İŞiq haqqinda təLİMİN İNKİŞafina dair qisa xülasə. FotometriYA

H üygens prinsipi hər hansı an (məsələn anı) üçün məlum olan dalğa cəbhəsinə görə sonrakı ixtiyarı anlar (məsələn anı) üçün dalğa cəbhəsini qurmağa imkan verir (şəkil 1). Dalğa cəbhəsini bilməklə işığın yayılma istiqamətini (dalğa cəbhəsinə perpendikulyar olan istiqaməti) müəyyən etmək olar.
Maraqlıdır ki, ilk dəfə Bartoline tərəfindən İslandiya şpatı kristalında müşahidə olunan qoşaşüasınma (şüanın kristaldan keçərkən ikiləşməsi) hadisəsi məhz Hüygens prinsipinə əsaslanaraq izah oluna bilmişdir. İşığın qoşasınma hadisəsi E.Bartolinenin 1669-cu ildə qeyi-adi adla nəşr olunan “Möcüzəli və qeyri-adi sınma kəşfinə səbəb olan qoşasındırıcı islandiya kristalı ilə aparılan Bartoline təcrübələri” monoqrafiyasında şərh olunmuşdur. Hüygens yaratdığı dalğa nəzəriyyəsinə istinad etməklə işığın qoşasınmasının bəzi xüsusiyyətlərini izah etməyə müvəffəq olmuşdur. Lakin havada yayılan səs dalğasının uzununa dalğa olduğunu yaxşı bilən Hüygens efirdə yayılan işıq dalğasının da buna oxşar olaraq uzununa dalğa olduğunu qəbul etdiyindən, işığın qoşaşüasınma nəzəriyyəsini yarada bilməmişdir. Çünki işığın uzununa dalğa qəbul edilməsi, ona işığın polyarlaşması haqqında fikir yürütməyə imkan verməmişdir. Gələcəkdə görəcəyimiz kimi, qoşaşüasınma hadisəsi işığın polyarlaşması və kristalın anizotrop xassəsi ilə əlaqədardır.
Hüygens prinsipi işığın qayıtma və sınma qanunlarını da izah etməyə imkan verir.
Beləliklə, XVIII əsrin başlanğıcında işığın təbiətinə dair iki nəzəriyyənin - Nyutonun korpuskulyar və Hüygensin dalğa nəzəriyyəsinin mövcud olduğunu görürük. XVIII əsr bu iki nəzəriyyənin qarşılıqlı mübarizə əsri olmuşdur.
Əvvəllər qeyd etdiyimiz kimi, Nyuton işığın periodikliyi iddiasını irəli sürməsinə baxmayaraq onun dalğa təbiətli olduğunu qəbul etmirdi. Mexanika sahəsindəki böyük kəşfləri o dövrdə Nyutona şöhrət qazandırmışdı. Bu faktın özü Nyutonun korpuskulyar nəzəriyyəsinin bəyənilməsində mühüm rol oynamışdır. Korpuskulyar nəzəriyyəyə qarşı müxtəlif ciddi dəlillərlə Lomonosov və Eyler kimi alimlərin etirazlarına baxmayaraq bu nəzəriyyə tam bir əsr (XVIII əsr) hökm sürmüşdür.
İ şığın dalğa nəzəriyyəsinin elmi və praktik təməli T.Yunq və O.Frenel tərəfindən qoyulmuşdur. Hər iki alim öz işlərində Hüygensin dalğa hipotezini – Hüygens prinsipini əsas götürmüşlər. XIX əsrin başlanğıcında (1800-1801-ci illərdə) işığın difraksiya və interferensiyasına aid Yunqun apardığı təcrübələr optikada inqilabi nəticələr əldə etməyə imkan verdi: ilk dəfə aydın və konkret şəkildə işığın dalğa uzunluğu və interferensiyası müəyyənləşdirildi. Bu iki anlayışı əsas götürən Yunq məşhur “Yunq təcrübələri”nə əsaslanaraq incə təbəqələrin rənglərini və Nyuton halqalarını mükəmməl şəkildə izah etdi. Yunqun belə böyük nailiyyətlərinə baxmayaraq işığın dalğa nəzəriyyəsi ilə əlaqədar iki ciddi çətinlik ortaya çıxdı. Onlardan biri polyarlaşmış işığın interferensiyası ilə əlaqədar idi. Məsələ ondadır ki, bir- biri ilə görüşən koherent şüalar qarşılıqlı perpendikulyar istiqamətlərdə polyarlaşdıqları halda interferensiya mənzərəsi yaratmır. Bu hadisə Yunq tərəfindən izah oluna bilmədi. Digər tərəfdən, 1810-cu ildə E.Malyus tərəfindən müşahidə olunan yeni bir hadisə - təbii işığın səthdən qayıtması nəticəsində polyarlaşması hadisəsi də izah oluna bilmədi. Bütün bu çətinliklər işığın dalğa nəzəriyyəsinin nəzəri əsasını işləyib hazırlayan Frenel tərəfindən aradan qaldırıldı. Frenel dalğa nəzəriyyəsini Hüygens prinsipi ilə tamamlamaqla difraksiya və interferensiyaya aid bütün təcrübi faktları müvəffəqiyyətlə izah edə bildi.
Cəmi doqquz il (1815-1824-cü illər) elmi fəaliyyətlə məşğul olan Frenel optika sahəsində hədsiz dərəcədə əhəmiyyətli və prinsipial işlər görmüşdür. O, ilk dəfə işığın eninə dalğa olması ideyasını irəli sürmüşdür. Çoxlu sayda düsturlar, optik cihazlar və optik hadisələr birbaşa onun adını daşıyır. Bunlara Hüygens-Frenel prinsipini, Frenel difraksiyasını, Frenel zonalarını, Frenel ellipsoidini, Frenel biprizmasını, Frenel güzgülərini, Frenel rombunu, Frenel inteqrallarını, Frenelin dalğa normalları tənliyini, Frenel tənliklərini və sairləri misal göstərmək olar.
Polyarlaşmış işığın interferensiyası üzrə Araqonun apardığı təcrübələrdən alınan nəticələrə əsaslanaraq Frenel tərəfindən irəli sürülən ideya – işığın eninə dalğa olması ideyası işığın yayılmasını təmin edən efir (efir optik hadisələri mexanika çərçivəsində təsvir etmək məqsədilə daxil edilmiş hipotetik mühitdir) hipotezi qarşısında özünəməxsus çətinliklər yaratdı. Həmin çətinliyin mahiyyəti budur. Məlum olduğu kimi, eninə elastik dalğalar yalnız bərk cisimlərdə (bir-birinə qarışmayan mayelərin sərhəd səthi və maye-hava sərhəd səthi müstəsna olmaqla) yayılır. Deməli, işıq eninə dalğa olduğundan, bu dalğaların daşıyıcısı sayılan efir də bərk cismin xassələrinə malik olmalıdır. Belə olduqda işığın mühitdə yayılma sürəti eninə elastiki dalğaların bərk cisimdə yayılma sürətini müəyyən edən məlum düsturla təyin olunmalıdır:
.
Burada G sürüşmə modulu, mühitin sıxlığıdır.
Təcrübi faktlardan məlum olduğu kimi, işıq sürəti kifayət qədər böyükdür. Ona görə də G çox böyük, isə kiçik olmalıdır. Bu isə, bildiyimiz kimi mümkün ola bilməz. Çünki buradan belə alınır ki, efir bir tərəfdən çox kiçik sıxlığa, digər tərəfdən isə çox böyük sürüşmə moduluna malik olmalıdır. Bu iki xassə bir-birinə ziddir.
Qarşıya çıxan bu anlaşılmazlıq hipotetik efir qarşısına çıxan yeganə çətinlik deyildi. Fuko və Fizonun ölçmələri göstərmişdir ki, işığın müxtəlif mühitlərdə yayılma sürəti müxtəlifdir. Bu isə o zaman mümkün ola bilər ki, efirin xassəsi onun hansı cisim daxilində olmasından asılı olsun. Efirlə əlaqədar olan çətinliklər bununla da qurtarmır. Efir bərk cisim xassəlidirsə, bərk cisim daxilində həm eninə, həm də uzununa dalğa yayıla bildiyindən efir daxilində həmçinin uzununa dalğa yayılmalı idi. Lakin işıq eninə dalğa olduğundan efir elə xassəyə malik olmalıdır ki, onun daxilində yalnız eninə dalğa yayılsın. Efir qarşısına çıxan bu çətinliklər uzun müddət öz həllini tapa bilmədi.
İşıq haqqında təlimin inkişafı yolunda atılan ən ciddi addımlardan biri də Kulon, Amper, Faradey, Veber, Kolrauş və başqa alimlərin elektrik və maqnit hadisələrinə aid işlərinə əsaslanmaqla XIX əsrin ikinci yarısında Maksvelin yaratdığı klassik elektrodinamika nəzəriyyəsi olmuşdur. Maksvel məlum təcrübi faktları ümumiləşdirərək işığın elektromaqnit nəzəriyyəsiniirəli sürmüşdür. Bu nəzəriyyəyə görə işıq dalğaları yüksək tezlikli elektromaqnit dalğalarından başqa bir şey deyildir.Maksvelin elektromaqnit nəzəriyyəsinə görə .
Burada c işığın vakuumda, isə dielektrik nüfuzluğu , maqnit nüfuzluğu olan mühitdə yayılma sürəti, n sındırma əmsalıdır.
Maksvel nəzəriyyəsi mühitin elektrik, maqnit və optik parametrləri ( , , n) arasında əlaqə yaradır. Bununla yanaşı həmin nəzəriyyə işığın dispersiyası (sındırma əmsalının dalğa uzunluğundan asılılığı) hadisəsini izah edə bilmir. Doğrudan da, Maksvel nəzəriyyəsinə görə və işığın dalğa uzunluğundan asılı olmadığından, sındırma əmsalı da dalğa uzunluğundan asılı olmamalıdır. Bu çatışmazlıq Lorensin elektron nəzəriyyəsinin köməyi ilə aradan qaldırıldı. Həmin nəzəriyyədən alınan nəticəyə görə mühitin dielektrik nüfuzluğu işığın dalğa uzunluğundan asılıdır. Bu səbəbdən sındırma əmsalı da dalğa uzunluğundan asılı olmalıdır.
Maksvel və Lorensə görə də işıq dalğasının daşıyıcısı efirdir. Efirin varlığı uzun müddət heç bir şübhə doğurmadı. Onun xassələri haqqında təsəvvürlər isə işığın təbiəti haqqında təsəvvürlərlə yanaşı inkişaf etməyə başladı. Maksvelə görə bütün elektromaqnit hadisələri efirlə əlaqədardır. Lorensə görə isə efir bir parametrlə – işığın verilmiş mühitdə yayılma sürəti ilə xa-rakterizə olunan sonsuz mühitdir. Lakin müxtəlif qrup alimlər tərəfindən aparılan təcrübələr efirin varlığını şübhə altına aldı. Maykelson-Morli təcrübəsi göstərdi ki, efir varsa, o sükunətdə deyil, hərəkət edən cisim, məsələn Yerlə birlikdə aparılır. Fizo təcrübəsi göstərdi ki, efir varsa, o hərəkət edən mühit tərəfindən qismən aparılır. İşığın aberrasiyasına görə isə efir varsa, sükunətdə olmalıdır. Bir-birinə daban-dabana zidd olan bu faktlar efir anlayışının rədd olunmasına və Lorens elektrodinamikasının Eynşteynin nisbilik nəzəriyyəsi ilə əvəz olunmasına səbəb oldu.
Lorens nəzəriyyəsi də müəyyən müvəffəqiyyətlərlə yanaşı ciddi çətinliklərlə qarşılaşdı. Həmin çətinliklərdən biri Lorens nəzəriyyəsinin mütləq qara cismin şüalanması zamanı enerjinin tezliklərə görə paylanmasını izah edə bilməməyi idi. Elektron nəzəriyyəsinin bu çətinliyi əsasən G.Kirxhof, V. Vin, C.Reley, C.Cins, L.Bolsman və nəhayət M.Plank kimi alimlərin cəhdləri ilə aradan qaldırıla bilmişdir.
Kirxhof və Bunzenin bu işləri spektral analiz sahəsində aparılan ilk eksperiment idi. Onlar buraxma spektri üzrə apardıqları təcrübələrlə hətta milliqram kütləli duzun tərkibindəki natriumu aşkar edə bilmişlər. Bu nəticə və daha sonralar bu istiqamətdə aparılan tədqiqatların nəticələri bir daha göstərdi ki, spektr maddələrin kimliyidir (pasportudur), hər atomun yalnız özünə məxsus spektr xətləri mövcuddur.
Kirxhofun elm qarşısında göstərdiyi ən böyük xidmətlərdən biri də ona qədər (19-cu əsrin ortalarınadək) bir-birindən ayrı inkişaf edən və ilk görüşdə sanki bir-birindən əlaqəsiz olan optika və termodinamikanın təmas nöqtələrinin varlığını müəyyənləşdirmək olmuşdur. O, termodinamika qanunlarını şüalanma prosesinə tətbiq etməklə “Şüalanmanın termodinamikası” adlı yeni elm sahəsi yaratmışdır. Kirxhof termodinamikanın qanunlarını şüalanma prosesinə tətbiq edərək müəyyən etdi ki, verilmiş temperatur və dalğa uzunluğunda şüalandırma qabiliyyətinin udma qabiliyyətinə nisbəti cisimlərin növündən asılı olmayan sabit kəmiyyətdir. Bu sabit kəmiyyət yalnız temperatur və şüalanmanın dalğa uzunluğunun funksiyasıdır: λ,T). Bu funksiyanın (istilik şüalanması enerjisinin spektral paylanmasının) açıq şəklinin, yəni analitik ifadəsinin müəyyənləşdirilməsi məsələsi ilə 19-cu əsrin ən məşhur alimlərinin (V.Vin, C.Reley, C.Cins, Y. Stefan, L.Bolsman və başqaları) məşğul olmasına baxmayaraq məsələ prinsipial problemə çevrilmiş və yalnız M.Plankın cəsarətlə irəli sürdüyü inqilabi hipotez əsasında həll oluna bilmişdir.
1 900-cü ildə M. Plank (1858-1947) tərəfindən irəli sürülən hipotez istilik şüalanmasında enerjinin spetkral paylanması problemini həll etdi. Plank hipotezinə görə elektromaqnit şüalanması fasiləsiz deyil, tezliklə düz mütənasib olan müəyyən enerji porsiyaları ilə diskret olaraq baş verir. Hər porsiyanın enerjisi w = hν ifadəsi ilə təyin olunur. Burada h Plank sabitidir. Plank nəzəriyyəsi klassik fizikanın ruhuna kökündən zidd olsa da, təcrübi faktlarla təsdiq olundu və mütləq qara cismin istilik şüalanması məsə- ləsini həll edə bildi. Plank özünün təklif etdiyi kvant nəzəriyyəsinə istinad etməklə, Kirxhof funksiyası üçün təcrübə ilə tam uzlaşan düstur (Plank düsturu) çıxarmışdır: . Burada ν işığın tezliyidir.
Qeyd edək ki, Plank nəzəriyyəsinin «efir mühiti» anlayışına ehtiyacı yoxdur. Beləliklə, XX əsrin başlanğıcında işığın elektromaqnit nəzəriyyəsi ilə yanaşı Nyutonun korpuskulyar nəzəriyyəsindən tamamilə fərqli olan yeni mahiyyətli korpuskulyar nəzəriyyə yaradıldı.
Deyilənləri yekunlaşdıraraq belə bir nəticəyə gəlirik: işıq ikili xassəyə – dalğa və korpuskulyar xassələrə malikdir, başqa sözlə işıq diskretliklə kəsilməzliyin vəhdətindən ibarətdir. Plank işığın porsiyalarla (kvantlarla) şüalandığını qəbul etsə də onun yayılmasını dalğa prosesi kimi təsəvvür edirdi. Lakin A.Eynşteyn (1879-1955) sonralar Plankın ideyasını daha da inkişaf etdirərək belə nəticəyə gəlmişdir: təkcə işığın şüalanması deyil, onun udulması və yayılması da porsiyalarla baş verir. Buradan göründüyü kimi, Eynşteynə görə, işıq zərrəciklərdən (kvantlardan) ibarətdir.
İşıq zərrəcikləri ilk dəfə Luis tərəfindən foton adlandırıldı. Foton anlayışına əsaslanan Eynşteyn enerjinin saxlanma qanununu fotoeffekt hadisəsinə tətbiq edərək çox mühüm kəşfə imza atdı. Eynşteynin optika sahəsindəki mühüm işləri bununla da bitmir. O, işığın kvant təbiətinə əsaslanaraq 1917-ci ildə Plank düsturunu çıxarmaq üçün yeni ideya - lazer fizikasının təməl daşı olan məcburi şüalanma ideyasını irəli sürmüşdür. Məhz bu ideyanın praktik reallaşması nəticəsində 20-ci əsrin ikinci yarısının başlanğıcında prinsipial cəhətdən tamamilə yeni işıq mənbəyi – lazer qurğuları kəşf olunaraq istifadəyə verildi. Lazer işıq mənbələrinin yaradılması ABŞ alimləri Ç.Tauns, A.Şavlov və rus alimləri N.Basov və A.Proxorovun işləri nəticəsində mümkün olmuşdur. Rubin kristalı ilə işləyən ilk lazer 1960-cı ildə amerikalı alim T.Meyman tərəfindən yaradıldı.
Bütün qeyd olunanları yekunlaşdıraraq belə nəticəyə gəlirik: Plank tərəfindən irəli sürülən inqilabi hipotez və Eynşteyn tərəfindən onun mükəmməlləşdirilməsi, həmçinin Eynşteynin məcburi şüalanma ideyası optikanın yeni bölməsinin – kvant optikasının yaranmasına səbəb oldu.
Eynşteynin optika sahəsindəki işləri təkcə yuxarıda sadalananlarla bitmir. İşıq kvantının impulsa malik olması ideyası da Eynşteynə məxsusdur. Bu barədə o, belə yazır: “Elementar spontan şüaburaxma zamanı molekul qiyməti olan təpmə impulsu qazanır.” Bu ideyaya əsaslanan Eynşteyn müasir atom energetikasının əsasını təşkil edən düsturunu çıxarmağa müvəffəq oldu. Eynşteyn enerji ilə kütlə arasındakı asılılığı müəyyənləşdirən bu düsturu işıq enerjisinin və impulsunun saxlanma qanunlarının hərəkətdəki koordinat sistemində ödənməsi mülahizələrindən istifadə etməklə çıxarmışdır.
Prinsipcə yeni olan lazer mənbələrindən alınan işıq dəstələri koherentliyinə, qarşılıqlı paralelliyinə, impulsunun davam (yaşama) müddətinin kiçikliyinə, gücünə və sairlərə görə o zamana qədər məlum olan işıq mənbələrinin şüalandırdıqları işıqdan prinsipial fərqlənir. Məhz bu fərq optikanın və ümumilikdə bütün fizikanın sifətini dəyişdirməyə səbəb oldu. Belə güclü şüaların maddə ilə qarşılıqlı təsirinin tədqiqi yeni elm sahəsinin – qeyri-xətti optikanın yaranmasına səbəb oldu.