هل الضوء موجة أم جسيم؟
يمكن وصف الضوء على أنه موجة وكجسيم. هناك تجربتان على وجه الخصوص كشفتا عن الطبيعة المزدوجة للضوء.
عندما نفكر في الضوء على أنه مكون من جسيمات ، فإن هذه الجسيمات تسمى "فوتونات".
ليس للفوتونات كتلة ، وكل منها يحمل كمية معينة من الطاقة. وفي الوقت نفسه ، عندما نفكر في انتشار الضوء كموجات ، فهذه موجات من الإشعاع الكهرومغناطيسي. تشمل الأمثلة الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية.
يجدر بنا أن نتذكر الضوء - بغض النظر عما إذا كان يتصرف مثل موجة أو جسيمات - سوف يسافر دائمًا بسرعة تقارب 300000 كيلومتر في الثانية. سرعة الضوء أثناء انتقاله عبر الفضاء (أو فراغ آخر) هي أسرع ظاهرة في الكون ، على حد علمنا.
تجربة الشق المزدوج
تخيل أن لديك دلو من كرات التنس.
أمامك مترين لوحة صلبة بها فتحتان، متر خلف تلك اللوحة جدار، تغمس كل كرة في الطلاء الأحمر وترميها في حفرة واحدة ، ثم الأخرى. ستترك الرمية الناجحة علامة حمراء على الحائط خلفها ، تاركة نمطًا محددًا من النقاط المستديرة.
قم برمي الكرات على الحائط ، وإذا كان هدفك جيدًا ، فستحصل على نمط من النقاط. مقدمة من المؤلف
الآن ، افترض أنك أطلقت شعاعًا واحدًا من الضوء على نفس اللوحة مع وجود ثقوب فيه ، على نفس مسار كرات التنس. إذا كان الضوء عبارة عن حزمة من الجسيمات ، أو بعبارة أخرى شعاع من الفوتونات ، فمن المتوقع أن ترى نمطًا مشابهًا لذلك الذي تصنعه كرات التنس حيث تصطدم جزيئات الضوء بالجدار.
ومع ذلك ، هذا ليس ما تراه. بدلاً من ذلك ، ترى نمطًا معقدًا من الخطوط. لماذا ا؟
هذا لأن الضوء ، في هذه الحالة ، يتصرف مثل الموجة. عندما نطلق شعاعًا من الضوء عبر الثقوب ، فإنه ينقسم إلى شعاعين. ثم تتداخل الموجتان الناتجتان مع بعضهما البعض لتصبح إما أقوى (تداخل بناء) أو أضعف (تداخل مدمر).
تنقسم موجة واحدة من الضوء إلى اثنتين ، لتولد ما يسمى "نمط التداخل".
تخلق الأمواج نمطًا شبكيًا ينتج عنه سلسلة من الخطوط على الحائط. في الصورة أعلاه ، تكون الخطوط أكبر وأكثر إشراقًا في الأماكن التي تلتقي فيها الأمواج. الفجوات بين الخطوط هي نتيجة تداخل مدمر ، والشرائط هي نتيجة تداخل بناء.
التأثير الكهروضوئي
توضح التجربة أعلاه أن الضوء يتصرف كموجة،لكن ألبرت أينشتاين أوضح لنا أنه يمكننا أيضًا وصف الضوء بأنه مكون من جزيئات طاقة فردية "الفوتونات "هذا ضروري لحساب شيء يسمى "التأثير الكهروضوئي".
عندما تطلق ضوءًا على صفيحة معدنية ، يُصدر المعدن إلكترونات: جسيمات مشحونة كهربائيًا. هذا هو التأثير الكهروضوئي.
قبل أينشتاين ، حاول العلماء شرح التأثير الكهروضوئي بافتراض أن الضوء يأخذ شكل الموجة فقط. لفهم أسبابهم ، تخيل تموجات في بركة. التموجات لها قمم حيث ترتفع الموجة ، وتنخفض حيث تنخفض.
تخيل الآن أن هناك أيضًا قاربًا في البركة على متنه جنود من الليغو. عندما تصل التموجات إلى القارب ، لديهم القدرة على إبعاد الجنود. كلما زادت الطاقة التي تحملها التموجات ، زادت القوة التي سيتم التخلص منها بالجنود.
ونظرًا لأن كل تموج يمكن أن يؤدي إلى التخلص من جندي ، فكلما زاد عدد التموجات التي تصل إلى القارب في غضون فترة زمنية معينة ، زاد عدد الجنود الذين يمكن أن نتوقع أن يتم طردهم خلال ذلك الوقت.
تحتوي موجات الضوء أيضًا على قمم وقيعان وبالتالي تموج بطريقة مماثلة. في نظرية موجات الضوء ، ترتبط هذه التذبذبات بخاصيتين للضوء: الشدة والتردد.
ببساطة ، فإن تردد الموجة الضوئية هو عدد القمم التي تعبر نقطة في الفضاء في فترة معينة (مثل عندما يضرب عدد معين من التموجات القارب خلال فترة زمنية محددة). و كثافة يتوافق مع طاقة الموجة (مثل الطاقة التي يحملها كل تموج في بركة لدينا).
صوّر العلماء في القرن التاسع عشر الإلكترونات على صفيحة معدنية تتصرف بشكل مشابه لجنود الليغو على طوفنا. عندما يصطدم الضوء بالمعدن ، يجب أن تؤدي التموجات إلى إطفاء الإلكترونات.
كانوا يعتقدون أنه كلما زادت شدة (طاقة التموجات) زادت سرعة تحليق الإلكترونات. كلما زاد التردد خلال فترة زمنية محددة ، زاد عدد الإلكترونات التي سيتم التخلص منها خلال تلك الفترة - أليس كذلك؟
ما نراه في الواقع هو العكس تماما! إن تردد الضوء الذي يصطدم بالمعدن هو الذي يحدد سرعة الإلكترونات عند انطلاقها. وفي الوقت نفسه ، فإن شدة الضوء ، أو مقدار الطاقة التي يحملها ، تحدد فعليًا عدد الإلكترونات التي تطير بعيدًا.
شرح أينشتاين
كان لدى أينشتاين تفسير كبير لهذه الملاحظة الغريبة. لقد افترض أن الضوء مكون من جسيمات ، وهو في الحقيقة ليس موجة، ثم ربط شدة الضوء بعدد الفوتونات في الحزمة ، وتردد الضوء بكمية الطاقة التي يحملها كل فوتون .
عندما يتم إطلاق المزيد من الفوتونات على المعدن (كثافة أكبر) ، يكون هناك المزيد من التصادمات بين الفوتونات والإلكترونات ، وبالتالي ينبعث عدد أكبر من الإلكترونات. وهكذا ، فإن شدة الضوء تحدد عدد الإلكترونات المنبعثة ، وليس السرعة التي تطير بها.
قم بزيادة شدة الضوء ، وبالتالي عدد الفوتونات التي تقذف صفيحة معدنية ، وسترى أيضًا عددًا أكبر من الإلكترونات يتم إطلاقها. مقدمة من المؤلف
عندما يزداد تردد الضوء ويحمل كل فوتون مزيدًا من الطاقة ، فإن كل إلكترون يأخذ أيضًا طاقة أكبر من الاصطدام - وبالتالي سوف يطير بسرعة أكبر.
حصل هذا التفسير على جائزة نوبل لأينشتاين في عام 1921.
موجة أم جسيم؟
بالنظر إلى كل ما سبق ، يبقى سؤال واحد: هل الضوء موجة تبدو أحيانًا كجسيم ، أم جسيم يشبه الموجة أحيانًا؟ هناك خلاف حول هذا.
تظل هذه قضية مثيرة للجدل - وتأخذنا إلى عالم مثير لميكانيكا الكم.
رد مع اقتباس
