Oblik svjetlosnih čestica - fotona

Ljudi su oduvijek znali kako postoji svijetlost, ali nisu znali što je ona. Boravkom u mračnim prostorijama, ili šatorima vidjeli su je kako prodire kroz uske rupe i obasjava lebdeću prašinu, te su po tome znali kako se širi pravocrtno. Tek kada su inovativni poduzetnici počeli proizvoditi precizne i vrlo prozirne leće, prizme i ogledala omogućeno je istraživanje svjetlosti.

Prvu teoriju o prirodu svjetlosti smislio je Isaac Newton 1672. kada je pretpostavio kako se svjetlost od roja sitnih čestica koje se gibaju nekom brzinom. Time je objasnio ravnocrtno gibanje svjetlosti, te pojave loma svjetlosti (refrakciju) i odbijanja svjetlosti (refleksija).

Daljnjim razvojem inovacija izmišljeni su razni instrumenti, alati i postupci koji su omogućili daljnji razvoj znanstvenog eksperimentiranja. Tako je eksperimentima utvrđeno kako svjetlost pokazuje osobine ogiba, interferencije i polarizacije što se nije moglo objasniti čestičnom teorijom.

Christiaan Huygens je 1678. razradio, a 1690. objavio novu valnu teoriju svjetlosti koja je bolje objasnila te pojave. Francuz L. Foucault je 1850. proveo precizna mjerenja brzine svjetlosti u vodi korištenjem rotirajućih zrcala i ustanovio da ona iznosi ¾ brzine svjetlosti u vakuumu. Time se došao do zaključka kako je točnija valna teorija. Po valnoj teoriji svjetlosni valovi se šire kroz eter, fluid kako ispunjava čitav prostor. Vremenom su fizičari shvatili kako bi taj fluid mogao biti više milijuna puta krući od čelika kako bi mogao podržavati visoke frekvencije svjetlosti, bez mase, potpuno proziran, bez učinka disperzije, nestlačiv, neprekinut i potpuno neviskozan.

Mishael Faradey je 1845. otkrio kako se kut polarizacije svjetlosne zrake može mijenjati djelovanjem magnetskog polja. Time je dokazao povezanost svjetlosti s elektromagnetizmom, te je 1847. iznio tezu kako je svjetlost visokofrekventna elektromagnetska vibracija koja se može prostirati duž medija u potpunoj odsutnosti nečeg što bi nalikovalo Eteru.

Heinrich Herz je 1887. primijetio kako elektrode lakše stvaraju iskru ako se osvijetle ultraljubičastim zračenjem. Eksperimentima je utvrđeno kako je taj fotoelektrični efekt fizikalna pojava kod koje djelovanjem elektromagnetskog zračenja dolazi do izbijanja elektrona iz obasjanog materijala. Time ti materijali postaju električki pozitivni, pošto imaju manjak električno negativnih elektrona. Koliko će taj učinak biti jak ovisi o frekvenciji svjetlosti pa samo zračenje vidljive svjetlosti i ultraljubičasto zračenje može izbiti elektrone iz kovina.

Max Planck je 1900. proučavajući energije zračenja crnog tijela pretpostavio da energija harmoničnog oscilatora može poprimiti samo određene iznose koje je nazvao Kvant. Po njegovoj pretpostavci kvant energije je najmanja nedjeljiva količina energije koju može emitirati ili apsorbirati neki kvantni sustav, to jest neka atomska jezgra, atom ili molekula. Prije njega smatralo se da u svim fizičkim pojavama energija prelazi s jednog tijela na drugo kontinuirano, u bilo kojim malim količinama.

Pošto ni valna ni čestična teorija nisu mogle objasniti sve eksperimentalno utvrđene pojave, Albert Einstein je 1905. objavio svoju Specijalna teorija relativnosti kojom je objašnjavao fotoefekt uvodeći točno određene količine energije ili kvant svjetlosti, koji je nazvao foton. Na osnovu Planckovog zakona, zaključio je da bi iznos kvanta svjetlosti morao biti proporcionalan s frekvencijom svjetlosti i pomnožen s konstantom, koja se pokusima dobila kao Planckova konstanta. Do fotoefekta dolazilo samo ako se prešla određena granična frekvencija. Zbog tog otkrića A. Enstein je 1905. ponovno vratio u igru korpuskularnu teoriju, te je utvrdio kako je svjetlost roj čestica, fotona, koji imaju energiju ovisnu o Planckovoj konstanti i frekvenciji. Po ovome fotoni su čestice svjetlosti kojima je masa mirovanja nula, a šire se brzinom svjetlosti. Einstein uspijeva objasniti ove kontradikcije uvođenjem fotona, čestica svjetlosti koju su nedjeljiv paketić energije. Sada je svjetlost roj fotona, a kada elektron upije foton on izlazi iz metala samo ako je njegova energija veća ili jednaka energiji kojom ga metal veže i ne dopušta da ode.

Albert Einstein 1916. objavljuje teoriju opće relativnost. Ovom teorijom on dodatno relativistički poopćuje Newtonove teorije gravitacije, a kako bi objasnio ono što nije mogao ralativizirao je gravitaciju, prostor i vrijeme. Tvrdio je kako je brzina svjetlosti konstantna i kako ništa ne može ići brže od brzine svjetlosti, te kako kod te brzine vrijeme stoji, a prostor je zakrivljen. Pošto je kasnije dokazano kako se neke čestice kreću brže od brzine svjetlosti i te njegove tvrdnje su kasnije napuštene. Međutim i danas mnogi vjeruju kako je pri brzini svjetlosti prostor zakrivljen, kako vrijeme staje, i kako je moguće putovati kroz vrijeme.

Luis de Broglie je 1924. zamislio kako elektroni imaju valna svojstva (dualizam), te do 1928. proučava razmještaj elektrona u atomu. Osim njega na toj teoriji rade Erwin Schrodinger, Wolfgang Paulija, Max Borna i Werner Heisenberg. Luj de Broglie je 1923. predložio teoriju o dualnom svojstvu svjetlosti, te to proširio i na tvari općenito, što je pokazao promatrajući ogib elektrona na kristalnoj rešetci. Elektron, koji je čestica ima po njemu i valnu duljinu, što je karakteristika vala, pa prema njemu svako tijelo, jer je građeno od čestica, ima valnu duljinu.

Kvantna teorija svjetlosti donekle je objasnila dualističku narav svjetlosti, koja se pokazuje u pojavama interferencije i fotoelektričnog učinka. Prema toj teoriji svjetlost nastaje kvantnim prijelazima elektrona iz jednog energetskoga stanja u drugo, u atomu ili u kristalnoj rešetki. Elektroni su u atomima raspoređeni po stanjima određene energije (kvantna stanja) i dok se nalaze u tim stanjima, ne emitiraju energiju. Pri prijelazu elektrona u kvantno stanje niže energije, razlika u energiji emitira se kao kvant elektromagnetskoga zračenja.

Dualna teorija je dosta uvjerljivo objasnila fizikalno svojstvo elektromagnetskog zračenja (fotona) i osnovnih čestica tvari da pokazuju i valna i čestična svojstva, ovisno o okolnostima. Kada se elektromagnetsko zračenje širi prostorom, javljaju se ogib(difrakcija) i interferencija, što je dokaz da ima valna svojstva. Kada elektromagnetsko zračenje međudjeluje sa elekronima iz tvari pri fotoelektričnom učinku, ono se ponaša poput roja sićušnih nedjeljivih čestica, grudica energije koje se zovu fotoni. U jednim okolnostima (međudjelovanje s elektronima u metalu) elektromagnetsko zračenje ponaša se kao roj čestica, a u drugim okolnostima (širenje prostorom) kao val. Međutim ni ove teorije nisu uspjele obuhvatiti sve činjenice.

Osnovni problem u svim tim teorijama je što ne obuhvaćaju potpunu prirodu svjetlosti koja je najbolje objašnjena teorijom čestičnog niza.

Točno je da je svjetlost čestica (foton), ali je netočno da je svjetlost istovremeno i val. Valne osobine svjetlosti posljedica su oblika fotona. Svjetlosne čestice se sastoje od još sitnijih, električno nabijenih pozitivnih i negativnih čestica koje su naizmjenično poslagane u duge tanke nizove nazvane fotoni, a jedan par tih čestica čine jedan kvant. Ti nizovi rotiraju kao štap kad ga bacimo u zrak, te pri tom stvaraju rotirajuće magnetsko polje što se očituje kao frekvencija elektromagnetskog zračenja. Dugi nizovi rotiraju sporije, a kratki brže. Foton nastaje u atomu, pri hlađenju atoma, kad se dio električnih čestica iz elektrona i protona odvajaju, djelovanjem električne privlačne sile naizmjenično se međusobno spajaju i formiraju niz. Naizmjenično se slažu zato što se istopolne čestice odbijaju, a raznopolne privlače. Da bi taj niz mogao napustiti atom mora postići (minimalno) brzinu poznatu kao brzina svjetlost, a to je brzina kojom foton napušta atom.

Dok god elektroni i protoni imaju električni naboj, tj. električnih čestica u svom sastavu mogu izbacivati fotone. Kad elektroni i protoni ostanu bez električnog naboja, tj. bez električnih čestica atom je ohlađen na apsolutnu nulu i više ne može izbacivati fotone.

Fotoni koji dolaze u atom raspadaju se na sastavne dijelove. Pozitivni dijelovi idu prema protonima, a negativni prema elektronima, i pri tom se diže temperatura atoma. Kod prolaza kroz neke tvari foton se može raspasti na dva fotona, a pri tom ta dva fotona imaju manji broj kvantova koji je u zbiru jednak kvantnom broju fotona od kojeg su nastali. Ako tvar kroz koji fotoni prolaze apsorbiraju fotone tada ta tvar može izbacivati svoje fotone neke druge valne dužine.

Ova teorija čestičnog niza objašnjava sve valne, čestične i elektične osobine svjetlosti, te će jednog dana prouzročiti napuštanje svih ostalih svjetlosnih teorija.