Uvod
Priroda svetlosti vekovima je bila predmet rasprava. Njutn je pomoću prizme pokazao da se bela svetlost razlaže na dugine boje i pretpostavio da je svetlost čestične prirode. Istovremeno, Hajgens je smatrao da je svetlost talas, što je eksperimentalno dokazao Tomas Jang 1801. godine. Međutim, pitanje šta čini te talase ostalo je otvoreno sve do Maksvela.
Maksvelova teorija
Godine 1860. Maksvel je pokazao da je svetlost elektromagnetni talas, koji se sastoji od oscilujućih električnih i magnetnih polja u međusobno normalnim ravnima. Izvor elektromagnetnog zračenja su naelektrisane čestice koje se ubrzano kreću.
Ako se elektron ubrzano kreće, energija koju emituje menja se kontinualno, što znači da zračenje ima neprekidni spektar. Grafički, intenzitet $I$ zavisi od energije $E$ i prikazuje sve međuvrednosti.
Diskretni spektar i problem crnog tela
Krajem XIX veka otkriveno je da usijani gas emituje diskretni spektar – zračenje se javlja samo na određenim energijama. Takođe, toplotno zračenje crnog tela nije moglo da se objasni klasičnom teorijom.
Plankova hipoteza
- godine, Max Plank uvodi revolucionarnu ideju: energija se emituje u diskretnim paketima – kvantima: $ E = h \nu $ gde je $h$ Plankova konstanta, a $\nu$ frekvencija zračenja.
Ajnštajn i fotoelektrični efekat
Ajnštajn objašnjava fotoelektrični efekat uvodeći pojam fotona – čestice svetlosti. Foton nosi energiju: $ E = h \nu $
Ako svetlost posmatramo kao česticu, energija se može izraziti i preko mase: $ E = mc^2 $
Pošto se radi o istoj energiji: $ h \nu = mc^2 $
Talasno-čestična dualnost
Iz izraza za brzinu talasa: $ \nu = \frac{c}{\lambda} $ dobijamo: $ h \frac{c}{\lambda} = mc^2 $ skraćivanjem $c$: $ \frac{h}{\lambda} = mc $
Proizvod $mc$ je impuls, pa: $ p = \frac{h}{\lambda} $
Dakle, foton ima impuls, a masa se može izraziti kao: $ m = \frac{h}{\lambda c} $
Komptonov eksperiment
- godine, Artur Kompton bombarduje tanku foliju zlata X-zracima. Nakon sudara, talasna dužina fotona se povećava, što znači da mu se impuls smanjio. Deo impulsa prenet je elektronu, u skladu sa zakonom održanja impulsa: $ p_{\text{pre}} = p_{\text{posle}} $
Ovo je dokaz čestičnih osobina fotona.
Zaključak
Svetlost ima dualnu prirodu:
- Za velike talasne dužine (radio talasi) – ponaša se kao talas.
- Za male talasne dužine (X i gama zraci) – ispoljava čestične osobine.