Μάθημα : Χημεία Προσανατολισμού - Κεφάλαιο 6 (Μέρος Α')

Η ερώτηση "Τι είναι το φως;" απασχόλησε τους ανθρώπους ήδη από την αρχαιότητα. Οι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι ήταν της άποψης ότι το φως αποτελείται από σωματίδια, χωρίς φυσικά τα μέσα διερεύνησης η συζήτηση αυτή όπως και πολλές άλλες της εποχής περιοριζόταν σε φιλοσοφική.

Περίπου 2000 χρόνια μετά, ο Ιsaac Newton (Νεύτωνας) στην εργασία του πάνω στην Οπτική θα θεμελιώσει τη σωματιδιακή φύση του φωτός, με το Νόμο της Ανάκλασης.

Με τον Νεύτωνα ωστόσο διαφωνεί τόσο ο Robert Hook, όσο και ο Christiaan Huygens o οποίος για την ερμηνεία του φαινομένου της περίθλασης θεωρεί το φως ως κύμα, είναι αδύνατη η ερμηνεία του συγκεκριμένου φαινομένου αν το φως θεωρηθεί ότι αποτελείται από σωματίδια.

Ο Thomas Young θα επιβεβαιώσει την κυματική φύση του φωτός με το περίφημο Πείραμα της Διπλής Σχισμής, στο οποίο μελέτησε το φαινόμενο της Συμβολής του Φωτός. Αποδείχθηκε ότι το φως συμπεριφέρεται όπως τα κύματα.

Ο James Maxwell στη "Δυναμική Θεωρία του Ηλεκτρομαγνητικού Πεδίου" θα περιγράψει το φως ως ένα εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα και θα δώσει την περίφημη σχέση που συνδέει το μήκος κύματος λ και τη συχνότητα f μιας ακτινοβολίας με την ταχύτητα του φωτός c. 

c = λ . f

Καθώς πλησιάζουμε στον 20ο αιώνα, οι επιστήμονες έχουν αποδεχθεί την κυματική φύση του φωτός, ενώ τα περισσότερα φαινόμενα έχουν μελετηθεί και εξηγηθεί από την Κλασσική Φυσική. Λίγα φαινόμενα παραμένουν ανεξήγητα και η πεποίθηση που επικρατεί είναι ότι είναι θέμα χρόνου η γνωστή φυσική να δώσει απάντηση σε όλες τις ερωτήσεις. Τα πάντα θα αλλάξουν όμως το 1900.

Ο Max Planck προσπαθώντας να εξηγήσει το φαινόμενο της Ακτινοβολίας Μέλανος Σώματος, της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπει οποιοδήποτε σώμα, θα προτείνει μια ριζοσπαστική ιδέα που αντιτίθεται σε όσα γνώριζαν ως τότε, ότι ακτινοβολία ενός σώματος εκπέμπεται με ασυνεχή τρόπο. Σύμφωνα με τον Planck:

• Οι ενέργειες των ταλαντωτών (ατόμων) μπορούν να πάρουν μόνο διακριτές τιμές, nhf, όπου n είναι τυχών ακέραιος και h σταθερά, είναι δηλ. κβαντισμένες.
• Οι ενέργεια της ακτινοβολίας που μπορούν να απορροφήσουν ή να εκπέμψουν οι ταλαντωτές (άρα της ακτινοβολίας που υπάρχει στην κοιλότητα) είναι κβαντισμένη. Παίρνει τις τιμές

  E_n=nhf=nhc/λ,   n=0,1,2...

  που ονομάζονται κβάντα ενέργειας. Οι ταλαντωτές εκπέμπουν ή απορροφούν ενέργεια μόνο όταν "πηδούν" από μια κατάσταση ταλάντωσης σε μια άλλη.

H πρόταση του Planck είναι τόσο ασύμβατη με τα ως τότε γνωστά, που ακόμη και ο ίδιος τη θεωρεί ως μια τυπική παραδοχή και τίποτα παραπάνω. 

Την ιδέα αυτή όμως θα χρησιμοποιήσει ο Albert Einstein λίγα χρόνια αργότερα (1905) για να εξηγήσει το Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο. Θα ονομάσει τα "κβάντα" (πακέτα) ενέργειας του φωτός, φωτόνια των οποίων η ενέργεια δίνεται από τον τύπο Ε = h.f. 

O Planck θα τιμηθεί το 1918 με το βραβείο Nobel "«ως αναγνώριση για τη συμβολή του στην εξέλιξη της φυσικής με την ανακάλυψη των κβάντων ενέργειας»" ενώ τρία χρόνια αργότερα το ίδιο βραβείο θα λάβει και ο Einstein «για τη συμβολή του στη θεωρητική φυσική, και για την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου». 

Οι συγκεκριμένες όμως εξηγήσεις φέρνουν και πάλι στο προσκήνιο τις σωματιδιακές ιδιότητες του φωτός, καθώς αυτό περιγράφεται εκ νέου ως αποτελούμενα από σωματίδια, τα φωτόνια. Οι επιστήμονες πλέον είναι υποχρεωμένοι να αποδεχτούν ότι το φως παρουσιάζει διττή φύση, είναι συγχρόνως κύμα και σωματίδιο. Ανάλογα με τις συνθήκες παρατηρείται είτε η σωματιδιακή είτε η κυματική του φύση, χωρίς ωστόσο να παύει να είναι ταυτόχρονα κύμα και σωματίδιο. Είναι απλά θέμα σκοπιάς.