Θεωρία κυμάτων του φωτός Huygens

Το κυματική θεωρία του φωτός Το Huygens όρισε το φως ως κύμα, παρόμοιο με το ήχο ή τα μηχανικά κύματα που συμβαίνουν στο νερό. Από την άλλη πλευρά, ο Νεύτωνας επιβεβαίωσε ότι το φως σχηματίστηκε από σωματίδια υλικού στα οποία ονομάζεται σωματίδια.

Το φως ανέκαθεν ανέδειξε το ενδιαφέρον και την περιέργεια του ανθρώπου. Με αυτόν τον τρόπο, από την έναρξή του ένα από τα βασικά προβλήματα της φυσικής ήταν να αποκαλύψει τα μυστήρια του φωτός.

Για τους λόγους αυτούς, σε όλη την ιστορία της επιστήμης υπήρξαν διαφορετικές θεωρίες που αποσκοπούν να εξηγήσουν την πραγματική τους φύση.

Ωστόσο, δεν ήταν μέχρι τα τέλη του δέκατου έβδομου και αρχές του δέκατου όγδοου αιώνα, με τις θεωρίες του Ισαάκ Νεύτωνα και του Κρίστιαν Huygens, όταν άρχισαν να θέσει τα θεμέλια για μια βαθύτερη κατανόηση του φωτός.

Αρχές της κυματικής θεωρίας του φωτός του Huygens

Το 1678 ο Christiaan Huygens διατύπωσε τη θεωρία του φωτός για το κύμα, η οποία αργότερα, το 1690, δημοσίευσε στο έργο του Treatise on light. 

Ο ολλανδός φυσικός πρότεινε ότι το φως εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις ως ένα σύνολο κυμάτων που κινούνται μέσα από ένα μέσο που ονομάζεται αιθέρας. Δεδομένου ότι τα κύματα δεν επηρεάζονται από τη βαρύτητα, υποτίθεται ότι η ταχύτητα των κυμάτων μειώθηκε όταν εισήλθαν σε ένα πυκνότερο μέσο.

Το μοντέλο του αποδείχθηκε ιδιαίτερα χρήσιμο για να εξηγήσει το νόμο του Snell-Descartes για τον προβληματισμό και τη διάθλαση. Επίσης εξήγησε ικανοποιητικά το φαινόμενο της περίθλασης.

Η θεωρία του βασίστηκε βασικά σε δύο έννοιες:

α) Οι πηγές φωτός εκπέμπουν κύματα με σφαιρικό σχήμα, παρόμοια με τα κύματα που εμφανίζονται στην επιφάνεια του νερού. Με αυτόν τον τρόπο, οι ακτίνες φωτός ορίζονται από γραμμές των οποίων η διεύθυνση είναι κάθετη προς την επιφάνεια του κύματος.

β) Κάθε σημείο ενός κύματος είναι με τη σειρά του ένα νέο κέντρο εκπομπής δευτερευόντων κυμάτων, τα οποία εκπέμπονται με την ίδια συχνότητα και ταχύτητα που χαρακτήριζαν τα πρωτεύοντα κύματα. Το άπειρο των δευτερευόντων κυμάτων δεν γίνεται αντιληπτό, έτσι ώστε το κύμα που προκύπτει από αυτά τα δευτερεύοντα κύματα να είναι το περίβλημα του.

Ωστόσο, η θεωρία των κυμάτων του Huygens δεν έγινε αποδεκτή από τους επιστήμονες της εποχής του, εκτός από μερικές εξαιρέσεις όπως ο Robert Hooke's.

Το τεράστιο κύρος του Νεύτωνα και η μεγάλη επιτυχία που έφτασε στη μηχανική του μαζί με τα προβλήματα για την κατανόηση της έννοιας του αιθέρα, έκαναν ότι οι περισσότεροι σύγχρονοι επιστήμονες και οι δύο επέλεξαν την κορυστική θεωρία του αγγλικού φυσικού.

Ανταπόκριση

Η αντανάκλαση είναι ένα οπτικό φαινόμενο που λαμβάνει χώρα όταν ένα κύμα χτυπά λοξά σε μια επιφάνεια διαχωρισμού μεταξύ δύο μέσων και υφίσταται αλλαγή κατεύθυνσης, επιστρέφοντας στο πρώτο μέσο μαζί με μέρος της ενέργειας της κίνησης.

Οι νόμοι του προβληματισμού είναι οι ακόλουθοι:

Πρώτος νόμος

Η ανακλώμενη ακτίνα, το περιστατικό και η κανονική (ή κάθετη) βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.

Δεύτερος νόμος

Η τιμή της γωνίας πρόσπτωσης είναι ακριβώς η ίδια με αυτή της γωνίας ανάκλασης.

Η αρχή του Huygens επιτρέπει να αποδείξει τους νόμους της αντανάκλασης. Βεβαιώνεται ότι όταν ένα κύμα φτάσει στο διαχωρισμό των μέσων, κάθε σημείο γίνεται μια νέα πηγή εκπομπής που εκπέμπει δευτερεύοντα κύματα. Το εμπρόσθιο κύμα που αντικατοπτρίζεται είναι ο φάκελος των δευτερευόντων κυμάτων. Η γωνία αυτού του ανακλώμενου δευτερεύοντος κύματος εμπρός είναι ακριβώς η ίδια με τη γωνία πρόσπτωσης.

Διάθλαση

Ωστόσο, η διάθλαση είναι το φαινόμενο που συμβαίνει όταν ένα κύμα χτυπά λοξά πάνω από ένα κενό μεταξύ δύο μέσων, τα οποία έχουν διαφορετικό δείκτη διάθλασης.

Όταν συμβαίνει αυτό, το κύμα διεισδύει και μεταδίδεται από το δεύτερο μέσο μαζί με μέρος της ενέργειας της κίνησης. Η διάθλαση συμβαίνει ως συνέπεια της διαφορετικής ταχύτητας με την οποία τα κύματα διαδίδονται σε διαφορετικά μέσα.

Ένα τυπικό παράδειγμα του φαινομένου της διάθλασης μπορεί να παρατηρηθεί όταν ένα αντικείμενο εν μέρει παρεμβληθεί (για παράδειγμα, ένα στυλό ή ένα στυλό) σε ένα ποτήρι νερό.

Η αρχή του Huygens παρείχε μια πειστική εξήγηση για τη διάθλαση. Τα σημεία στο κύμα που βρίσκονται στα όρια μεταξύ των δύο μέσων ενεργούν ως νέες πηγές διάδοσης του φωτός και επομένως η κατεύθυνση των αλλαγών διάδοσης.

Διάθλαση

Η διάθλαση είναι ένα φυσικό φαινόμενο χαρακτηριστικό των κυμάτων (συμβαίνει σε όλους τους τύπους κυμάτων) που συνίσταται στην απόκλιση των κυμάτων όταν βρίσκουν ένα εμπόδιο στην πορεία τους ή περνούν μέσα από μια σχισμή.

Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η περίθλαση λαμβάνει χώρα μόνο όταν το κύμα παραμορφώνεται λόγω ενός εμποδίου το μέγεθος του οποίου είναι συγκρίσιμο με το μήκος κύματος του..

θεωρία του Huygens εξηγεί ότι όταν το φως χτυπά μια σχισμή όλα τα σημεία του επιπέδου της γίνονται δευτερογενείς πηγές που εκπέμπουν κύματα, όπως εξηγείται παραπάνω, οι νέες κύματα σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται διαθλαστικής κύματα.

Τα αναπάντητα ερωτήματα της θεωρίας του Huygens

Η αρχή Huygens άφησε μια σειρά ερωτήσεων χωρίς απάντηση. Ο ισχυρισμός του ότι κάθε σημείο ενός κύματος ήταν με τη σειρά του μια πηγή νέου κύματος, δεν εξήγησε γιατί το φως διαδίδεται τόσο προς τα πίσω όσο και προς τα εμπρός.

Εξίσου η εξήγηση της έννοιας του αιθέρα δεν ήταν απολύτως ικανοποιητική και ήταν ένας από τους λόγους για τους οποίους η θεωρία του αρχικά δεν έγινε αποδεκτή.

Ανάκτηση του μοντέλου κύματος

Δεν ήταν μέχρι το 19ο αιώνα, όταν ανακτήθηκε το μοντέλο κύματος. Ήταν κυρίως χάρη στις συνεισφορές του Thomas Young που ήταν σε θέση να εξηγήσει όλα τα φαινόμενα του φωτός βάσει του ότι το φως είναι ένα διαμήκιο κύμα.

Συγκεκριμένα, το 1801 έκανε το περίφημο πείραμα διπλής σχισμής. Με αυτό το πείραμα, η Young εξέτασε ένα πρότυπο παρεμβολής στο φως από μια μακρινή πηγή φωτός όταν διαχέεται μετά από να περάσει από δύο σχισμές.

Ομοίως, ο Young εξήγησε επίσης μέσω του μοντέλου κύματος τη διασπορά του λευκού φωτός στα διαφορετικά χρώματα του ουράνιου τόξου. Έδειξε ότι σε κάθε μέσο κάθε χρώμα που συνθέτει το φως έχει χαρακτηριστική συχνότητα και μήκος κύματος.

Με αυτόν τον τρόπο, χάρη σε αυτό το πείραμα, απέδειξε την κυματική φύση του φωτός.

Είναι ενδιαφέρον ότι, με την πάροδο του χρόνου, αυτό το πείραμα αποδείχτηκε κλειδί για την επίδειξη του κύματος φωτός του σώματος διττότητας, ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό της κβαντομηχανικής.

Αναφορές

1. Burke, John Robert (1999). Φυσική: η φύση των πραγμάτων. Πόλη του Μεξικού: Διεθνείς επεξεργαστές Thomson. 
2. "Christiaan Huygens." Εγκυκλοπαίδεια της παγκόσμιας βιογραφίας. 2004. Encyclopedia.com. (14 Δεκεμβρίου 2012).
3. Tipler, Paul Allen (1994). Φυσική 3η έκδοση. Βαρκελώνη: Reverté.
4. Ο David A. B. Miller Huygens 'αρχή της διάδοσης κύματος διορθώθηκε, Optics Letters 16, σελ. 1370-2 (1991)
5. Huygens-Fresnel αρχή (n.d.). Στη Βικιπαίδεια. Ανακτήθηκε στις 1 Απριλίου 2018, από το en.wikipedia.org.
6. Φως (n.d.). Στη Βικιπαίδεια. Ανακτήθηκε στις 1 Απριλίου 2018, από το en.wikipedia.org.

7. Το πείραμα του Young (n.d.). Στη Βικιπαίδεια. Ανακτήθηκε στις 1 Απριλίου 2018, από το es.wikipedia.org.