Natura luminii

-de la corpuscul la unda si iar la corpuscul-

Stoican Cosmina Dobrin Ana Maria

CNSS-XII E 2014-2015

Cuprins 1.Introducere – Optica pana la Newton 2.Secolulul XVII – Newton si Huygens 3.Interferenta luminii – Experimentul lui Young 4.Maxwell – Lumina, unda transversala electromagnetica 5.Einstein - Efectul fotoelectric extern 6.Concluzii – Comportamentul dual al luminii

7.Bibliografie

1.Introducere – Optica pana la Newton Fenomenele luminoase au atras atentia oamenilor inca din cele mai indepartate timpuri. De aceea, nu este de mirare ca optica, alaturi de mecanica, reprezina doua din domeniile fizicii cu radacinile cel mai adanc infipte in istoria omenirii. Pornind de la Orientul Antic, nu exista marturii literare privind invataturile babilonienilor sau ale egiptenilor legate de lumina, insa pot fi extrase in mod indirect anumite informatii. De exemplu, invatatii vechiului Babilon au reusit sa dea o explicatie corecta eclipselor, de unde poate fi trasa concluzia ca vechii babilonieni cunosteau faptul ca lumina se propaga in linie dreapta. De asemenea, si egiptenilor le era cunoscuta propagarea rectilinie a luminii, dovada fiind faptul ca ei utilizau lungimea umbrei piramidelor pentru a determina inaltimea la care se afla soarele. Antichitatea greaca a lasat informatii mult mai bogate. Fizica din antichitate cuprindea patru parti: mecanica, caldura, acustica si optica, fiind de fapt asociate senzatiilor ( de effort, de firg/cald, de sunet, de lumina/culoare). Vechii greci erau mai mult preocupati de a intelege cum reuseste omul sa perceapa aceste senzatii, care este agentul care la provoaca. Cu trecerea secolelelor, studiul agentilor externi a capatat o pondere tot mai importanta si a sfarsit prin a se separa de rest. Din perioada antica au ramas patru tratate speciale de optica, “Optica lui Euclid”, “Catoptrica lui Heron din Alexandria”, “Catoptrica” (Euclid) si “Optica lui Ptolomeu”). Acestea au scos in evidenta faptul ca fenomene precum reflexia pe o suprafata plana (Euclid) si refractia (Ptolomeu) erau deja cunoscute.

Pana la Aristotel, filosofii greci considerau ca lumina este, in esenta, un fel de foc, insa mult mai subtil decat cel obisnuit. Aristotel considera, in schimb, ca lumina nu are natura materiala, ea reprezentand modificarea calitativa a unui mediu transparent sub actiuea unei surse. Lumina reprezenta, in viziunea lui Aristotel, actiunea mediului transparent care a primit un impuls de la un foc, sau de la un elemt asemanator acestuia. In ceea ce priveste mecanismul modificarii proprietatilor mediului transparent sub actiunea luminii, Aristotel nu mentioneaza amanunte suplimentare, care ar justifica o legatura cu o forma oarecare de miscare. Spre deosebire de lumina materiala a atomistilor greci, care se propaga cu viteza foarte mare, insa finita, lumina lui Aristotel se propaga instantaneu, deci cu viteza infinita. Tot Aristotel considera ca amestecul in proportii diferite a

luminii cu intunericul duce la nasterea culorilor. De exemplu, o lumina vie, combinata cu o umbra slaba, da nastere culorii rosu, iar o umbra puternica si o lumina slaba, culorii violet. O alta problema care i-a preocupat pe invatatii antici era originea curcubeului. Aristotel va explica aparitia curcubeului prin fenomenul reflexiei, in sensul ca, in urma reflexiei razelor solare de catre un nor intunecat ar aparea curcubeul, iar, in ceea ce priveste culorile, explicatia lui Aristotel se baza pe ideea amestecarii in nor a culorilor inchise cu cele deschise. In epoca medievala apar noi teorii emise de diferiti opticieni. Avicenna ( Abu Ali Ibn-Sina) considera lumina ca o emisiune de particule materiale care se deplaseaza cu o viteza foarte mare, insa finita, fiind deci in dezacord cu Aristotel si cu majortiatea adeptileor sai, care afirmau ca lumina se propaga instantaneu. Ca si Avicenna, Al-Hazen considera ca lumina este o emisune de particule materiale, iar in sprijinul acestei teorii, el arata ca daca se priveste un timp indelungat o surasa intensa, de exemplu soarele, atunci observatorul simte o senzatie dureroasa in ochi. Aceasta senzatie, conform opticianului, nu poate sa apara decat daca in ochi patrunde ceva material. “Optica” lui Al-Hazen va constitui cartea ce va ghida opticienii secolului XIII.

O perioada importanta in dezvoltarea opticii o reprezinta Renasterea. Se distinge Leonardo da Vinci care va emite o idee noua in ceea ce priveste analogia dintre propagarea undelor in apa si propagarea luminii. Astfel, apare ideea conform careia lumina emisa de luna noaptea s-ar datora reflexiei razelor solare pe “marile lunare”. Asadar, nu este intamplator faptul ca pe pictor l-au pasionat legile dupa care se distribuie lumina si intunericul pe suprafata agitata a marilor si oceanelor. De asemenea, acestia si-a manifestat interesul si pentru problemele vederii binoculare, strans legate de mecanismul perceprii reliefului si a distantelor – probleme ce il pasionau, in special, pentru necesitatile picturii.

Din pacate, in timp ce pictorul era framantat de probleme complicate ale teoriei culorilor, ale legilor de distributie a luminii si intunericului pe suprafata apelor, el nu cunostea nici macar legea refractiei, sau a descompunerii luminii albe. Tot in perioada renascentista s-a remarcat si figura lui Giambattista della Porta, prin opera “Magia naturala”. Prin fraze precum “acum voi impartasi ceva despre care pana in prezent am pastrat intotdeauna tacere si am considerat necesar sa tac” a reusit sa fie vazut de public precum inventatorul camerei obscure, deja amintita in manuscrisele lui Leonardo da Vinci sau al lunetei. Cu toate acestea, opera a cunoscut un mare succes editorial si astfel, a contribuit la raspandirea camerei obscure sau a lunetei. Ochelarii fusesera deja inventati, printr-o intamplare, insa nicio teorie formulata pentru explicarea lentilelor nu a avut succes. Porta a incercat sa emita si el o teorie in cartea “Despre refractie”, insa sarcina l-a depasit. O alta personalitate importanta o constituie Galileo Galilei, care, pe langa marile sale descoperiri legate de astronomie, va publica in 1632 cea mai remarcabila lucrare a sa “Dialog despre cele doua sisteme principale ale lumii – sistemul lui Prolomeu si sistemul lui Copernic”, compusa ca un dialog intrei 3 personaje, avand opinii diferite, unul de celalalt. Pentru prima oara, este abordata in mod stiintific problema vitezei de propagare a luminii, fara ca Galilei sa se avante in discutii speculative, ci abordand problema prin prisma experientei, cautand sa raspunda la intrebarea “exista vreo metoda de a determina in mod experimental viteza luminii?” Un schimb de replici remarcabil este urmatorul: SIMPLICCIO :”Cand vedem tragand un tun la o distanta mare, lumina flacarii ajunge la ochii nostri fara pierdere de timp, pe cand sunetul nu ajunge la urechi decat dupa un interval oarecare de timp” SALVIATI: “Ei, signore Simpliccio, din aceasta experienta foarte importanta nu deducem altceva decat ca sunetul ajunge la urechea noastra intr-un timp mai lung decat ajunge lumina, dar nu ma asigura ca propagarea luminii este instantanee” Urmatorul optician care s-a remarcat a fost Kepler, care a reusit sa gaseasca o forma

apoximativa a legii refractiei. Perioada din jurul anului 1930 marcheaza descoperirea acestei legi, fiind atribuita de unii lui Willebrord Snell, de altii lui Rene Descartes. Descoperirea legii refractiei a avut un rol covarsitor in ceea ce priveste problema naturii luminii, interpretarea fizica a acestei legi avand un rol fundamental in lupta ce se va da intre cele doua teorii.

Un progres remarcabil in dezvoltarea opticii au constituit observatiile si experientele lui Francesco Maria Grimaldi. “Physico-mathesis de lumine, coloribus et iride” a fost opera sa fundamentala, publicata la doi ani dupa moartea sa, prin care opticianul a aratat ca lumina nu se propaga in linie dreapta. Este, de asemenea, tot meritul lui Grimaldi, de a numi acest fenomen – difractia luminii. Grimaldi a asezat in drumul unui fascicul fin de lumina, obtinut cu ajutorul unei gauri foarte fine in oblonul de la fereastra, diferite obiecte foarte mici, cum ar fi fire de par, diferite tesuturi confectionate din fibre subtiri, etc. Grimaldi a observat ca cumbrele acesto obiecte au un contur difuz, situatia complicandu-se prin aparitia unor benzi colorate, numite franje. Intr-o alta experienta, Grimaldi a asezat in calea unui fascicul luminos un ecran prevazut cu un mic orificiu, Schema experientei este redata in figura de mai jos.

In aceasta figura, CD = deschiderea cu ajutorul caruia Grimaldi a obtinut fasciculul foarte fin de lumina, de la soare, GH = o alta descchidere intr-un ecran opac ( EF ). Spre surprinderea lui Grimaldi, regiunea iluminata depaseste ca intindere portiunea la care se astepta, considerand ca lumina se

propaga in linie dreapta. (regiunea iluminata = IK). Daca lumina s-ar fi propagat rectiliniu, atunci portiunea iluminata ar fi trebuit sa fie cuprinsa intre punctele LM. Mai mult, in portiunea cuprinsa intre cele doua regiuni, corespunzatoare punctelor I si K, respectiv L si M, apar inele colorate concentrice. Experienta i-a aratat lui Grimaldi ca, in acest caz, lumina nu se propaga rectiliniu, fiind capabila sa “ocoleasca obstacole”. Difractia va fi cel de-al 4-lea mod de deplasare a luminii, pe care Grimaldi il va raspandi, celelalte fiind deja cunoscute - propagarea directa, propagarea prin reflexie, propagarea prin refractie. Tot Grimaldi, intr-o alta serie de experiente, prin care a recut doua raze de lumina prin doua orificii foarte fine asezate la o distanta mica una de alta, a observat iluminarea produsa de fascicule pe un ecran. Astfel, el a constatat ca apar regiuni iluminate alternate cu regiuni intunecate. Aceasta experienta, alaturi de altele, l-au adus pe Grimaldi in fata unei enigme : lumina + lumina = intuneric. Grimaldi a descoperit de fapt, un alt fenomen – interferenta, insa acesta fi studiat de Young si il va denumi astfel. Grimaldi si-a dat seama ca unele fenomene remarcat de el sunt imposibile din punct de vedere mecanic pentru traiectoria unor corpusculi, asa ca va incerca sa includa intr-una din lucrarile sale o teorie ondulatorie a luminii, intr-o forma foarte timida. Dupa ce in prima partea a lucrarii, opticianul argumenteaza ca lumina este o substanta formata din corpusculi foarte mici, in partea a doua, Grimaldi afirma ca lumina poate fi considerata si ca o agitatie puternica a unei substante speciale foarte fine - “Lumina este un fluid care se misca extrem de rapid si intr-un mod cateodata vibrator prin corpurile transparente” . In acelasi an (1665) in care apare lucrarea lui Grimaldi, Robert Boyle isi publica si el cartea, prin care Boyle, avandu-l ca asistent pe Robert Hooke, a demonstrat ca lumina, spre deosebire de sunet, se

propaga prin vid. Robert Hooke, in schimb, va publica si el o cartea “Micrographia”, in care sunt descrise experientele lui, independente de activitatea lui Grimaldi, experiente ce au condus la descoperirea difractiei. Hooke considera ca lumina este o miscare vibratorie rapida, care se propaga intr-un mediu special. Fizicianul a fost un precursol al conceptiilor moderne, intrucat el considera ca lumina reprezinta vibratii transversale ale mediului - “Miscarea luminii intr-un mediu uniform in care este generata reprezinta o propagare de impulsuri sau de unde simple si uniforme care sunt indreptate perpendicular pe directia de propagare a razei” Ideea lui Hooke privind transevarsalitatea undelor va fi atat notata de el, dar si considerata pentru cititori, ca reprezentand un caracter intamplator. Intr-adevar, afirmatiile privind aceasta idee nu au rezultat in urma unor experiente riguroase sau rationamente care sa

demonstreze justetea ei. Din acest motiv, desi ideea s-a dovedit a fi corecta, ea a jucat un rol putin important in dezvoltarea ideilor despre lumina. Un nou fenomen important este dubla refractie a luminii, descoperit de Erasmus Berthelsen – Bartholinus, in 1669. Studiind diferite cristale naturalistul Bartholinus a descoperit ca cele de spat din Islanda prezinta proprietatea de a dedubla imeginile observate prin intermediul lor. El a observat ca daca o raza de lumina ingusta cade pe un cristal suficient de mare, atunci, la iesirea din cristal, se obtin doua raze paralele. Una dintre acestea, care asculta de legea refractiei, a capatat numele de raza ordinara, pe cand cealalta, care se abate de la lege, raza extraordinara. Fenomenul a capatat denumirea de dubla refractie; Bartholinus a incercat sa explice acest fenomen, insa nu a reusit.

Apar astfel noi probleme, care aduc dupa sine necesitatea de a accepta un comportament diferit al luminii si un nou mecanism de refractie, cat si nevoia unor explicatii care sa permita aparitia unor astfel de fenomene.

Ultima experienta cruciala, inainte de Newton a consituit-o prima determinare a vitezei luminii, ce, in mod surprinzator, a fost efectuata de unnastronom, nu de un optician, mai exact, danezul Olaus Römer. Römer a observat eclipsele succesive ale satelitului cel mai apropiat de Jupiter. Ca si ceilalti astronomi ai acelei perioade, Römer stia ca intervalele e timp dintre eclipsele succesive erau ceva mai mari atunci cand pamantul, in miscarea sa, se indeparta de Jupiter, decat atunci cand se apropia. Masuratorile indicau o diferenta maxima de 1320 s, in cazul unor observatii facute in acelasi punct de pe pamant, la un interval de 6 luni. Aceasta diferenta a creat dificultati, pana cand Römer s-a gandit ca aceasta diferenta s-ar putea explica prin timpul necesar luminii pentru a strabate distanta care separa planeta Jupiter de Pamant. Intr-adevar, daca lumina nu se propaga instantaneu, atunci drumul suplimentar pe care trebuie sa il strabata lumina cand pamantul este mai indepartat de Jupiter ar explica aparitia intarzierii

Dubla refractie

eclipselor satelitului lui Jupiter. Prin calcule potrivite valorilor acelei perioade (ex: in acea perioada se considera ca diametrul Pamantului este de 299 000 km), Römer a ajuns la concluzia ca viteza luminii este de 215 000km/s. Determinarile ulterioare au condus la modificari ale valorilor numerice, insa rationamentul lui Römer s-a dovedit a fi corect, desi initial a fost supus unor atacuri puternice. Cu toate acestea, atat Newton, cat si Huygens au sustinut cu tarie teoria astronomului danez. 1.Secolulul XVII – Newton si Huygens Secolul al XVII-lea va fi marcat de doua personalitati, Isaac Newton si Christiaan Huygens, ce vor lansa teorii cu privire la natura luminii total diferite, desi acestia isi vor desfasura activitatea in aceeasi perioada.

Pasiunea lui Newton pentru optica s-a datorat, poate, unei impresii covarsitoare produsa de Galilei si descoperirile sale, ce au condus la o dorinta arzatoare a fizicienilor, astronomilor si a matematicienilor de a perfectiona instrumentele optice. Dorinta lui Newton era de a construi fizica dupa chipul si asemanarea geometriei. Axiomelor din geometrie, Newton incearca sa le gaseasca corespondente in randul principiilor din fizica. Insa, spre deosebire de axiomele matematice, principiile fizice au nevoie de verificarea prin experiente. In domeniul mecanicii, Isaac Newton a reusit sa construiasca o teorie bazata numai pe principii, insa, in domeniul opticii, daorita complexitatii fenomenelor, fizicianul era nevoit sa imagineze diferite ipoteze, pe care pana atunci le ocolise. In cartea sa “Optica – Tratat despre reflexiile, refractiile, devierile si culorile luminii”, Newton foloseste atat metoda principiilor cat si cea a ipotezelor, incercand prin toate mijloacele sa separe principiile de ipoteze, celor din urma rezervandu-le ultima parte a cartii, intitulata sugestiv “Chestiuni”. In cadrul acestui capitol, se remarca trecerea clara de la o

ipoteza la alta: uneori Newton demonstreaza ca lumina are caracter net corpuscular, alteori acelasi Newton afirma ca pentru intelegerea proprietatilor luminii trebuie adoptata o conceptie corpuscular-ondulatorie. Din nefericire, s-a creat o traditie gresita, conforma careia Newton este prezentat ca adeptul intransigent al teoriei corpusculare a luminii, afirmatie aflata in contradictie cu spiritul intregii sale creatii stiintifice. Comparand diferite proprietati ale luminii, Newton a ajuns la concluzia ca aceasta are o structura complexa - ea are trasaturi care pot fi intelese cel mai usor, admitand ca reprezinta un flux de corpusculi, insa, prezinta si insusiri care denota fara niciun fel de indoiala caracterul ei periodic. Rectiliniaritatea propagarii luminii era, dupa Newton, cea mai pregnanta dovada a naturii ei corpusculare. Cu toate acestea, in experientele sale, savantul a vazut limpede prezenta unui anumit element de natura ondulatorie in insusirile luminii, care l-a determinat sa creeze o ipoteza de un tip cu totul si cu totul nou, care cuprinde atat unde cat si corpusculi. Newton considera ca lumina este intr-adevar copusa din corpusculi, insa acestia se propaga intr-un mediu special – eterul – producand unde.

Reprezentarile lui Newton despre eter sunt foarte concrete. “Se presupune ca exista un oarecare mediu de eter, care are in multe privinte aceeasi structura ca si aerul, dar este mult mai rarefiat, mai fin si mai elastic”. Newton arata ca oscilatiile eterului produse de corpusculii luminosi sunt, spre deosebire de cele sonore, foarte frecvente si mici, si urmeaza una dupa alta la o distanta foarte mica. Distanta de care Newton aminteste este ceea ce astazi se numeste lungime de unda. Newton presupune ca viteza undelor este mult mai mare decat cea a corpusculilor, in consecinta, ele vor lua inaintea lor. Acestea vor produce stari de comprimare si dilatare a eterului so vor determina un comortament corespunzator al corpusculilor luminosi, ce ar explica printre altele si periodicitatea luminii. Newton va explica fenomenul de reflexie prin ciocnirea corpusculilor luminosi cu cuprafata care-i reflecta. In urma ciocnirilor, corpusculii sunt reflectati inapoi, in mediul din care au venit, sub un unghi de reflexie egal cu cel de incidenta. Pentru a explica refractia luminii, Newton admite ca in intreg spatiul exista eter. In corpurile materiale, desnitatea eterului este mai mica decat in aer. La suprafata corpului, variatia densitatii eterului se produce treptat. In continuare, Newton presupune ca intre lumina si eter exista o interactiune manifestata, pe de o parte printr-o incalzire a eterului de catre lumina, iar, pe de alta parte, prin exercitarea de catre eterul incalzit a unei presiuni asupra luminii. Aceasta presiune ar explica de ce la suprafata de separatie dintre aer si corpuri, adica in regiunea in care densitatea eterului variaza, apare o deviere a luminii, inspre eterul mai rarefiat. O alta situatie ce aduce o ipoteza ingenioasa din partea lui Newton este cea care arata ca atunci cand un fascicul luminos cade pe suprafata unui corp transparent, o parte se reflata, iar cealalata se refracta. Newton emite ipoteza conform careia fasciculul incident produce o miscare oscilatorie a suprafetei eterului, sub forma de dilatari si comprimari succesive. Daca raza incidenta cade pe suprafata eterului in momentul unei compresiuni, apare reflexia, iar in cazul in care cade in intervalul unei dilatari, apare refractia. In ceea ce priveste difractia, Newton nu a efectuat multa vreme experiente, iar cele ce au avut loc, au fost in esenta identice cu cele ale lui Grimaldi. Newton, insa, nu va recunoaste concluzia lui Grimaldi, conform careia difractia ar fi al 4-lea mod de propagare, si nici nu va folosi termenul de “difractie”, ci termenul de “inflexiune a luminii”. El considera ca lumina ce trece pe langa obstacol este deviata, ceea ce denota aparitia unei perturbatii a propagarii rectilinii - “nu actioneaza oare corpurile asupra luminii facand sa devieze razele de lumina chiar la o oarecare distanta?“ Newton a considerat intotdeauna lumina ca fiind formata din corpusculi, chiar si cand a emis ipoteza corpuscular-ondulatorie, mentinand caracterul corpuscular al luminii. Pentru savant, difractia luminii reprezenta o dovada a materialitatii sale. Imensul presigiu al lui Newton din secolul XVIII a facut ca cea mai mare parte a oamenilor de stiinta sa adopte teorema corpusculara. Ulterior, alte fenomene puse in evidenta la scurt timp au reusit sa incline balanta spre teorema ondulatorie. Cu toate acestea, conceptia ipotetica corpuscular-ondulatorie a lui Newton avea sa isi gaseasca o confirmare neasteptata in fizica moderna, dupa ce teoria pur ondulatorie parea sa fi castigat definitv batalia.

Adversarul teoriei corpusculare a fost Christiaan Huygens. Punctul de plecare al rationamentelor lui il consituie analogia dintre fenomenele luminoase si cele acustice, care, dupa pararea sa, ar dezvalui adevarata natura a luminii. Huygens stia foarte bine ca sunetul nu se propaga in vid, in timp ce lumina da, chiar cu o viteza foarte mare. Deoarece sunetele nu se pot propaga decat in medii materiale, Huygens a trebuit sa admita existenta eterului. Eterul este prezent penste tot, atat in vid cat si in spatiul dintre particulele constituente ale oricarei doua substante. Orice corp, orice substanta, conform lui Huygens, se afla scufundata intr-un “ocean de eter”. Viteza de propagare a unei unde intr-un mediu depinde de proprietatile elastice ale acestuia, odata cu cresterea rigiditatii, crescand si viteza de propagare a undelor. Astfel, conform lui Hugens, eterul este format din particule fine extrem de dure, ce ar eexplica viteza foarte mare de propagare a luminii - “nimic nu ne impiedica sa consideram particulele eterului consituite dintr-o materie care se apropie oricat de mult dorim de rigiditatea perfecta si care isi reia oricat de repede dorim forma”.

Huygens considera ca perturbatia produsa de lumina trebuie privita ca propagarea unor impulsuri elastice, care se deplaseaza prin eterul din acel corp. Pentru a explica mecanismul propagarii undelor luminoase, Huygens va apela la o analogie mecanica. Astfel, el arata ca undele luminoase se propaga in mod identic cu transmisia unui impuls de catre un sir de bile perfect sferice, realizate dintr-un material foarte dur, si care sunt suspendate de o tija, prin niste fire, astfel incat in repaus ele sa fie in contact. Daca una din bilele extreme este plasata sus, iar apoi lasata libera, atunci, dupa un timp foarte scurt, bila din cealalta extremitate primeste un impuls sub actiunea caruia va fi pusa in miscare, ridicandu-se, in timp ce celelalte bile par a ramane pe loc. In acest mod, Huygens arata ca deplasarile relativ lente ale particulelor rigide de eter pot genera unde care se propaga foarte rapid.

In analogia de mai sus, undele care iau nastere sunt longitudinale, deoarece directia de deplasare a bilelor coincide cu cea de propagare a undei. De asemenea, si sunetele cu care Huygens aseamana lumina reprezinta tot unde logitudinale. Asadar, nu e de mirare ca el va presupune ca si undele luminoase sunt unde logitudinale. Bazandu-ne pe acelasi rationament, se poate explica si principiul general care ii poarte numele

lui Huygens. Dupa parerea savantului, propagarea undei luminoase consta in ciocniri pe care le sufera particulele eterului. In analogia facuta, oricare bila este inconjurata de cel mult doua bile, una in stanga, alta in dreapta, situate de-a lungul directiei de propagare. In realitate, conform lui uygens, o particula de eter este inconjurata din toate partile de foarte multe particule. Huygens arata ca fiecare particula de eter trebuie sa comunice miscarea nu numai particulei cele mai apropiate, situate pe directia de propagare, cat si celorlalte particule cu care vine in atingere. In acest mod, fiecare punct excitat de o unda devine, la randul sau, sursa unor unde secundare. Huygens considera totalitatea undelor secundare produse de punctele excitate, la un moment dat, de catre o unda, si afirma ca “suprafata care infasoara undele secundare (tangenta la acestea) reprezinta frontul undei care se propaga prin mediu”.

Intrucat fenomenul de interferenta ii era necunoscut lui Huygens, la fel ca si lui Newton, o astfel de afirmatie se poate baza doar pe o intuitie geniala, intrucat el a aratat ca pentru formarea infasurarii undelor secundare este nevoie ca acestea sa se suprapuna in mod ordonat, deoarece numai in acest caz efectele foarte mici produse de fiecare unda secundara in parte se aduna, producand astfel un efect foarte important. Principiul lui Huygens poate fi formulat astfel “Fiecare punct pana la care ajunge o perturbatie luminoasa devine la randul sau centrul unor unde secundare, iar suprafata care infasoara aceste unde reprezinta frontul undei care se propaga” Pe baza aceluiasi principiu, Huygens explica si reflexia si refractia, insa va respinge ideea de difractie.

Si in privinta lui Huygens s-a creat o idee gresita, el fiind prezentat drept creatorul teoriei ondulatorii a luminii, teorie care ar fi fost opusa celei corpusculare a lui Newton. Adevaratul creator al teoriei ondulatorii ar fi de fapt Hooke, intrucat el este primul ce mentioneaza acest comportament al luminii. Mai mult, spre deosebire de Huygens, Hooke a sustinut ideea transversalitatii undelor luminoase. In acelasi timp, Huygens nu a reusit sa creeze o teorie ondulatorie in adevaratul sens al cuvantului, deoarece unele fenomene (ex: propagarea rectilinie a luminii) nu au fost explicate, iar altele au fost respinse (ex: difractia). Cu toate acestea, meritele lui Huygens sunt incontestabile si principiul sau, completat de catre Fresnek, va sta la baza opticii ondulatorii elastice. 1.Interferenta luminii – Experimentul lui Young Spre sfaristul secolului al XVIII-lea, respectiv inceputul secolului XIX, teoria corpusculara era general acceptata, savantii acelei perioade reusind sa construiasca teorii matematice bine amanuntite. Se recunostea faptul ca teoria corpuscualara nu explicase in mod satisfactor toata fenomenele, insa fizicienii credeau ca acele probeleme dificile puteau fi rezolvate corect daca se fac unele modificari minore nesemnificative ipotezelor lui Newton. Cu toate acestea, secolul al XIX va veni cu o mare lovitura pentru teoria corpusculara, intrucat in anul 1801, Thomas Young introduce ideea interferentei undelor de lumina, pe baza careia face prima determinare a lungimii de unda a luminii si concepe o experienta celebera pentru ilustrarea naturii ondulatorii a luminii. Young a realizat o sursa luminoasa punctuala asezand in fata unei surse de intindere mare – pe vremea lui nu dispunea decat de o lumanare – o foaie de cositor perforata cu un ac. Dincolo de aceasta foaie de cositor, asezase o a doua foaie perforata cu doua orificii foarte apropiate. In spatele celei din urma foi, a asezat un ecran alb pe care il observa cu atentie. Young a putut observa pe ecran o serie de franje luminate si o serie de franje intunecate, echidistante.

Teoria ondulatorie a luminii era cea care putea explica acest fenomen, deoarece, conform acestei teorii, o sursa luminoasa executa vibratii care se transmit mediului ambiant si se propaga prin el sub forma de unde sferice. Un exemplu mult mai simplu spre intelegerea experientei lui Young este reprezentat tot intr-o

ilustratie de-a omului de stiinta, insa care va arata formarea unor “franje” la suprafata apei.

Experimentul lui Young a fost reluat de Augustin Fresnel, care a reusit sa imbunatateasca principiul Huygens, explicand propagarea rectilinie a luminii.

1.Maxwell – Lumina, unda transversala electromagnetica James Clark Maxwell a incercat sa fundamenteze studiul proceselor electromagnetice pe baza unor ecuatii. In aceasta incercare apareau doua relatii, care conduceau la concluzii contradictorii, ceea ce, evident, era inadmisibil. Pentru inlaturarea acestor contradictii, Maxwell putea sa modifice ecuatiile de baza ale electromagnetismului in mai multe moduri, care erau toate la fel de indreptatite din punct de vedere logic.

Maxwell va rezolva aceasta contradictie, generalizand notiunea de curent electric; astfel, un curent electriv, variabil in timp, da nastere intr-un dielectric (in particular, in vid) unui curent electric pe care l-a numit curent de deplasare. Curentul de deplasare, ca si cel care circula printr-un conductor, creeaza un camp magnetic. Curentul de deplasare, care realizeaza in vid legatura dinte campul electric si cel magnetic, i-a permis lui Maxwell sa demonstreze in 1865, existenta unei noi forma a campului magnetic, care se poate desprinde de corpurile ce l-au creat – undele electromagnetice. O analiza profunda a aratat ca o unda electromagnetica este o unda transversale, iar in urma unor masuratori, s-a remarcat a viteza undelor electromagnetice in vid este aproximativ egala cu viteza de propagare a luminii in vid. Din egalitatea vitezelor, Maxwell a ajuns la concluzia ca lumina este o unda transversala electromagnetica. 1.Einstein - Efectul fotoelectric extern Fizicienii au ezitat mult timp intre o reprezentare corpusculara si o reprezentare ondulatorie a luminii, insa in urma lucrarilor lui Fresnel, ulterior a succesului lui Maxwell, toti s-au raliat in cele din urma reprezentarii ondulatorii.

Succesele repurtate de teoria ondulatorie a luminii in previziunea detaliata a tuturor fenomenelor celor mai fine ale opticii dusesera la abandonarea completa de catre stiinta de la sfarsitul secolului al XIX-lea a oricarei idei privind constitutia granulara a luminii. Descoperirea de catre Hertz, in 1887, a efectului fotoelectrica astat la originea unei anumite intoarceri la conceptia unei structuri discontinue a luminii. Efectul fotoelectric consta in faptul ca o lama metalica iradiata de lumina cu o lungime de unda destul de scurta este susceptibila de a emite in exterior electroni, numiti adeseori fotoelectroni. Acest efect era imposibil de explicat pe baza teoriei ondulatorii a luminii, fapt ce l-a determinat pe Albert Einstein sa reintroduca o structura discontinua a radiatiilor sub forma noua a ipotezei “cuantelor de lumina”. Inpirandu-se din ideile lui

Planck asupra cuantelor, Einstein admite ca orice unda luminoasa de frecventa ν, este concentrata in corpusculi de energie hν ( h = constanta lui Plank); acestia corpusculi vor primi denumirea de fotoni. Astfel Einstein a reusit sa explice legile efectului fotoelectric extern. 1.Concluzii – Comportamentul dual al luminii Urmarind, intr-o oarecare masura, cronologic experientele, ipotezele, principiile enuntate de savanti cu privire la lumina, putem spune ca aceasta a reprezentat una din cele mai mari dileme ale fizicii. In urma experientelor, lumina a prezentat un caracter dual, fiind atat o unda, cat si de natura corpusculara (de asemenea, nici unda, nici de natura corpusculara).

Bibliografie Informatii: 1Emanuel Vasiliu, “Lumina – Unda electromagnetica?”, Editura Albatros, 1973 2Henry S. Lipson, “Experiente epocale in fizica”, Editura Orizonturi, 1973 3Emanuel Vasiliu, “Electronul – Corpuscul sau unda?”, Editura Albatros, 1977 4Prof. univ. dr. Cristian Constantinescu, “Compendiu de fizica pentru admitere in invatamanul superior,” Editura Stiintifica, 1972 5Alfred Kastler, “Aceasta stranie materie”, Editura Politica, 1982 6Louis De Broglie, “Certitudinile si incertitudinile stiintei”, Editura Politica, 1980 7Robert Hooke “Micrographia” - din arhivele bibliotecii din Missouri, 1665 – format pdf https://archive.org/stream/mobot31753000817897#page/6/mode/2up 8 9Imagini: 1. http://kult.az/yeni/view/5822 – Aristotel 2.-http://www.gyvenimoguru.lt – Leonardo Da Vinci 3.http://mskfatima.weebly.com/sciencesocial-studies/refraction-bending-of-light1 + modificari (din engleza in romana) – Fenomenul de refractie 4.Emanuel Vasiliu, “Lumina – Unda electromagnetica?”, Editura Albatros, 1973 , pg 43 – experiente lui Grimaldi 5.http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Hooke – Robert Hooke 6.http://www.freerepublic.com/focus/chat/2801201/posts – Dubla refractie 7.http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/termeszettudomanyok/fizika/fizika-11-evfolyam/a-geometriai-optika-alapfogalmai/a-feny-terjedesi-sebessege + modificari in engleza – Metoda lui Römer 8.http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg – Isaac Newton 9.http://en.wikipedia.org/wiki/Christiaan_Huygens - Christiaan Huygens 10.http://s.hswstatic.com/gif/newtons-cradle-1.jpg – Analogia lui Huygens 11.http://www4.uwsp.edu/physastr/kmenning/images/sj6.35.f.17.gif – Principiul lui Huygens + modificari (din engleza in romana) 12.http://www.oocities.org/geoy0703/physics/waves/AP-5-4b.jpg - Reflexia ( Huygens) 13.http://en.wikipedia.org/wiki/Huygens–Fresnel_principle#mediaviewer/File:Refraction_-_Huygens-Fresnel_principle.svg - Refractia ( Huygens) 14.http://en.wikipedia.org/wiki/Young%27s_interference_experiment#mediaviewer/File:Young-Thomas-Lectures1807-Plate_XXX-fig442-dbl_slit.jpg - Experimentul lui Young 15.http://en.wikipedia.org/wiki/Young%27s_interference_experiment#mediaviewer/File:Young_Diffraction.png – Ilustratia lui Young 16.http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/60/Refraction_on_an_aperture_-_Huygens-Fresnel_principle.svg - Principiul Huygens-Fresnel 17.http://www.sciencekids.co.nz – Maxwell 18.http://content.time.com/time/specials/packages/article/0,28804,1848817_1848816_1848815,00.html – Albert Einstein