ŚWIATŁO Prezentacja opracowana przez uczennicę klasy II LO Bogusławę Kużdżał Radomyśl Wielki „Bóg stworzył Wszechświat ” „Światło to po prostu forma promieniowania dostępna naszym oczom...” dalej

Wstęp... Historia odkrywania światła... Zakończenie... Bibliografia... Zakończ pokaz Strona główna

Wstęp. Natura światła interesowała już starożytnych Greków. Jednak przez stulecia pozostawała ona tajemnicą. Galileusz sformułował zagadnienie wyznaczenia prędkości światła, ale go nie rozwiązał. Sformułowanie zagadnienia ma często większe znaczenie niż jego rozwiązanie, które może być po prostu kwestią zręczności matematycznej lub doświadczalnej. Stawianie nowych problemów, odkrywanie nowych możliwości, umiejętność patrzenia w nowy sposób na stare zagadnienia – wszystko to wymaga wyobraźni twórczej i znamionuje rzeczywisty postęp nauki.

Od dawna wielu badaczy zajmujących się optyką podejrzewało, że prędkość światła ma skończoną wartość, lecz nie ustalono tego, aż do roku 1676, kiedy stwierdził to Ole Rømer ( ). Sir Isaac Newton ( ) badał widmo optyczne i wykorzystał ówczesną wiedzę do sformułowania teorii korpuskularnej światła, w myśl której światło jest strumieniem cząstek, powodującym zaburzenia w „eterze” wypełniającym przestrzeń. Jego zastępcy zaakceptowali korpuskuły i nie zwracali uwagi na falowy charakter tych zaburzeń aż do momentu, kiedy Thomas Young ( ) w 1801 r. odkrył interferencję światła i wykazał, że do wyjaśnienia tego zjawiska jest potrzebna teoria falowa. Taki punkt widzenia, akceptowany przez cały XIX w., umożliwił Jamesowi Clerykowi Maxwellowi ( ) wykazanie, że światło stanowi część widma elektromagnetycznego. Maxwell wierzył, iż rozchodzenie się fal promieniowania elektromagnetycznego wymaga istnienia specjalnego ośrodka i przywrócił nazwę „eter świetlny”. prędkość światła Sir Isaac NewtonThomas YoungJamesowi Clerykowi Maxwellowi Historia powstania światła. dalej Spis treści

Doświadczenie Michelsona-Morleya z 1887r. Pokazało, że jeśli nawet taki ośrodek istnieje, to nie sposób go wykryć; obecnie powszechnie przyjmuje się, że istnienie eteru jest zbędną hipotezą. Z kolei Albert Einstein ( ) w 1905r. Udowodnił, że zjawisko fotoelektryczne można wyjaśnić jedynie wtedy, gdy przyjmie się, iż światło jest strumieniem dyskretnych fotonów, czyli kwantów energii elektromagnetycznej. Odnowiony konflikt pomiędzy korpuskularną i falowa teorią światła był stopniowo rozwiązywany w miarę rozwoju teorii kwantów i mechaniki falowej. Stworzenie modelu opisującego zarówno cechy falowe, jak i korpuskularne nie było rzeczą łatwą. Przyjmuje się, zgodnie z zasadą komplementarności Bohra, że w pewnych doświadczeniach światło wykazuje właściwości falowe, a w innych korpuskularne. Odkrycie mechaniki falowej pokazało, że również elektrony i inne cząstki elementarne wykazują dualizm falowo-korpuskularny.Michelsona-Morleya Albert Einstein Bohradualizm falowo-korpuskularny Spis treści

Prędkość światła. Światło – i wszelkie promieniowanie elektromagnetyczne – podróżuje w próżni z prędkością ok kilometrów na sekundę, co oznacza, że mogłoby obiec Ziemię ponad 500 razy w ciągu minuty. Podróżuje wolniej w powietrzu, a jeszcze wolniej w wodzie, ale nadal jest to ogromna prędkość. Einstein wykazał, że dla wszystkiego, co jest wolniejsze od światła prędkość jest czymś względnym. Jeśli np. idziesz 5 km/h, idziesz z ta prędkością tylko dla kogoś na Ziemi. Dla kogoś w przestrzeni kosmicznej porusza się z prędkością ok km/h (5 km/h plus prędkość obrotu Ziemi). Jednakże nic nie może poruszać się szybciej niż światło, dlatego prędkość światła nie jest względna, lecz stała w całym wszechświecie.

Dualizm korpuskularno-falowy - cecha wielu obiektów fizycznych (np.: światła czy elektronów) polegająca na tym, że w pewnych sytuacjach, zachowują się one jakby były cząstkami (korpuskułami), a w innych sytuacjach jakby były falami. Na początku XX wieku, przyjęto że światło ma naturę dwoistą (dualną): jest jednocześnie falą i zbiorem cząstek. W niektórych doświadczeniach przejawia się jedna z nich, w innych zaś druga. W latach 20. XX w. podobne rozwiązanie przyjęto dla elektronów. Natura obiektów w przyrodzie jest jedna, natomiast dwoistość dotyczy jedynie sposobu jej postrzegania przez człowieka. Według mechaniki kwantowej właściwie całą materię charakteryzuje dualizm korpuskularno-falowy. Każdej cząstce, a nawet każdemu obiektowi makroskopowemu można przypisać charakterystyczną dla niego funkcję falową, wynikającą z probabilistycznej natury materii. Z drugiej strony każde oddziaływanie falowe można opisać w kategoriach cząstek.

Albert Einstein urodził się w 1879 r. w Ulm w Niemczech. Uczęszczał do szkoły średniej w Szwajcarii, został obywatelem szwajcarskim w 1901 r. Otrzymał stopień doktorski w 1905 r. na uniwersytecie w Zurychu, ale wówczas nie udało mu się uzyskać posady na jakiejś wyższej uczelni. W tym samym roku opublikował swoje prace na temat szczególnej teorii względności: prędkość światła jest taka sama we wszystkich poruszających się układach (doprowadziło to do przyjęcia czasu jako czwartego wymiaru, a w konsekwencji do unifikacji wszystkich wielkości fizycznych mierzonych w przestrzeni i czasie, takich jak materia i energia. Znalazł w ten sposób precyzyjne matematyczne wyrażenie na jedność materii i energii: E = mc 2, będące chyba najsłynniejszym równaniem fizyki), zjawiska fotoelektrycznego i teorii ruchów Browna. W istocie, Einstein uzyskał w 1921r. nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przede wszystkim za prace wyjaśniająca ważne zjawisko fotoelektryczne, które stanowiło do owego czasu zagadkę dla fizyków. W drugiej połowie życia Einstein cieszył się światową sławą. Był prawdopodobnie najsłynniejszym uczonym historii. Ze względu na żydowskie pochodzenie Einsteina jego sytuacja w Niemczech po dojściu Hitlera do władzy stała się niebezpieczna. W 1933 r. przeniósł się więc do Princeton w stanie New Jersey, gdzie pracował w Instytucie for Advanced Study, a w 1940 r. został obywatelem Stanów Zjednoczonych. Pierwsze małżeństwo Einsteina zakończyło się rozwodem, drugie było chyba szczęśliwe. Z pierwszą żoną miał dwoje dzieci, chłopców. Zmarł w Princeton18 kwietnia 1955 roku - o godzinie 1:15 w nocy w następstwie pęknięcia tętniaka aorty brzusznej o podłożu arteriosklerotycznym. Einstein interesował się zawsze sprawami otaczającego go świata i często zabierał głos w kwestiach politycznych. Był konsekwentnym przeciwnikiem politycznej tyranii, zagorzałym pacyfistą i zdecydowanym stronnikiem syjonizmu. W sprawach ubrania i zwyczajów towarzyskich był wyraźnym indywidualistą. Miał wielkie poczucie humoru, cechowała go skromność. Był także dość utalentowanym skrzypkiem. Treść napisu, jaki widnieje na nagrobku Newtona, zapewne w jeszcze większym stopniu pasowałby do Einsteina: "Niech cieszą się śmiertelnicy, że istniała tak wielka ozdoba rasy ludzkiej!". "Wpływ prac Einsteina na różne dziedziny fizyki jest tak ogromny i różnorodny - napisał Gerard Hol ton - że naukowiec, który starałby się to prześledzić, miałby duże trudności z ustaleniem, od czego zacząć". Prace Einsteina stanowią podstawę odkryć naukowych XX wieku i, podobnie jak odkrycia Izaaka Newtona, znalazły zastosowanie w technice, co pozwoliło manipulować zjawiskami przyrody. Tranzystory, mikroskopy elektronowe, komputery, komórki fotoelektryczne - to zaledwie kilka przykładów olbrzymiego skoku w dziedzinie informatyki i komunikacji, który nastąpił dzięki einsteinowskiej rewolucji.zjawiska fotoelektrycznego Albert Einstein

Niels Bohr urodził się w Kopenhadze 7 października 1885 r. Był synem Christiana Bohra, profesora fizjologii, i Elleny z Adierów. Bohrowie byli sobie bardzo bliscy. Tworzyli rodzinę kulturalną, o wysokim poziomie intelektualnym, tak więc Niels wychowywał się w środowisku sprzyjającym rozwojowi jego geniuszu. Matka była serdeczna i inteligentna.. Niels Bohr był najwybitniejszym fizykiem spośród tych, którzy wzięli udział w stworzeniu teorii kwantów. Bohr odegrał decydującą rolę w transformacji, jakiej uległa fizyka w XX w. Około 1913 r. opracował model atomu, który zyskał duże uznanie, a w połowie lat dwudziestych uczestniczył w narodzinach nowej teorii kwantów - matematycznej interpretacji wewnątrzatomowej rzeczywistości - która do dziś pozostała w fizyce teorią dominującą. Jednym z osiągnięć Bohra w 1913 r. była identyfikacja widma promieniowania rentgenowskiego z odpowiednimi kwantowymi przeskokami elektronów. W ciągu następnego roku fizyk brytyjski Harry Moseley opracował, pod kierunkiem Bohra, na podstawie badań widma promieniowania rentgenowskiego poszczególnych pierwiastków nowe, ostateczne uszeregowanie pierwiastków w układzie okresowym i przypisał każdemu pierwiastkowi właściwą liczbę atomową. W ciągu następnych kilku lat Bohr dokonał wielu bardziej szczegółowych odkryć. Otrzymał wiele nagród, w tym również nagrodę „Atom dla pokoju" w 1957 r. Aktywnie wspierał międzynarodową współpracę w dziedzinie badań fizycznych i przyczynił się do powstania Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych (CERN) w Genewie. 17 listopada 1962 r. udzielił ostatniego wywiadu na temat historii teorii kwantów. Następnego dnia, podczas swojej zwykłej poobiedniej drzemki, zmarł na atak serca. Został pochowany w grobie rodzinnym w Kopenhadze. Wkład Bohra do fizyki XX w. ustępuje jedynie osiągnięciom Einsteina. Werner Heisenberg i Niels Bohr

Isaac Newton Angielski matematyk, fizyk, alchemik i teolog. Położył podwaliny pod współczesną fizykę i analizę matematyczną, a także ogólną metodologię nauk doświadczalnych (formułując m.in. cztery zasady metody naukowej). Sformułował trzy słynne prawa dynamiki oraz prawo powszechnego ciążenia, przyczynił się do rozwoju optyki i analizy widmowej (dokonując rozszczepienia światła białego), wynalazł rachunek różniczkowy i całkowy (równolegle i niezależnie od Leibniza), stworzył podstawy rachunku wariacyjnego. Zasady dynamiki i prawo powszechnego ciążenia pozwoliły wyjaśnić prawa Keplera ruchu planet, ostatecznie potwierdzając heliocentryczny system Kopernika. Był ośrodkiem wielu sporów dotyczących pierwszeństwa odkryć naukowych, częściowo z tego powodu, że zwykł był publikować swoje osiągnięcia niechętnie i z dużym opóźnieniem. dalej

W roku 1666 sir Isaac Newton przeprowadził swoje słynne doświadczenie z rozszczepieniem światła słonecznego przez pryzmat. W jego notatkach zachował się szkic przedstawiający to doświadczenie. Podobny eksperyment możemy z łatwością powtórzyć skierowując na pryzmat wąską wiązkę światła na przykład od zwykłej lampy i obserwując na ekranie ustawionym za pryzmatem wielobarwne widmo (rysunek 1). W ten sposób przekonujemy się o dwóch faktach: że białe światło jest mieszaniną fal wywołujących wrażenie różnych barw (barwom odpowiadają różne długości fali ), oraz że fale świetlne o różnych barwach rozchodzą się w szkle z różną prędkością. Rys. 1

Doświadczenie Michelsona-Morleya. W słynnym doświadczeniu wykonanym przez fizyków amerykańskich – przez Michelsona i Morleya - próbowano sprawdzić prędkość rozchodzenia się światła w układzie związanym z Ziemią Jedną z błędnych, jak się obecnie sądzi, koncepcji, która bardzo długo utrzymywała się w fizyce, była koncepcja eteru kosmicznego. Pochodzi ona z ok. V wieku p.n.e. Twórcami jej byli starożytni filozofowie greccy reprezentujący kierunek zwany szkołą pitagorejską, którą miał ponoć zapoczątkować sam Pitagoras. Tak jak człowiek utonąłby w otchłani morza, gdyby chciał przez nie przejść — rozumowali oni — tak samo światło „utonęłoby" w próżni, gdyby nie istniał w niej ośrodek, w którym światło mogłoby się rozchodzić. Ten hipotetyczny ośrodek, który miał wypełniać cały Wszechświat, nazwano eterem kosmicznym. Koncepcja eteru przechodziła różne koleje losu, była jednak zawsze powszechnie uznawana, nieliczni jej przeciwnicy (np. w starożytności — atomiści) nie byli bowiem w stanie zaproponować innej. doświadczenia, które rozpoczął w 1881 A.A. Michelson. Pod wpływem krytyki jego pierwszych prac gdzie zarzucano mu zbyt małą dokładność pomiarów Michelson wraz z E.W. Morleyem ulepszyli posiadaną aparaturę, co umożliwiło przeprowadzenie doświadczeń w sposób na tyle precyzyjny, żeby ich wyniki nie budziły już wątpliwości. Znane doświadczenie przeprowadzili w 1887 roku. dalej

Za pomocą odpowiedniego urządzenia światło ze źródła zostaje rozdzielone na dwie wiązki, z których jedna biegnie równolegle do kierunku ruchu Ziemi po orbicie dookoła Słońca, druga zaś w kierunku prostopadłym. Obie wiązki odbijają się od zwierciadeł i po pewnym czasie spotykają się ze sobą. Obracając więc przyrząd o kąt 90° (wtedy wiązka, która poprzednio biegła równolegle do kierunku ruchu Ziemi po orbicie, teraz biegnie prostopadle, natomiast wiązka biegnąca poprzednio w kierunku prostopadłym, teraz biegnie równolegle), zamieniali po prostu wiązki jedną z drugą. Celem doświadczenia było zbadanie, czy czas, po jakim wiązki spotykają się po odbiciu od zwierciadeł, będzie w obydwu przypadkach taki sam, czy też inny. Wynik doświadczenia był jednoznaczny: ustawienie przyrządu nie miało żadnego wpływu na czas, po jakim wiązki się spotykały. Wynikało stąd, że ruch obserwatorium (wraz z Ziemią po jej orbicie) nie ma wpływu na prędkość światła, a więc że prędkość światła jest identyczna w kierunku ruchu laboratorium i w kierunku do niego prostopadłym. Jeśli więc eter istnieje, to z doświadczenia wynikało, że musi on być całkowicie porywany przez ciała w nim się poruszające w tym przypadku przez Ziemię (światło miało rozchodzić się w eterze). Z kolei z doświadczenia Fizeau wynikało, że jeśli eter istnieje, to może on być porywany tylko częściowo. W ten sposób fakty doświadczalne wskazywały, że przypuszczenie, iż eter istnieje, prowadzi do sprzeczności. Wobec tego koncepcję eteru, jako sprzeczną z wynikami doświadczeń, odrzucono. Doświadczenie to miało więc decydujące znaczenie dla wykazania błędności koncepcji eteru kosmicznego, koncepcji, która utrzymywała się od wieków, pochłaniając uczonym wiele czasu i wysiłku na znalezienie jakichkolwiek uchwytnych przesłanek istnienia tego hipotetycznego ośrodka.

James Cleryk Maxwell Prowadzone w XVIII w. i pierwszej połowie XIX w. przez wielu znakomitych fizyków (należałoby tu szczególnie podkreślić wkład Michaela Faraday’a) badania nad elektrycznością i magnetyzmem doprowadziły do stworzenia matematycznej teorii zjawisk elektromagnetycznych. Ogłoszenie w 1873 roku wielkiego dzieła Jamesa Clerka Maxwella "Treatise on Electricity and Magnetism" to, podobnie jak w końcu XVII w. mechanika Newtona, kolejny przewrót w strukturze fizyki. Z równań Maxwella, zwanych dziś równaniami elektrodynamiki klasycznej, wynikało istnienie nowego, nie znanego wówczas zjawiska fal elektromagnetycznych, obejmującego również światło. W ramach jednej teorii połączone zostały trzy wielkie klasy zjawisk (elektryczne, magnetyczne i optyczne), przez długi okres czasu uważane za niezależne. Równania Maxwella to matematyczny opis pola elektromagnetycznego. Maxwell użył w swej teorii pojęcia eteru - hipotetycznego ośrodka wypełniającego przestrzeń, w którym miałyby rozchodzić się fale elektromagnetyczne (światło).

Thomas Young Thomas Young Interferencja jest to zjawisko nakładania się fal świetlnych. Zjawisko to potwierdza falową naturę światła. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował Thomas Young w roku 1802, w doświadczeniu, które odtąd nazywa się jego imieniem. Young umieścił mocne źródło światła za przesłoną, w której wyciął szczelinę S o szerokości 1 mm. Światło po przejściu przez tę szczelinę napotykało następną przesłonę, w której znajdowały się 2 szczeliny: S 1 i S 2, bardzo wąskie i położone bardzo blisko siebie, będące zgodnie z zasadą Huygensa źródłami nowych fal cząstkowych. Fale te na ekranie dały obraz niezgodny z zasadą prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych. Obraz ten składał się z szeregu tzw. prążków interferencyjnych, będących wynikiem nakładania się (interferencji) dwóch fal wychodzących ze szczelin: S 1 i S 2. W wyniku tego nakładania w pewnych miejscach następowało wzmocnienie (jasne miejsca na ekranie), w innych - wygaszanie (ciemne miejsca). W miejscach wzmocnień spotykały się fale w zgodnych fazach, w miejscach wygaszeń zaś - w fazach przeciwnych. Powstawanie obrazu interferencyjnego można zaobserwować tylko wtedy gdy nakładające się, czyli interferujące, fale są spójne, tzn. mają jednakową długość fali λ i stałą różnice faz. Warunek ten spełniają w doświadczeniu Younga fale wychodzące ze szczelin S 1 i S 2 oświetlonych światłem z jednej szczeliny S. Światło Słońca, świecy czy żarówki nie jest spójne. Obecnie jednak ludzkość dysponuje już źródłem światła spójnego. Jest nim laser. Lasery są sztucznymi źródłami światła. Emitowane przez nie światło ma dwie ważne właściwości: po pierwsze jest monochromatyczne (tzn. ma ustaloną długość fali λ), a po drugie jest spójne, czyli koherentne, co oznacza, że w każdej chwili jest zgodne w fazie. W praktyce, dzięki spójności wiązka promieni laserowych nie ulega szybkiemu rozproszeniu jak wiązka światła niespójnego, lecz jest skupiona i można ją przesyłać na bardzo duże odległości prawie bez strat energii. Nie daje takich możliwości światło wysyłane np. przez latarkę - choćby najmocniejszą - które szybko ulega rozproszeniu. Powiększ rys. Powiększ rysPowiększ rys.

W swoim opracowaniu Albert Einstein założył, że istnieją fotony, czyli cząstki światła. Ponieważ na długo przedtem stwierdzono w doświadczeniach poświęconych interferencji, że światło składa się z fal elektromagnetycznych, fale zaś i cząstki uznawano za pojęcia w sposób oczywisty przeciwstawne, wobec tego hipoteza Einsteina stanowiła radykalne i paradoksalne zaprzeczenie klasycznej teorii. Okazało się jednak, że jego wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego ma duże znaczenie praktyczne, a hipoteza istnienia fotonów wywarła istotny wpływ na rozwój teorii kwantów i stanowi obecnie jej integralną część. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE

Zakończenie. Musimy przyznać, że im bardziej podstawowe i fundamentalne aspekty materii są badane, tym bardziej abstrakcyjne stają się rozważania nad nimi! Jeden z największych matematyków w XIX wieku, Alferd North Whitehead, powiedział, że matematyka na swoim najgłębszym poziomie jest nierozdzielna z fizyką na jej najgłębszym poziomie. Można jednak wierzyć, że u podstaw fizyki leży niewielki zbiór podstawowych zasad, mogących być wyrażonych prostym językiem, bez konieczności odwoływania się do matematyki. I że z tych zasad, wyrażonych już w formie eleganckiego równania matematycznego (ewentualnie zestawu równań), będzie można odtworzyć otaczający nas świat z całym bogactwem zjawisk fizycznych oraz jego przeszłością i przyszłością.

Bibliografia. A:\Encyklopedia PWN.htm A:\Hiperprzestrzeń - elegancja w wyższych wymiarach.htm A:\Zjawisko interferencji fal świetlnych.htm A:\Natura światła.htm A:\Doświadczenie Michelsona-Morleya.htm A:\Niels Bohr - Wikipedia.htm A:\URANOS Izaak Newton.htm J. Mostowski, W. Natorf, N. Tomaszewska, Fizyka i astronomia, WSiP, Warszawa 2003 J. Farndon, Szkolna Encyklopedia, Wydawnictwo RTW, Warszawa 1996