KURZUS: Fizikatörténet
MODUL: Újkori fizika
3.5. lecke: Az optika története II. / Huygens és Newton. A fény hullámelmélete
Önellenőrző kérdések | |||||||||
1. Hogyan képzelte el Huygens a fény terjedésének mechanizmusát? Válassza ki a helyes megoldást!
![]() | |||||||||
2. Milyen eszközt használt Newton legtöbb színtani kísérletében a fény színeire bontására? Válassza ki a helyes megoldást!
![]() | |||||||||
3. Newton melyik kísérlete volt az, melynek magyarázatára csak kb. 100 évvel később jöttek rá és amely valójában a fény hullámtulajdonságát, interferenciáját mutatta meg? Válassza ki a helyes megoldást!
![]() | |||||||||
4. Miért fogadta el a szakmai közvélemény eleinte igen nehezen Thomas Youngnak, hogy a fény egy hullám? Válassza ki a helyes megoldást!
![]() |
1. Huygens fényterjedési modellje | ||
Az előző leckében láttuk, hogy a fény terjedésére többféle magyarázatot is adtak az 1600-as években. Christian Huygens, akinek a nevével a mechanika megalapozásánál is találkoztunk, egy újabb változattal állt elő az 1600-as évek végén. | ||
Szerinte a mindenséget kicsiny részecskék, golyócskák töltik ki, és a fényt akkor érzékeljük, amikor a szemünknél levő golyócskák elmozdulnak nyugalmi helyükről. A fényforrások e kis golyókat lökik meg, azok a szomszédjaikat, azok a saját szomszédjaikat, ... így terjed a fény, miközben a legelső sor meglökött golyó, a "frontfelület" egyre előrébb és előrébb jut. | ||
Huygens fényterjedési elve tehát az alábbi módon fogalmazható meg: A fény terjedése az Univerzumot kitöltő sok-sok részecskének köszönhető és a terjedés során a frontfelület minden pontja újabb részecskék meglökésének forrása és az így mozgásba hozott golyócskák alakítják ki a későbbi frontfelületet. | ||
Huygens szerint a fénysugár egy sík frontfelületnek felel meg, mely a terjedés irányára merőleges, a kicsiny fényforrások mindenfelé irányuló fényéhez pedig gömb alakú frontfelület tartozik. Azt igen könnyen lehet igazolni, hogy ha a frontfelület egy pillanatban gömb, és a hullámok terjedési sebessége állandó, akkor kis idő múlva ismét gömbfelületet kapunk, illetve sík frontfelületből sík frontfelület lesz később. | ||
| ||
Az sem okoz nehézséget, hogy belássuk: ha egy frontfelület nem merőlegesen érkezik egy közeghatárra és az új közegben (ahova csak most lép be) kisebb a golyócskák sebessége, mint az eredetiben, akkor a front előbb belépő része (az ábrán a menetirány szerinti jobb oldala) korábban lelassul, így a frontfelület végül is elfordul. | ||
| ||
Huygens ezt végig is számolta, és egyszerű geometriai megfontolásokkal levezette belőle a Snellius-Descartes törvényt. Az ő elmélete Fermatéhoz hasonlított abban, hogy a vízben kellett lassabbnak lennie a fénynek, hogy a kísérletekkel összhangban legyenek az elméleti és a kísérleti eredmények. | ||
Huygens elmélete nem feltételezett olyan "céltudatosságot", mint amit a Fermat-elv sugall és Descartes modelljénél is hihetőbb volt, mert annak is okát adta, miért van egy közegnek adott fényterjedési sebessége: ez a golyócskák tömegével és térfogategységenkénti számával kapcsolatos. | ||
Később kiderült, hogy a Huygens-elvből a Fermat-elv levezethető, de az elméletet igazán sikerre majd Fresnel viszi az 1800-as években, aki az egymást lökdöső golyócskák koncepcióján túllép és valódi hullámtermészetet tulajdonít a fénynek. Erről azonban később szólunk. | ||
2. Isaac Newton optikai munkássága | ||
Newtont, Huygenshez hasonlóan az optika is érdekelte. Egyik fő motivációjuk is közös volt: minél jobb minőségű optikát építeni, hogy minél nagyobb teljesítményű távcsőhöz jussanak. Ennek során jutott Newton arra a gondolatra, hogy a színtant alaposabban tanulmányoznia kell, mert a nagy lencsék egyik legzavaróbb hibája az úgynevezett "színhiba" volt. Ez azt jelentette, hogy a nagy lencsék esetén a kép mindig színeire bomlott, mert az üveg törésmutatója enyhén színfüggő volt. Ez életlen, hamis színekben játszó képet eredményezett. | ||
A jelenség alapját, azaz a törésmutató színfüggését "diszperzió"-nak nevezzük. A diszperzió ismert volt korábban is, hisz pl. Descartes ez alapján tudta a szivárvány keletkezését megmagyarázni, de igen alapos kísérletsorozatot először Newton végzett a témában. | ||
Newton kísérleti elrendezésének alapja az volt, hogy egy elsötétített szobába csak kis lyukon engedte be a napfényt, így egy párhuzamosnak tekinthető fehér nyalábot kapott, majd ennek útjába tett különféle dolgokat és vizsgálta a kimenetet. | ||
A színbontásra Newton üvegprizmát használt, melyen be és kilépéskor is megtört a fény és a diszperzió jelensége miatt színeire bomlott: a legegyszerűbb esetben épp a szivárvány színeit kapta, amit elemi színeknek nevezett el. A jelenséget sokféleképp vizsgálta és legfontosabb eredményei az alábbi vázlatban foglalhatók össze: | ||
| ||
Newton kísérleteiről pontos rajzokat, méréseket is közölt műveiben. Számszerűen is kimérte a diszperziót, azaz azt, hogy mennyire különbözik a törésmutató az egyes színek esetén. Azt kapta, hogy minden üvegminta azonos módon hozza létre a diszperziót, azaz azonos százalékkal tér el pl. a vörös és a kék színben mért törésmutatója. Newton ezt nagyon sajnálta, mert azt már előre kigondolta, hogy ha lenne kétféle diszperziójú üvege, akkor ezekből elvileg olyan összetett lencsét tudna létrehozni, melyben a különböző típusú rétegek közel semlegesítik egymás hatását. Valójában az volt a baj, hogy mintáit egyazon üveggyártási eljárásból és alapanyagból szerezte be: ha lényegesen más üvegmintákat is használt volna, meg tudta volna építeni a színhiba-mentes lencsét. | ||
Newton, azt gondolván, hogy a színhiba-mentes lencsét nem lehet megépíteni, inkább homorú tükröt használt távcsövében fő képalkotó elemként (objektívként). A tükör ugyanis természeténél fogva diszperzió-mentes (a fény visszaverődése nem függ a törésmutatótól). | ||
| ||
Egy kis technikai gondja akadt csak: a homorú tükör a tárggyal egyező oldalon hozza létre a képet, így hogy fejünkkel ne takarjuk el a belépő fénysugár irányát, a homorú tükör által létrehozott képet ki kell vetítenünk oldalra egy kis sík segédtükörrel. Ezzel egy kicsit furcsa módon a vizsgált tárgy irányára merőlegesen kell a távcsőbe néznünk, de a nagy tükör előnye óriási a nagy lencsékhez képest. Bár azóta a színhiba-mentes lencsék gyártását is megoldották, a legnagyobb távcsövek a mai napig tükröt használnak objektívként. | ||
Newton kísérletei során észrevett egy különös jelenséget. Egyszer egy nagy görbületi sugarú lencsét domború felével egy sík üveglemezre helyezett és a lencse és az üveglemez találkozási pontja körül érdekes színes, koncentrikus köröket vett észre. A jelenséget pontosan dokumentálta és felvetette, hogy valami egyszerű geometriai oka lehet, talán a fényben valami térbeli periodikusság figyelhető meg. Érdekes módon még a "térbeli periodikusság"-ra jellemző távolságot is meghatározta és nagyságrendileg helyes értéket kapott. (Mai szóhasználattal: a fény hullámhosszát határozta meg.) | ||
Itt valójában egy, a fény hullám voltával kapcsolatos interferenciajelenséget észlelt Newton, azaz azt, hogy a különböző távolságban levő rétegekről visszaverődő fénysugarak egy adott helyen annak megfelelően erősítik vagy gyengítik egymást, hogy a találkozás helyén milyen rezgési fázisban vannak. Newton csak egy lépésre volt a fény hullámtermészetének felfedezésétől, de ezt valamiért nem tette meg. Ne hibáztassuk ezért Newtont: ez csak egy mellékvágány volt az ő számára és nem tudhatta, mennyire érdekes területre vezet. | ||
Newton sokat gondolkozott a fény természetéről és végül is a részecskeszerű modellt fogadta el inkább, bár leírta, hogy e véleményében nem egészen biztos. Érdekes, hogy Newton tekintélye miatt halála után annyira rögzült ez az elképzelés, különösen az angol fizikusokban, hogy a fény hullámtermészetét bizonyító kísérletek elfogadásának egyik gátjává vált. | ||
3. Az optikai műszerek fejlődése | ||
Ahogy korábban már említettük, a távcső (nemcsak csillagászati célú) fejlesztése volt ez egyik fő húzóereje az optikának, de egyben az egyik fő haszonélvezője is lett. Az 1700-as években megjelentek a színhiba-mentes (akromatikus) lencsék, a tükrös távcsövek, és utóbbiak objektív-átmérője csakhamar az 1 m fölé nőtt. E műszerek a csillagászat fejlődésének adtak nagy lendületet. | ||
A kifejlesztett elméleti és kísérleti eredmények aztán más berendezések előtt is megnyitották az utat. Pl. már az 1600-as években megjelent a mikroszkóp, de igazán jó minőségű képet csak az akromatikus lencsékkel sikerült kapni az 1700-as években. A nagy fényerejű, torzításmentes lencsék pedig a fényképezés 1800-as évekbeli megjelenését tették lehetővé. | ||
Érdekes, hogy a jó lencsék, távcsövek, mikroszkópok tervezése igen sok számítást igényelt, hisz a diszperziót is figyelembe venni, a kép torzulásait is kiszámolni csak sok-sok fénysugár útjának követésével lehetett, így a jó minőségű optikák készítéséhez a gyors számolást lehetővé tevő számábrázolás és a differenciálszámítás is szükségesnek bizonyult. | ||
4. A fény hullámtermészete | ||
Láttuk, hogy akár Newton rájöhetett volna arra, hogy a fény egy hullám. Ha ezt ő összekapcsolja Huygens fényterjedési modelljével, akkor az optika elmélete már az ő korában nagyot ugrott volna. Ehelyett, részben Newton tekintélye miatt 1801-ig kellett várni, hogy a fény hullámelmélete megszülessen. | ||
Thomas Young (1773-1829) 1801-ben mutatta be híres interferencia-kísérletét, mely csakis a fény hullámtermészetével volt megmagyarázható. Kísérleti elrendezése egyszerű volt: egy fényforrás fényét kis lyukon engedte át, majd ezt egy olyan átlátszatlan ernyőre vetítette, melyen csak két keskeny rést hagyott egymástól igen kis távolságra. A két rés mögötti ernyőn sötét és világos csíkokat figyelt meg. Ha a fény repülő kis golyókból állna, ez nem következhetne be, ám ha térbeli periodicitást, hullámszerű terjedést feltételezünk, akkor ez könnyen megérthető: erősítés ott lesz, ahol a két résen átjutó fénysugarak útkülönbsége a hullámhossz egész számú többszöröse, ugyanis ekkor fog hullámhegy hullámheggyel találkozni. | ||
| ||
Young ki is számolta, milyen hullámhossz következik a kísérletből és Newtonéhoz hasonló eredményt kapott. (Lásd a Newton-gyűrűk esete.) Szüksége is volt Youngnak a Newtonra való hivatkozásra, mert épp Newton (aki inkább részecskékből állónak gondolta a fényt) tekintélye miatt sokan fogadták kétkedve eredményeit. Young a kétkedők meggyőzésére a kísérletet víz felületi hullámaival is elvégezte, kimutatva, hogy elmélete arra is tökéletesen működik. | ||
A fizikus közvélemény pár év alatt végül is elfogadta Young eredményét, hisz mindenki meg tudta ismételni azt, és végül Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) az 1820-as években részletesen kidolgozta a hullámoptika elméletét. Fresnel több, látványos interferenciakísérletet végzett, tanulmányozta a fény rések szélén történő elhajlását és elmélete alapján újszerű berendezéseket is tervezett. Fresnel elmélete minden kísérleti elrendezésben működött (legfeljebb nehezen volt végigszámolható) és a mérésekkel egyező eredményt adott. | ||
Fresnel szerint a fény valami rugalmas közegnek, az "éternek" a hullámzása, méghozzá transzverzális hullám. Bár mára kiderült, hogy ez az elképzelés rossz, Fresnel számítási módszereit még mindig használjuk az optikai berendezések tervezésénél. | ||
A fény elméletének az elektromosságtan adott egy nagy löketet az 1800-as évek második felében. Tanulni fogjuk, hogy 1864-ben jelenik meg Maxwell műve, mely az elektromágnesesség általános leírását tartalmazza, és ebben a fény természetére is választ ad a szerző: a fény elektromágneses hullám. (Igaz, azt is gondolta, hogy az elektromos és a mágneses tér az éter deformált állapotainak felel meg.) Erről rövidesen tanulni fogunk. | ||
A 19. század vége felé sikerült megmérni a fénysebességet olyan pontosan, hogy a "levegőben gyorsabb a fény vagy vízben" direkt módon megválaszolható lett. Erről a következő leckében tanulunk. |