licht: deeltje of een golf?

deeltjes-en Golfbreking

wanneer een lichtbundel zich verplaatst tussen twee media met verschillende brekingsindices, ondergaat de lichtbundel breking en verandert van richting wanneer hij van het eerste medium naar het tweede gaat. Deze interactieve tutorial onderzoekt hoe deeltjes en golven zich gedragen wanneer ze door een transparant oppervlak worden gebroken.Huygens had, ondanks zijn intuïtie, in zijn verhandeling Traité de la Lumière uit 1690 gesuggereerd dat lichtgolven door de ruimte gingen, gemedieerd door de ether, een mystieke gewichtloze substantie, die als een onzichtbare entiteit in de lucht en de ruimte bestaat. De zoektocht naar ether verbruikt een aanzienlijke hoeveelheid middelen in de negentiende eeuw alvorens uiteindelijk te rusten. De ethertheorie duurde ten minste tot de late jaren 1800, zoals blijkt uit het voorgestelde model van Charles Wheatstone dat ether lichtgolven droeg door te trillen onder een hoek loodrecht op de richting van de lichtpropagatie, en James Clerk Maxwell ‘ s gedetailleerde modellen die de constructie van de onzichtbare substantie beschrijven. Huygens geloofde dat ether vibreerde in dezelfde richting als licht, en vormde een golf zelf als het droeg de lichtgolven. In een later deel, Huygens’ Principe, beschreef hij op ingenieuze wijze hoe elk punt op een golf zijn eigen golfjes kon produceren, die vervolgens samen een golffront vormen. Huygens gebruikte dit idee om een gedetailleerde theorie te produceren voor het brekingsfenomeen, en ook om uit te leggen waarom lichtstralen niet op elkaar botsen als ze elkaar kruisen.

wanneer een lichtstraal tussen twee media reist die verschillende brekingsindices hebben, ondergaat de straal breking en verandert van richting wanneer hij van het eerste medium naar het tweede gaat. Om te bepalen of de lichtbundel bestaat uit golven of deeltjes, kan voor elk een model worden ontworpen om het fenomeen te verklaren (Figuur 3). Volgens Huygens ‘ golftheorie zou een klein deel van elk hoekig golffront het tweede medium moeten raken voordat de rest van het front de interface bereikt. Dit gedeelte zal beginnen te bewegen door het tweede medium, terwijl de rest van de Golf is nog steeds reizen in het eerste medium, maar zal langzamer bewegen als gevolg van de hogere brekingsindex van het tweede medium. Omdat het golffront nu met twee verschillende snelheden reist, zal het in het tweede medium buigen, waardoor de voortplantingshoek wordt veranderd. In tegenstelling, deeltjestheorie heeft een vrij moeilijke tijd uit te leggen waarom deeltjes van licht van richting moeten veranderen wanneer ze overgaan van het ene medium naar het andere. Voorstanders van de theorie suggereren dat een speciale kracht, loodrecht op de interface gericht, werkt om de snelheid van de deeltjes te veranderen als ze het tweede medium binnenkomen. De exacte aard van deze kracht werd overgelaten aan speculatie, en er is nooit bewijs verzameld om de theorie te bewijzen.

een andere uitstekende vergelijking van de twee theorieën betreft de verschillen die optreden wanneer licht wordt gereflecteerd van een glad spiegeloppervlak, zoals een spiegel. De golftheorie speculeert dat een lichtbron lichtgolven uitzendt die zich in alle richtingen verspreiden. Bij het raken van een spiegel worden de golven gereflecteerd volgens de aankomsthoeken, maar met elke golf terug naar voren gedraaid om een omgekeerd beeld te produceren (Figuur 4). De vorm van de aankomende golven is sterk afhankelijk van hoe ver de lichtbron zich van de spiegel bevindt. Licht afkomstig van een nauwe bron behoudt nog steeds een sferische, sterk gebogen golffront, terwijl het licht dat wordt uitgezonden van een afstand bron zal meer verspreiden en impact op de spiegel met golfplaten die bijna vlak zijn.

de zaak voor een deeltjesaard voor licht is veel sterker met betrekking tot het reflectiefenomeen dan het is voor breking. Licht dat door een bron wordt uitgezonden, dichtbij of ver weg, komt aan het spiegeloppervlak als een stroom deeltjes, die wegkaatsen of van het gladde oppervlak worden gereflecteerd. Omdat de deeltjes heel klein zijn, is een groot aantal betrokken bij een zich voortplantende lichtstraal, waar ze zij aan zij heel dicht bij elkaar reizen. Bij een impact op de spiegel, stuiteren de deeltjes uit verschillende punten, zodat hun volgorde in de lichtbundel wordt omgekeerd bij reflectie om een omgekeerd beeld te produceren, zoals aangetoond in Figuur 4. Zowel het deeltje als de golftheorie verklaren voldoende reflectie van een glad oppervlak. De deeltjestheorie suggereert echter ook dat als het oppervlak erg ruw is, de deeltjes onder verschillende hoeken wegstuiteren en het licht verstrooien. Deze theorie sluit nauw aan bij de experimentele observatie.

deeltjes en golven moeten zich ook anders gedragen wanneer ze de rand van een object tegenkomen en een schaduw vormen (Figuur 5). Newton wees er in zijn boek Opticks uit 1704 al snel op dat”het licht nooit bekend is om kromme passages te volgen noch om in de schaduw te buigen”. Dit concept is consistent met de deeltjestheorie, die stelt dat lichtdeeltjes altijd in rechte lijnen moeten reizen. Als de deeltjes de rand van een barrière tegenkomen, dan zullen ze een schaduw werpen omdat de deeltjes die niet door de barrière worden geblokkeerd, in een rechte lijn doorgaan en zich niet achter de rand kunnen verspreiden. Op macroscopische schaal is deze waarneming bijna correct, maar zij is niet in overeenstemming met de resultaten verkregen uit lichtdiffractie-experimenten op veel kleinere schaal.

wanneer het licht door een smalle spleet wordt geleid, verspreidt de bundel zich en wordt breder dan verwacht. Deze fundamenteel belangrijke observatie verleent een aanzienlijke hoeveelheid geloofwaardigheid aan de golftheorie van licht. Net als golven in water lijken lichtgolven die de rand van een object tegenkomen om de rand te buigen en in zijn geometrische schaduw, een gebied dat niet direct wordt verlicht door de lichtstraal. Dit gedrag is analoog aan watergolven die rond het einde van een vlot wikkelen, in plaats van weg te reflecteren.Bijna honderd jaar nadat Newton en Huygens hun theorieën voorstelden, voerde een Engelse natuurkundige genaamd Thomas Young een experiment uit dat de golfachtige aard van licht sterk ondersteunde. Omdat hij geloofde dat licht uit golven bestond, redeneerde Young dat er een soort interactie zou optreden wanneer twee lichtgolven elkaar ontmoetten. Om deze hypothese te testen, gebruikte hij een scherm met een enkele, smalle spleet om een coherente lichtbundel te produceren (met golven die zich in fase voortplanten) uit gewoon zonlicht. Wanneer de zonnestralen de spleet tegenkomen, verspreiden ze zich of diffracteren om een enkele golffront te produceren. Indien aan deze voorzijde een tweede scherm met twee dicht op elkaar liggende spleten mag worden verlicht, worden twee extra coherente lichtbronnen geproduceerd die perfect op elkaar aansluiten (zie Figuur 6). Licht van elke spleet reizen naar een enkel punt halverwege tussen de twee spleten moet perfect aankomen in stap. De resulterende golven moeten elkaar versterken om een veel grotere golf te produceren. Als echter een punt aan weerszijden van het centrale punt wordt beschouwd, moet het licht van een spleet veel verder reizen om een tweede punt aan de andere kant van het centrale punt te bereiken. Licht van de spleet dichter bij dit tweede punt zou komen voordat licht van de verre spleet, dus de twee golven zouden uit de pas met elkaar, en zou elkaar opheffen om duisternis te produceren.

zoals hij vermoedde, ontdekte Young dat wanneer de lichtgolven van de tweede reeks spleten worden verspreid (of verspreid), ze elkaar ontmoeten en elkaar overlappen. In sommige gevallen combineert de overlap de twee golven precies in stap. In andere gevallen worden de lichtgolven echter licht of volledig uit de pas met elkaar gecombineerd. Young ontdekte dat toen de golven elkaar stapsgewijs ontmoetten, ze bij elkaar optelden door een proces dat constructieve interferentie is geworden. Golven die elkaar uit de pas lopen zullen elkaar opheffen, een fenomeen dat bekend staat als destructieve interferentie. Tussen deze twee uitersten, verschillende graden van constructieve en destructieve interferentie optreden om golven te produceren met een breed spectrum van amplitudes. Young was in staat om de effecten van interferentie te observeren op een scherm geplaatst op een vaste afstand achter de twee spleten. Na diffracted, produceert het licht dat door interferentie wordt gecombineerd een reeks heldere en donkere franjes langs de lengte van het scherm.

hoewel het belangrijk leek, werden Young ‘ s conclusies in die tijd niet algemeen aanvaard, voornamelijk vanwege het overweldigende geloof in de deeltjestheorie. Naast zijn observaties over lichtinterferentie, postuleerde Young dat licht van verschillende kleuren bestond uit golven met verschillende lengtes, een fundamenteel concept dat vandaag de dag algemeen wordt aanvaard. In tegenstelling, pleit de deeltjestheorie voor voor ogen dat verschillende kleuren werden afgeleid van deeltjes met verschillende massa ‘ s of reizen met verschillende snelheden.

het interferentieeffect is niet beperkt tot licht. Golven geproduceerd op het oppervlak van een zwembad of vijver zal verspreiden in alle richtingen en ondergaan een identiek gedrag. Waar twee golven elkaar in stap ontmoeten, zullen ze samen te voegen om een grotere golf door constructieve interferentie te maken. Botsende golven die uit de pas lopen, neutraliseren elkaar via destructieve interferentie en produceren een vlak oppervlak op het water.

nog meer bewijs voor een golfachtige aard van licht werd ontdekt toen het gedrag van een lichtbundel tussen gekruiste polarisatoren zorgvuldig werd onderzocht (Figuur 7). De polariserende filters hebben een unieke moleculaire structuur die slechts licht toestaat die één enkele oriëntatie hebben om door te gaan. Met andere woorden, een polarisator kan worden beschouwd als een gespecialiseerd type van moleculaire venetiaanse blind met kleine rijen van latten die zijn georiënteerd in een enkele richting binnen het polariserende materiaal. Als een lichtbundel een polarisator mag raken, kunnen alleen lichtstralen die parallel aan de polarisatierichting zijn georiënteerd door de polarisator. Als een tweede polarisator achter de eerste wordt geplaatst en in dezelfde richting wordt georiënteerd, dan zal het licht dat door de eerste polarisator gaat ook door de tweede gaan.

echter, als de tweede polarisator onder een kleine hoek wordt gedraaid, zal de hoeveelheid licht die er doorheen gaat worden verminderd. Wanneer de tweede polarisator wordt gedraaid zodat de oriëntatie loodrecht staat op die van de eerste polarisator, dan zal geen van het licht dat door de eerste polarisator gaat door de tweede gaan. Dit effect is gemakkelijk te verklaren met de golftheorie, maar geen enkele manipulatie van de deeltjestheorie kan verklaren hoe licht wordt geblokkeerd door de tweede polarisator. In feite is de deeltjestheorie ook niet voldoende om interferentie en diffractie te verklaren, effecten die later zouden blijken manifestaties te zijn van hetzelfde fenomeen.

de effecten waargenomen met gepolariseerd licht waren van cruciaal belang voor de ontwikkeling van het concept dat licht bestaat uit dwarsgolven met componenten die loodrecht staan op de voortplantingsrichting. Elk van de dwarse componenten moet een specifieke oriëntatie hebben waardoor het door een polarisator kan passeren of door een polarisator kan worden geblokkeerd. Alleen die golven met een dwarse component evenwijdig aan het polarisatiefilter zullen passeren, en alle andere zullen worden geblokkeerd.

tegen het midden van de jaren 1800, werden wetenschappers steeds meer overtuigd van het golfachtige karakter van licht, maar er bleef een overheersend probleem. Wat is licht precies? Een doorbraak werd gemaakt toen de Engelse natuurkundige James Clerk Maxwell ontdekte dat alle vormen van elektromagnetische straling een continu spectrum vertegenwoordigen en met dezelfde snelheid door een vacuüm reizen: 186.000 mijl per seconde. Maxwell ‘ s ontdekking genageld effectief de doodskist van de deeltjestheorie en, tegen het begin van de 20e eeuw, leek het erop dat de fundamentele vragen van licht en optische theorie eindelijk waren beantwoord.Een grote klap op de golftheorie vond plaats in de late jaren 1880, toen wetenschappers voor het eerst ontdekten dat onder bepaalde omstandigheden licht elektronen uit de atomen van verschillende metalen kon verdrijven (Figuur 8). Hoewel in eerste instantie slechts een vreemd en onverklaarbaar fenomeen, werd al snel ontdekt dat ultraviolet licht atomen van elektronen in een grote verscheidenheid van metalen kon verlichten om een positieve elektrische lading te produceren. De Duitse natuurkundige Philipp Lenard raakte geïnteresseerd in deze waarnemingen, die hij het foto-elektrisch effect noemde. Lenard gebruikte een prisma om wit licht te splitsen in de samenstellende kleuren, en vervolgens selectief gericht elke kleur op een metalen plaat om elektronen te verdrijven.

wat Lenard ontdekte verwarde hem en verbaasde hem. Voor een specifieke golflengte van licht (blauw, bijvoorbeeld), produceerden de elektronen een constant potentieel, of een vaste hoeveelheid energie. Het verminderen of verhogen van de hoeveelheid licht veroorzaakte een overeenkomstige toename of afname van het aantal vrijgekomen elektronen, maar elk behield nog steeds dezelfde energie. Met andere woorden, elektronen die uit hun atomaire bindingen ontsnapten hadden energieën die afhankelijk waren van de golflengte van licht, niet van de intensiteit. Dit is in tegenstelling tot wat zou worden verwacht van de Golf theorie. Lenard ontdekte ook een verband tussen golflengte en energie: kortere golflengten produceerden elektronen met grotere hoeveelheden energie.

de basis voor een verbinding tussen licht en atomen werd gelegd in de vroege jaren 1800 toen William Hyde Wollaston ontdekte dat het spectrum van de zon geen continue lichtband was, maar honderden ontbrekende golflengten bevatte. Meer dan 500 smalle lijnen die overeenkomen met ontbrekende golflengten werden in kaart gebracht door de Duitse natuurkundige Joseph von Fraunhofer, die letters aan de grootste hiaten gaf. Later werd ontdekt dat de gaten werden geproduceerd door absorptie van specifieke golflengten door atomen in de buitenste laag van de zon. Deze waarnemingen waren enkele van de eerste verbanden tussen atomen en licht, hoewel de fundamentele impact op dat moment niet werd begrepen.In 1905 stelde Albert Einstein dat licht bepaalde deeltjeskenmerken zou kunnen hebben, ongeacht het overweldigende bewijs voor een golfachtige natuur. In de ontwikkeling van zijn kwantumtheorie stelde Einstein wiskundig voor dat elektronen die aan atomen in een metaal zijn bevestigd een specifieke hoeveelheid licht kunnen absorberen (eerst een kwantum genoemd, maar later veranderd in een foton) en zo de energie hebben om te ontsnappen. Hij speculeerde ook dat als de energie van een foton omgekeerd evenredig zou zijn met de golflengte, kortere golflengten elektronen zouden produceren met hogere energieën, een hypothese die in feite voortkomt uit de resultaten van Lenards onderzoek.Einsteins theorie werd in de jaren twintig gestold door experimenten van de Amerikaanse natuurkundige Arthur H. Compton, die aantoonde dat fotonen momentum hadden, een noodzakelijke vereiste om de theorie te ondersteunen dat materie en energie uitwisselbaar zijn. Rond dezelfde tijd stelde de Franse wetenschapper Louis-Victor De Broglie voor dat alle materie en straling eigenschappen hebben die zowel op een deeltje als op een golf lijken. De Broglie extrapoleerde, in navolging van Max Planck ’s voorbeeld, Einsteins beroemde formule met betrekking tot Massa en energie om Planck’ s constante op te nemen:

waar E de energie van een deeltje is, m de massa, c de lichtsnelheid, h de constante van Planck en ν de frequentie. De Broglie ‘ s werk, dat de frequentie van een golf relateert aan de energie en de massa van een deeltje, was fundamenteel in de ontwikkeling van een nieuw veld dat uiteindelijk zou worden gebruikt om zowel de golfachtige als deeltjesachtige aard van licht te verklaren. Kwantummechanica is ontstaan uit het onderzoek van Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger en anderen die probeerden uit te leggen hoe elektromagnetische straling wat nu dualiteit wordt genoemd, of zowel deeltjesachtig als golfachtig gedrag kan weergeven. Soms gedraagt licht zich als een deeltje, en soms als een golf. Deze complementaire, of dubbele, rol voor het gedrag van licht kan worden aangewend om alle bekende kenmerken te beschrijven die experimenteel zijn waargenomen, variërend van breking, reflectie, interferentie, en diffractie, tot de resultaten met gepolariseerd licht en het foto-elektrische effect. Gecombineerd werken de eigenschappen van licht samen en stellen ons in staat om de schoonheid van het universum te observeren.