Περιήγηση στις θεωρίες περί Φωτός

Παρουσίαση με θέμα: "Περιήγηση στις θεωρίες περί Φωτός"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Περιήγηση στις θεωρίες περί Φωτός

2 Φως. Η πιο οικεία ίσως φυσική οντότητα στον άνθρωπο
Φως! Η πιο οικεία ίσως φυσική οντότητα στον άνθρωπο. Ταυτόχρονα και ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης επιστήμης, ικανό να μας προκαλέσει αρκετούς πονοκεφάλους στην προσπάθειά μας να το κατανοήσουμε. Να αρχίσουμε με αινίγματα για το φως; Τι είναι αυτό που είναι άχρωμο αν και αποτελείται από πολλά χρώματα; Τι είναι αυτό που αν και κινείται ευθύγραμμα στρίβει όταν πλησιάζει σε μεγάλα σώματα; Ποιο πράγμα κινείται γρηγορότερα απ’ οτιδήποτε άλλο στον Κόσμο;

3 Απάντηση: Το φως!

4 Το φως είναι δέσμη σωματιδίων
Το φως είναι κύμα Μια διαμάχη αιώνων !

5 Ας παρακολουθήσουμε την παράξενη και γοητευτική συνάμα θεωρία για το φως
Παρμενίδης (Κοσμογονία – 5ος π.Χ. αιώνας): Το φως και το σκότος αποτελούν τα δύο πρωταρχικά στοιχεία του σύμπαντος. ΄Ιπαρχος & Πυθαγόρειοι: η όραση οφείλεται σε οπτικές ακτίνες που εκπέμπονται από τα μάτια προς τα αντικείμενα. Αριστοτέλης: το φως όπως και το χρώμα είναι μια ακόμη ποιότητα των σωμάτων…

6 Εξέλιξη των ιδεών για τη διάδοση και τις ιδιότητες του φωτός
Ευκλείδης (12ος π.Χ.): Νόμος ανάκλασης και λειτουργία σφαιρικών κατόπτρων. Πτολεμαίος (2ος π.χ.): Διάθλαση και φαινομενική ανύψωση αστέρα. Λουκρήτιος (1ος μ.Χ.): Ευθύγραμμη διάδοση του φωτός λόγω τροχιών πολύ μικρών αόρατων σωματιδίων. Αλχαζέν (10 – 11ος αι.) :Το φως εκπέμπεται από το αντικείμενο προς το μάτι και η όραση προκύπτει από το είδωλο που σχηματίζεται στο εσωτερικό του ματιού. Θεοδώριχος (14ος αι.): ερμηνεία σχηματισμού ουράνιου τόξου.

7 «Διοπτρική» του Καρτέσιου
Το φως δεν είναι τίποτα άλλο από μια μηχανική ιδιότητα του φωτεινού αντικειμένου και του μέσου διάδοσης Στο κενό το μέσο διάδοσης είναι ο εξωτικός αιθέρας

8 Newton “Optics” « ΕΑΝ ΗΜΟΥΝ ΥΠΟΧΡΕΩΜΕΝΟΣ ΝΑ ΑΠΟΔΕΧΤΩ ΜΙΑ ΘΕΩΡΙΑ, Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΝ ΟΠΟΙΑ ΘΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΑ, ΕΙΝΑΙ ΑΥΤΗ ΤΗΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΑΟΡΑΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΑΠΟ ΤΑ ΦΩΤΕΙΝΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ. ΕΙΝΑΙ Η ΠΛΕΟΝ ΑΛΗΘΟΦΑΝΗΣ» .

9 Τι χρώμα έχει το ... λευκό φως;

10 Νεύτων : το λευκό ηλιακό φως αποτελείται από πολλά χρώματα.
Πριν από τον Νεύτωνα κι άλλοι ερευνητές είχαν παρατηρήσει ότι το ηλιακό φως όταν πέρναγε μέσα από διαφανή πρίσματα έδινε διάφορα χρώματα, υπέθεταν όμως ότι το πρίσμα χρωμάτιζε το φως αλλάζοντας κάποιες ιδιότητές του. Μόνο ο Νεύτων έκανε την απλή και μεγαλοφυή σκέψη ότι το πρίσμα χώριζε το φως στα χρώματα που το αποτελούσαν. Κάτι που επιβεβαίωσε πειραματικά, παρεμβάλλοντας δεύτερο πρίσμα τοποθετημένο αντίθετα από το πρώτο στο σημείο στο οποίο βρισκόταν τα χωρισμένα χρώματα.

11 18ος αιώνας η σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα κυριάρχησε στην ευρωπαϊκή σκέψη σε όλη τη διάρκεια του αιώνα. Για μία ακόμα φορά η δύναμη της αυθεντίας κυριολεκτικά καθοδήγησε τις περισσότερες από τις πειραματικές προσπάθειες και τις θεωρητικές συνθέσεις προς τη μία μόνο κατεύθυνση.

12 Το πρελούδιο της κυματικής φύσης του φωτός (1621)
O μαθηματικός Βιλεμπρορντ Σνελλ «παιδί του Λέιντεν», τρία χρόνια μικρότερος από τον Rubens, κάνει την εμφάνισή του στο προσκήνιο της επιστήμης σε μια εποχή που οι Ολλανδοί είναι πρωτοπόροι στη ζωγραφική, στην κατασκευή φακών και στις έρευνες για το φως το οποίο για την Ολλανδία της εποχής εκείνης είναι ένα σύμβολο.

13 Η φύση μιλάει με ημίτονα
«τι το βαθύτερο κρύβεται πίσω από την επιμονή του φωτός να διαθλάται με σταθερό λόγο ημιτόνων;». Αρχή του Fermat, (1657) ή Αρχή του ελαχίστου χρόνου. Ερμηνεία της διάθλασης του φωτός

14 Το φως είναι κύμα; Τo 1676 στο Παρίσι στο βιβλίο του - γραμμένο στα γαλλικά, Traité de la Lumière – Πραγματεία για το Φως – διατύπωσε μια σχετικά ολοκληρωμένη θεωρία με την οποία θα ήταν δυνατόν να ερμηνευτούν τα γνωστά τότε φωτεινά φαινόμενα – η ανάκλαση, η διάθλαση και η διπλή διάθλαση στη λεγόμενη ισλανδική κρύσταλλο. Βασίστηκε στην ιδέα ότι το φως είναι ΚΥΜΑ

15 Σε όλον σχεδόν τον 18ο αιώνα η εργασία του Christiaan Huygens για τον ΚΥΜΑΤΙΚΟ χαρακτήρα του φωτός αγνοήθηκε εντυπωσιακά. Ελάχιστες ήταν οι εργασίες που αναφέρθηκαν σ’ αυτήν και ουσιαστικά επί 100 περίπου χρόνια κανείς δεν πρόσθεσε τίποτε στην κυματική θεωρία του. Παρά την ισοδυναμία που παρουσίαζαν τα επιχειρήματα των δύο πλευρών για τη φύση του φωτός, η σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα κυριάρχησε στην ευρωπαϊκή σκέψη σε όλη τη διάρκεια του αιώνα. Για μία ακόμα φορά η δύναμη της αυθεντίας κυριολεκτικά καθοδήγησε τις περισσότερες από τις πειραματικές προσπάθειες και τις θεωρητικές συνθέσεις προς τη μία μόνο κατεύθυνση.

16 19ος αιώνας – Thomas Young Περίθλαση του φωτός πειραματική επιβεβαίωση της κυματικής φύσης
Ένας άνθρωπος που δεν είχε σπουδάσει Φυσική είχε πραγματοποίησε ένα από τα σημαντικότερα πειράματα στην ιστορία της Φυσικής (1773 – 1829).

17 Χρησιμοποιώντας μία μονοχρωματική φωτεινή πηγή, ένα διάφραγμα με δύο πολύ μικρές σχισμές και μια οθόνη τοποθετημένη παράλληλα προς το διάφραγμα σε σχετικά απόσταση,  κατάφερε φωτίζοντας το διάφραγμα να δει να σχηματίζονται στην οθόνη φωτεινές και σκοτεινές περιοχές που η μία διαδεχόταν την άλλη . Παράλληλα οι μετρήσεις που πήρε του επέτρεψαν για πρώτη φορά να υπολογίσει το μήκος κύματος των διαφόρων ακτινοβολιών.

18 Η ολοκλήρωση της κυματικής θεωρίας
James Clerk Maxwell

19 Ένα από τα πιο γόνιμα ραντεβού της ΕΜΠΕΙΡΙΑΣ με τα ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ
Ένα από τα πιο γόνιμα ραντεβού της ΕΜΠΕΙΡΙΑΣ με τα ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ. Ολόκληρη η Φυσική των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων «χώρεσε» μέσα σε τέσσερις εξισώσεις. Έτος

20 Treatise on Electricity and Magnetism, 1871
∮Ε.dΑ = q/ε ή ∇E = divE = ρ/ε0 ∮Β.dΑ = ή ∇Β = divΒ = 0 ∮Ε.dℓ = -dΦΒ/dt ή ∇ Χ E = curlE = -∂B/∂t ∮Β.dℓ = μ0(Ι + ε0dΦΕ/dt) ή ∇ Χ Β = curlB = μ0(J + ε0∂Ε/∂t)

21 το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και η αντίστοιχη ενέργεια εξαπλώνονται στον χώρο όχι με έναν οποιοδήποτε τρόπο αλλά έτσι ώστε η διάδοση να γίνεται με τη μορφή ΚΥΜΑΤΟΣ που ταξιδεύει με ορισμένη ταχύτητα ακόμα κι αν το παλλόμενο φορτίο από το οποίο δημιουργήθηκε σταματήσει να πάλλεται.

22 Σατανική σύμπτωση; c = λ . f
Ποια η τιμή της ταχύτητας διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών αυτών φαντασμάτων. Οι εξισώσεις έδειχναν ότι η ταχύτητα αυτή, Km/s, ήταν ίση με – γνωστή την εποχή εκείνη- ταχύτητα διάδοσης του ΦΩΤΟΣ. Ήταν μία σύμπτωση; Ο Maxwell αρνήθηκε να δεχθεί κάτι τέτοιο αλλά προχώρησε και ένα βήμα παραπέρα δίνοντας μία δική του απάντηση στο παλιό ερώτημα για τη φύση του φωτός. Η τολμηρή άποψή του ήταν ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα

23 Ο καταπληκτικός 20ος αιώνας
Ακτινοβολία μέλανος σώματος (1900) Το ΜΕΛΑΝ ΣΩΜΑ είναι ένα μοντέλο αντικειμένου το οποίο απορροφά απόλυτα την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του. Το κεντρικό ερώτημα ήταν « Ποια είναι η σχέση ανάμεσα στην έντασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα και στη ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ;»

24 υπόθεση για ΚΒΑΝΤΑ φωτός
Σύμφωνα με αυτή από τη σκοπιά της ενέργειας το φως εκπέμπεται και απορροφάται έτσι ώστε η ενέργεια – της εκπομπής ή της απορρόφησης – να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο μιας ποσότητας hf ( quantum ).

25 Στα μονοπάτια της κβαντικής φυσικής
Ε = h . f

26 Επιβεβαίωση της σωματιδιακής φύσης του φωτός (1905)
Επιβεβαίωση της σωματιδιακής φύσης του φωτός (1905)

27 1905. Albert Einstein. Το ξεπέρασμα ενός διλήμματος
Ο Albert EINSTEIN επιδιώκοντας να δώσει ερμηνεία στο ανεξήγητο μέχρι τότε φωτοηλεκτρικό φαινόμενο με μια από τις τρεις εργασίες του που θα δημοσιευτούν στο περίφημο τεύχος 17 του Annalen der Physik πρότεινε μια αξιοποίηση της θεωρίας του Planck και μια περαιτέρω προέκτασή της . Σύμφωνα με το δικό του μοντέλο κάθε φωτεινή δέσμη συντίθεται από σωματίδια καθένα από τα οποία μεταφέρει ενέργεια ενός κβάντου. Είκοσι χρόνια αργότερα τα σωματίδια αυτά ονομάστηκαν ΦΩΤΟΝΙΑ. Το φωτόνιο άρχισε να θεωρείται σωματίδιο χωρίς μάζα ηρεμίας.

28 Τελικά: Σωμάτιο ή κύμα

29 Και σωμάτιο και κύμα Το καινοφανές στοιχείο της νέας θεωρίας είναι ότι δεν αρνείται την κυματική φύση του φωτός. Η ακτινοβολία συνιστά μία υλική οντότητα αλλά σε ορισμένα από τα φαινόμενα με τα οποία εκδηλώνεται η ύπαρξή της – διάθλαση, συμβολή, περίθλαση, πόλωση, μπορούμε να ερμηνεύσουμε και να προβλέψουμε τη συμπεριφορά της επικαλούμενοι την κυματική της υπόσταση. Σε άλλα πάλι φαινόμενα – κατά τα οποία αλληλεπιδρά με την ύλη , όπως είναι το φωτοηλεκτρικό- για να ερμηνεύσουμε και να προβλέψουμε τη συμπεριφορά της, της αποδίδουμε μία σωματιδιακότητα, θεωρούμε ότι συγκροτείται από φωτόνια.

30 Φαινόμενο Compton (1923)

31 Ο κυματοσωματιδιακός δυισμός του φωτός
Οι βασικές αρχές του κυματοσωματιδιακού δυισμού του φωτός συνοψίζονται: Το φως έχει και κυματικό και σωματιδιακό χαρακτήρα (αποτελείται από αδιαίρετα "πακέτα" που φέρουν ενέργεια και ορμή, τα φωτόνια ή κβάντα φωτός). Οι βασικές σχέσεις που συνδέουν τα κυματικά χαρακτηριστικά του (συχνότητα (f), μήκος κύματος (λ)) με τα σωματιδιακά του χαρακτηριστικά (ενέργεια (E), είναι : Ε = h f , c = λ f

32 Τέλος Βασίλειος Παππάς ΓΕΛ Καλαμπάκας