powstawanie okresowej i symetrycznej struktury (barwnej), jaką są pierścienie, nasunęło mu myśl, że cząstki świetlne cechuje pewien periodyczny proces wewnętrzny, w wyniku którego przechodzą one od stanu łatwego odbicia do stanu łatwego załamania. Zachowują się więc niczym talerze koziołkujące dokoła osi prostopadłej do kierunku ich ruchu: kiedy na powierzchnię na przykład wody padną płasko, odbija się od niej, kiedy zaś padną krawędzią, wnikną do drugiego ośrodka (rys. 4). Długość odcinka, jaki przebywa korpuskuła świetlna między stanem łatwego odbicia i stanem łatwego załamania, nazwał Newton interwałem (odpowiada to dokładnie jednej czwartej długości fali w obrazie falowym światła).

Rys. 4. Rozdwajanie się wiązki padającej na odbitą i załamaną - według Newtona.

Co się dzieje z korpuskułami Newtona w układzie jak na rys. 1? Na dolną powierzchnię soczewki padają cząstki świetlne w różnych stanach. Te, które padną w stanie łatwego odbicia - odbijają się. Do warstewki powietrza wnikną tylko te, które w chwili padania była w stanie łatwego załamania (rys. 5).

Rys. 5. Mechanizm powstawania pierścieni według korpuskularnej teorii światła Newtona.

Biegnąc dalej, spotykają powierzchnię płytki szklanej. Zależnie od długości drogi, jaką przebyły w powietrzu, trafiają na powierzchnię płytki albo w stanie łatwego odbicia (wtedy odbijają się, po czym znów przejdą łatwo przez dolną powierzchnię soczewki do oka obserwatora), albo w stanie łatwego załamania. W tym drugim przypadku pobiegną dalej do oka obserwatora patrzącego "z dołu". W świetle odbitym obserwator będzie widział na zmianę jasne i ciemne krążki (pierścienie), natomiast w świetle przechodzącym (rys. 1b) - odwrotnie: ciemne i jasne.

Powstawanie pierścieni barwnych tłumaczył Newton tym, że światło różnej barwy cechuje się różną wartością interwału. I na podstawie pomiarów promieni krążków różnej barwy wyznaczył doświadczalnie wartość interwału dla światła różnej barwy. Były to, nawiasem mówiąc, pierwsze pomiary długości fali światła widzialnego różnej barwy. Przykład ten jest wielce pouczający, wskazuje bowiem, że pojedyncze zjawisko można czasem wyjaśnić za pomocą dwóch przeciwstawnych teorii.

Wyjaśnienie jednego tylko konkretnego zjawiska za pomocą danej teorii nie może więc być uznane za kryterium poprawności tej teorii. Kryterium takie może stanowić dopiero fakt wyjaśnienia zespołu zjawisk. To zatem, że teoria jest zgodna z jednym faktem doświadczalnym, może o niczym jeszcze nie świadczyć. Konieczna jest zgodność teorii z faktami doświadczalnymi (koniecznie w liczbie mnogiej!). Dlatego konfrontację z faktami doświadczalnymi wytrzymać może trwale tylko teoria dostatecznie wszechstronna, a jej pozycja w fizyce będzie tym trwalsza, im więcej faktów doświadczalnych pozwala wyjaśnić.

Barwa Cztery interwały (wyniki Newtona, wyrażone w nanometrach) Rzeczywista wartość długości fali (w nanometrach)
fioletowa (granica widzialnej części widma) 406 393
między fioletową a indygo 439 426
między indygo a błękitną 459 454
między błękitną a zieloną 492 496
między zieloną a żółtą 532 536
między żółtą a pomarańczową 571 587
między pomarańczową a czerwoną 596 647
czerwona (granica widzialnej części widma?) 645 760

Zestawienie wyników pomiarów długości fali światła widzialnego różnej barwy, dokonanych przez Newtona, z wynikami nowoczesnych pomiarów (wg Wawiłowa): Prawdopodobne przyczyny rozbieżności są dwie: 1. Newton, wyznaczając wartości interwału, opierał się przybliżonych relacjach matematycznych; 2. nie udało się dokładnie ustalić ścisłej odpowiedniości między nazwami barw, które stosowano w czasach Newtona, a nazwami stosowanymi obecnie (dlatego nie wiadomo dokładnie, jakie wartości długości fali przyporządkować nazwom barw stosowanych przez Newtona).




[góra strony]
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach