III. UČEBNICOVÝ OBRAZ VÝVOJE PŘEDSTAV O SVĚTLE
III. 1. Vývoj názorů na podstatu světla Vývoj představ o světle, završený výkladem kvantových vlastností elektromagnetického záření, je v různém tvaru prezentován ve všech sledovaných gymnaziálních učebnicích fyziky [2]. První poválečné učebnice [u5], [u6] obsahují sympaticky podrobný logicky provázaný rozbor klasických názorů na podstatu světla, který v učebnicích pozdějších [u7], [u9], [u13], [u15] téměř chybí. Zvláštní pozornost učebnice posledních téměř šedesáti let věnují zavedení pojmu světelného kvanta. Poněvadž tato konkrétní tématika je jednou z priorit této práce, je komentována odděleně v její části III. 3. Poněkud zvláštní postavení v celém souboru zaujímá kniha [u11]. Množstvím uváděných – často málo utříděných – podrobností je obsahově značně předimenzována a ani z hlediska formulačního nedosahuje přijatelné kvality. Ve dvouletém školském experimentu (1982-1984), pro nějž byla určena, se neosvědčila [20], [21]. (Napsáním následující „definitivní“ učebnice [u13] pak byl – v rozporu s původním předpokladem – pověřen jiný autorský kolektiv.) Z těchto důvodů se jí dále zabývat nebudeme. Bezprostředně následující text se podrobně zabývá učebnicovými prezentacemi předkvantových názorů na podstatu světla. Aby čtenář mohl lépe porovnat jejich koncepční a formulační odlišnosti, srovnatelné pasáže označujeme jednotným způsobem: Starověké předvědecké představy o světle.
(S)
Newtonova korpuskulární představa o světle.
(N)
Huygensova vlnová představa o světle.
(H)
Maxwellova elektromagnetická teorie světla.
(M)
Kvantová koncepce světla.
(K)
Částicově – vlnový dualizmus.
(ČV)
- 29 -
Fysika pro čtvrtou třídu gymnasií (1951) [u5] Závěrečný paragraf Světlo jako elektromagnetické vlny [str. 207-208] tématického celku Elektřina a magnetizmus označuje termínem světlo (v nejširším slova smyslu) elektromagnetické kmity vysílané atomy a molekulami [str. 207]. Viditelným světlem se pak rozumí vlnový obor způsobující zrakový vjem [str. 207]. Skutečnost, že světlo a elektromagnetické vlnění – jak J. C. Maxwell ukázal – jsou téže podstaty, je velmi pěkně podložena fyzikálněhistorickými souvislostmi [str. 207-208]. S odkazem na výsledky blíže nespecifikovaných pokusů a na Huygensův princip je formulován zákon odrazu [str. 213], s odvoláním na experimenty W. Snella pak zákon lomu [str. 222-223]. Součástí výkladu optiky v této učebnici je pak i velmi podrobný paragraf Názory o světle [str. 244-246] ukazující přehledně základní fyzikálně-historické souvislosti: „1. Newtonova theorie emanační (korpuskulární). Někteří starořečtí filosofové se domnívali, že světlo vzniká v oku pozorovatele. Oko je jakýmsi prodlouženým tykadlem. Tento naivní názor se udržel po mnohá staletí.
(S)
První vědecká theorie světla je theorie Newtonova. Svítící zdroj vysílá podle Newtona do okolí drobné nevažitelné částečky (korpuskule), šířící se průhledným prostředím přímočaře. Na rozhraní dvou prostředí se odrážejí a lámou. Červené světlo má částice větší, fialové menší. Paprsek je dráha světelné částice. Z této theorie lze snadno vyložit přímočaré šíření, odraz, lom a rozklad světla. Poslední dva úkazy vynikají podle Newtona přitažlivými silami na rozhraní dvou prostředí. Rychlost světla v prostředí s indexem lomu větším než 1 má však být podle této theorie větší než ve vzduchoprázdnu, ježto hustším prostředím je světelná částice více přitahována, ale to bylo pokusy vyvráceno. Jiné obtíže působil této theorii výklad interference a ohybu světla. Polarisaci vykládal Newton tím, že světelné korpuskule nemají tvar kulovitý,
(N)
nýbrž protáhlý.“ [str. 244]
„2. Huygensova theorie undulační. Světlo je podle Huygense vlnivý pohyb světelného etheru; ether si představoval jako plyn vyplňující celý vesmír i všechnu hmotu, nevažitelný a nekladoucí pohybu těles žádný odpor. Barva světla je charakterisována
- 30 -
(H)
kmitočtem, frekvencí f *. Červené světlo má kmity pomalejší (kmitočet řádu 4 ⋅1014 s -1 ), fialové světlo kmitá asi dvakrát rychleji. Rychlost světla je ve vakuu pro všechny barvy stejná. V hustším prostředí je rychlost světla menší a závisí na barvě (disperse). Kmitočet se při tom nemění. Pro měření je důležitou veličinou délka světelné vlny λ . Mezi ní, rychlostí světla c , kmitovou
(H)
periodou T a kmitočtem f platí vztah λ = cT =
c . f
Téže barvě přísluší tedy v různých prostředích různá délka vlny, ale týž kmitočet. Vlněním etheru bylo možno vyložit všechny světelné úkazy v té době známé. Young a Fresnel doplnili Huygensovu theorii výkladem interference a ohybu a šíření světla v krystalech. Huygensova theorie však selhala při výkladu polarisace světla. Huygens totiž předpokládal, že vlnění světelného etheru je jako vlnění každého plynu podélné. Úkazy polarisační však svědčí o tom, že vlnění světelné je příčné. Též jiné důsledky plynoucí z předpokladu existence světelného etheru, hlavně pokud jde o jeho pohybový stav, nebyly potvrzeny. Tak např. si ether musí vést jako látka dokonale pružná. Uvážíme-li však vysoké kmitočty světelné, musel by mít ether pružnost vysoko převyšující pružnost ocele. Současně se pohyb nebeských těles v tomto prostředí děje v mezích tisíciletých pozorování bez znatelné změny rychlosti, bez odporu etherového prostředí, musí tedy být ether prostředí abnormálně řídké. Spojení abnormální pružnosti s abnormální řídkostí v téže látce je však nepředstavitelný rozpor. Byla proto hledána theorie nová.“ [str. 244-245] „3. Maxwellova theorie elektromagnetická. Světelné vlny jsou podle Maxwella velmi krátké vlny elektromagnetické (viz str. 193).“ [str. 245]
*
Sám Huygens o frekvenci světla nemluví. Tuto charakteristiku monochromatické světelné vlny zavedl až Leonhard E u l e r roku 1746 [37].
- 31 -
(M)
„Existenci elektromagnetických vln odvodil ze své theorie elektromagnetického pole J. C. Maxwell (1865). Z této theorie vyplývá, že se elektromagnetické vlny šíří ve vakuu rychlostí světelnou c. (…) Experimentálně potvrdil existenci elektromagnetických vln H. Hertz (1897*).“ [str. 193]
(M)
„Optika se tak stala součástí nauky o elektřině, přesněji řečeno nauky o elektromagnetickém poli.“ [str. 245] „4. Kvantová theorie (Planck a Einstein). V tomto století byly však objeveny četné úkazy, jež nelze vyložit žádnou čistě vlnovou theorií (viz např. fotoelektrický zjev). Za to však vede k úspěchu předpoklad, že světelná energie je soustředěna v tzv. světelných kvantech neboli fotonech. Energie světelného kvanta je dána výrazem hf , kde f je kmitočet světla, h (…) tzv. konstanta Planckova. Vzhledem k tomu, že hodnota této konstanty je velmi malá, jsou i světelná kvanta energie velmi malá. Nejmenší pro světlo infračervené a červené, větší u světla fialového a ultrafialového, největší u paprsků X a γ . Čím vyšší kmitočet, čím
(K)
kratší délka vlny, tím více se projeví tento zrnitý charakter světelné energie. Podle Einsteinova vztahu mezi energií ε a hmotou m přísluší fotonu též jakási hmota. Lze tedy říci, že světlo se skládá ε hf z částic o hmotě m = 2 = 2 velmi nepatrné. (…) Světelné c
c
paprsky podléhají proto též gravitačnímu poli a šíří se v něm obecně křivočaře.“ [str. 245-246] Učebnicí [u5] prezentovaný úvodní výklad kvantových vlastností elektromagnetického záření je blíže komentován v paragrafu III. 3 této práce. „5. Dnešní názor slučuje názor korpuskulární a vlnový. Světlo se skládá z částic, fotonů o velmi nepatrné hmotě. Tyto částice se pohybují ve vakuu světelnou rychlostí c . S pohybem částic je však
(ČV)
nerozlučně spjato vlnění, šířící se touž rychlostí c jako světelná
*
Zde na první pohled došlo k tiskové chybě, neboť H. Hertz zemřel roku 1894. Existenci elektromagnetických vln předpovězených J. C. Maxwellem prokázal o devět let dříve než učebnice uvádí.
- 32 -
částice sama. V některých optických jevech, jako je interference a ohyb, uplatní se vlnový ráz a ty nelze vyložit z theorie kvantové. V jiných jevech, zvláště tam, kde jde o vzájemné působení světla a hmoty (fotoelektrický jev, rozptyl světla), uplatní se kvantový charakter a ty nelze vyložit z theorie vlnové.
(ČV)
(…) Vědecký názor na světlo prošel tak zajímavým dialektickým procesem. Jakmile theorie emanační narazila na jevy interference a ukázalo se, že rychlost světla v hmotných látkách je větší než ve vakuu, a nedovedla tyto jevy vyložiti, byla opuštěna. Vzniklé nesrovnalosti, rozpory byly vyloženy theorií vlnovou. Nová pozorování, jako jev fotoelektrický, vedou k popření theorie vlnové a přivodí návrat k theorii emanační, ale ne v jejím prvotním stupni, nýbrž na přepracovaném stupni vyšším. Ježto kvantová theorie nedovedla vyložit jevy interferenční, musí být dnes theorie světla synthesou theorie vlnové a kvantové.“ [str. 246]
V dalším textu věnovaném výkladu jevů interference [str. 247-249], difrakce [str. 250-253] a polarizace [str. 254-259] se již o povaze světla explicitně nehovoří. Fysika pro jedenáctý postupný ročník (1957) [u6] Po výkladové části elektřiny a magnetizmu se učebnice [u6] zabývá podstatou světla hned v úvodním paragrafu (Názory na podstatu světla [str. 237241]) navazujícího tématického celku: „Již starověcí učenci se snažili učinit si určitý názor na podstatu světla. Jejich představy byly ovšem velmi nejasné. Dlouho se např. udržoval názor, že světlo je jakási jemná látka, která vychází z oka a pomocí níž při pozorování okolní předměty jakoby tykadly ohmatáváme. Tento názor se dá velmi snadno vyvrátit námitkou, že bychom museli vidět i ve tmě, kdyby tomu tak skutečně bylo. První ucelené theorie světla byly vysloveny téměř současně teprve koncem 17. století. Je to emanační (výronová) theorie Newtonova a undulační (vlnivá) theorie Huygensova.“ [str. 237] „1. Theorie výronová (emanační). Tuto theorii podal anglický fyzik Isaac Newton ve své ´Optice´ (1704). Vyšel z přirozené myšlenky, že světlo je jakási jemná látka, kterou svítící tělesa vyzařují. Světelné částice vyletují ze zdroje ohromnou rychlostí, šíří se okolním vzduchem i prázdným - 33 -
(S)
(N)
prostorem přímočaře, a dopadnou-li na hlazenou plochu, odrážejí se jako pružná tělíska. Základní pojem této theorie – světelný paprsek – není nic jiného než dráha světelné částečky. Z Newtonovy theorie lze vysvětlit odraz, lom i rozklad světla. Podle jeho theorie je rychlost světla v prostředí opticky hustším větší než v opticky řidším.“ [str. 237-238]
(N)
„2. Theorie vlnivá (undulační). Myšlenka, že světlo je povahy vlnivé, objevuje se porůznu již od nejstarších dob. První, kdo podrobněji propracoval vlnivou theorii, byl holandský fyzik Ch. Huygens (…). Základy vlnivé theorie jsou obsaženy v jeho spise ’Traité de la lumière‘ (1690*). Huygens předpokládá, že celý vesmír je vyplněn nesmírně jemným a pružným prostředím, které nemůžeme svými smysly postřehnout a které nazýváme světelným etherem. Ether proniká jako velmi jemný nevažitelný plyn všechna tělesa i vzduchoprázdný prostor. Účinkem světelného zdroje v něm vzniká světelný rozruch, který se šíří všemi směry ve tvaru vlny, podobně jako vznikají a postupují ve vzduchu vlny zvukové. Analogicky podle zvuku považuje Huygens toto vlnění za podélné, tj. za periodické zhušťování a zřeďování etheru. (…) Paprsek, který je v této theorii pojmem méně významným, udává směr, kterým se vlnění šíří, a stojí vždy k vlnoploše kolmo. Aby vysvětlil základní světelné jevy, přímočaré šíření světla, odraz a lom, vytváří Huygens svůj proslulý princip elementárních vlnek, jejichž obalovou plochu tvoří vlna výsledná. Je důležité si připomenout, že z principu Huygensova plyne zákon lomu ve tvaru
sin α c1 = = n , podle něhož při úhlu α > β sin β c 2
(lom ke kolmici) je c1 > c 2 . Je tedy v prostředí opticky hustším rychlost světla menší než v prostředí opticky řidším. To je výsledek právě opačný než k jakému dospěla theorie emanační.
*
Fyzikálně historické prameny datují tento spis rokem 1678 [37].
- 34 -
(H)
Různá barva světla je podle této theorie podmíněna různým kmitočtem (frekvencí) f *. Červené světlo má kmity pomalejší než fialové; pro červený okraj viditelného spektra je f = 4,0 ⋅ 1014 s -1 , pro fialový
asi
dvojnásobný
f = 7,5 ⋅ 1014 s -1 .
Při přechodu
do jiného prostředí zůstává kmitočet stejný, zato se mění rychlost, a tedy i vlnová délka λ . Mezi kmitočtem f , periodou kmitů T a vlnovou délkou λ platí známé vztahy λ = cT =
c . f
(…) Huygensovi se podařilo vysvětlit i nový tehdy úkaz – dvojlom světla v islandském vápenci. Záhadnými mu byly pouze úkazy, které pozoroval na dvou krystalech vápence položených na sebe. Theorie Newtonova byla lépe propracována a tato okolnost, jakož i velká vědecká autorita Newtonova, způsobila, že theorie Huygensova našla jen málo přívrženců a upadla téměř v zapomenutí. (…) Největší nedostatek této theorie, který Huygens nedovedl odstranit, tkvěl v tom, že nedovedla vysvětlit rozdílné chování světla a zvuku. Podle této theorie je světlo podobně jako zvuk podélným vlněním a přece se světlo šíří přímočaře, kdežto zvuk jeví zřetelný ohyb (např. osobu, která je za rohem, mohu docela dobře slyšet, ale nemohu ji vidět). Dnes víme, že ani světlo se nešíří přímočaře, nýbrž také jeví ohyb, ale vzhledem ke kratinké vlnové délce jen zcela nepatrný. Teprve počátkem 19. století vzkřísili vlnivou theorii dva význační vědci, anglický lékař Th. Young a francouzský inženýr A. J. Fresnel. (…) Ponechá-li se představa, že světlo je podélným vlněním etheru, zůstává polarisace nesrozumitelnou. Proto se Fresnel přiklonil k myšlence, kterou již před ním vyslovil Young, že světlo je vlněním příčným. Na základě takto pozměněné theorie vlnivé, doplněné principem interference, podařilo se Fresnelovi vysvětlit *
Frekvenci jako charakteristiku monochromatického světla poprvé uvádí Leonhard E u l e r (1746) [37].
- 35 -
(H)
všechny tehdy známé jevy optické, kromě základních též interferenci, ohyb, polarisaci a dvojlom a dokonce předpověděl některé nové jevy, které pak byly skutečně zjištěny.“ [str. 238-239]
(H)
„Dlouholetý spor mezi oběma theoriemi byl rozhodnut teprve památným pokusem Foucaultovým (1850), jímž Foucault změřil rychlost světla ve vodě a zjistil, že je menší než ve vzduchu, tak jak to žádá theorie vlnivá.“ [str. 240] „3. Elektromagnetická theorie světla. Neobyčejný rozvoj nauky o elektřině během 19. století ukázal na překvapující obdobu a souvislost mezi jevy elektrickými a světelnými. Tak Faraday již roku 1845 zjistil, že magnetické pole má vliv na světlo, neboť některé láky se v silném magnetickém poli stávají opticky aktivními. Maxwell, který vypracoval na základě názorů Faradayových matematickou theorii elektřiny a magnetismu, dospěl k výsledku, že se elektrické a magnetické pole musí šířit etherem jako elektromagnetický rozruch ve tvaru příčných vln, a to stejnou rychlostí jako rozruchy světelné. Z toho usoudil, že mezi oběma druhy není podstatného rozdílu a že vlny světelné jsou v podstatě vlnami elektromagnetickými. Pro tuto smělou myšlenku neměl ve své době, kdy elektromagnetické vlny byly ještě věcí zcela neznámou, žádné jiné opory než tu, že kromě zmíněné již okolnosti, že rychlost obou vlnění vyšla stejná, obdržel též zákony odrazu a lomu stejné pro vlny elektromagnetické jako pro vlny světelné. (…) Názory Maxwellovy byly skvěle potvrzeny pokusy, které
(M)
teprve o 25 let později vykonal německý fyzik H. Hertz. Hertzovi se podařilo vytvořit laboratorně elektromagnetické vlny, změřit jejich vlnovou délku a dokázat, že se šíří rychlostí světla a že se odrážejí, lomí a ohýbají podle týchž zákonů jako vlny světelné.“ [str. 240241] Hertzovy pokusy jsou pak vyloženy ve zvláštním paragrafu [str. 218-220] (viz oddíl III. 2 této práce). Jevy interference [str. 248-251] a difrakce [str. 252-
- 36 -
255] jsou následně blíže probírány jako přímý důkaz vlnové povahy světla, rozbor
jevu polarizace [str. 256-259] pak ukazuje, že světlo je vlněním příčným. Kvantové vlastnosti záření jsou učebnicí [u6] vyloženy na základě rozboru fotoelektrického jevu (podrobněji viz paragraf III. 3 této práce). A konečná představa o světle je částicově-vlnová: „Jak tedy odpovědět na otázku jaké povahy je světlo? (…) Dnešní odpověď zní: Je to obojí – světlo je současně povahy vlnivé i korpuskulární. Tato dvojí povaha jsou jen dvě stránky jednoho a téhož jevu. Při některých jevech (interferenci a ohybu) vystupuje zřetelně vlnivý charakter světla; to, že světlo jsou též částečky, ustupuje do pozadí. A při jiných jevech (např. fotoefektu) zas opačně vyniká korpuskulární povaha světla a okolnost, že světlo jsou zároveň vlny, se při nich nijak neprojevuje.“ [str. 285]
(ČV)
Fyzika pro 10. ročník jedenáctiletých středních škol (1961) [u7] V části Optika této učebnice se vývoj názorů na podstatu světla prezentuje vpodstatě doslovným – nezřídka redukovaným – přepisem odpovídajících částí učebnice [u6]. Fyzika pro 3. ročník středních všeobecně vzdělávacích škol (1963) [u8] Učebnice zahrnuje dva tématické celky – Elektřina a magnetismus a Astronomie. V prvním z nich pak vypovídá o elektromagnetické povaze světla v paragrafu Elektromagnetické vlny, jejich vlastnosti a šíření: „J. C. Maxwell ze své teorie odvodil, že se elektromagnetické pole šíří prostorem v podobě vln, které mají nejen rychlost světla, ale i ostatní vlastnosti stejné jako světlo. To je základní myšlenka jeho proslulé elektromagnetické teorie světla. Teprve později dokázal H. Hertz experimentálně, že elektromagnetické vlny skutečně existují a že mají vlastnosti, předpověděné Maxwellem. Dokázal, že se odrážejí a lomí, interferují a ohýbají podle týchž zákonů jako světlo.“ [str. 142-143] Kvantovým vlastnostem záření se potom věnují paragrafy Přeměna zářivé energie v energii elektrickou [str. 158-159] a Názory na povahu světla [str. 160162], jejichž hodnocení obsahuje část III. 3 této práce.
- 37 -
Fyzika pro III. ročník střední všeobecně vzdělávací školy (1965) [u9] Jak je uvedeno v anotaci [str. 90] tematického celku Optika, termínem světlo tato učebnice rozumí postupné příčné elektromagnetické vlnění, které vyvolává zrakový vjem. Jde zřejmě o poznatek z elektřiny a magnetizmu, kde se v paragrafu Maxwellova teorie elektromagnetického pole uvádí: „(…) rychlost elektromagnetických vln ve vakuu je rovna rychlosti světla. Tento výsledek přivedl Maxwella k závěru, že světlo je rovněž elektromagnetické vlnění. Deset roků po smrti Maxwellově potvrdil německý fyzik H. Hertz experimentálně správnost Maxwellovy teorie a jeho předpoklad o existenci elektromagnetických vln. Pomocí tlumených elektromagnetických vln buzených jiskrou ověřil Hertz většinu teoretických závěrů Maxwellových.“ [str. 78]
(M)
S vlnovou představou o světle – aniž by byla výslovně zmiňována – se pak následně pracuje při rozboru zákonů jeho odrazu a lomu [str. 93-96], jevů interference [str. 101-104] a difrakce [str. 105-109]. Až v paragrafu Polarizace světla je explicitně konstatováno, že jevy interference a ohybu světla potvrzují vlnovou povahu světla a že z těchto jevů ale nelze usoudit, jakého druhu je toto vlnění, tj. rozhodnout, zda jsou světelné vlny příčné nebo podélné, neboť uvedené jevy jsou charakteristické pro oba druhy vlnění [str. 110]. Kvantovým vlastnostem záření je věnována samostatná kapitola 8 [str. 140-147] – podrobněji komentovaná v části III. 3 této práce – zakončená krátkým paragrafem Současné názory na podstatu světla, stručně shrnujícím vývoj názorů na podstatu světla:
*
„První poznatky o světle souvisely s přímočarostí jeho šíření, a proto také v prvních představách se považovalo světlo za rychle letící částice (teorie částicová). Tuto představu propracoval I. Newton (1704).
(N)
V téže době vyslovil holandský fyzik Ch. Huygens předpoklad, že světlo má vlnovou podstatu(1690*).
(H)
V roce 1873 Maxwell elektromagnetické vlnění.
(M)
teoreticky
ukázal,
že světlo
je
Jde zřejmě o převzetí letopočtu z učebnice [u6], která jím datuje Huygensův spis ’Traité de la lumière‘ (1678 [37]).
- 38 -
Koncem 19. a začátkem 20. století byla objevena řada nových jevů, které sice neodporují vlnové teorii světla, nedají se však její pomocí vyložit. To vedlo Einsteina k objevu kvantové podstaty světla (1905).
(K)
Obě teorie, vlnová i kvantová, platí současně a doplňují se. Světlo je elektromagnetické vlnění, které přenáší energii nespojitě v kvantech, jimž říkáme fotony. Fotony jsou částice elektromagnetického vlnění a světlo má současně vlnový i kvantový ráz. “ [str. 147]
(ČV)
Doplněk k učivu fyziky pro IV. ročník gymnasia (1974) [u10] Tento učební text rozšiřuje poznatky o povaze světla – v koncepční návaznosti na předchozí [u9] – upřesněním již zavedeného pojmu foton (blíže viz paragraf III. 3 této práce). Jako jediná z posuzovaných učebních pramenů při výkladu Comptonova rozptylu popisuje jeho experimentální uspořádání. Z dosavadního přehledu je již na první pohled patrné, že rozsah i kvalita popisu vývoje předkvantových představ o světle mají v posloupnosti sledovaných učebnic klesající tendenci – od přiměřeně úplného a podrobného, výstižného poutavého výkladu v [u5], [u6] až ke značně redukované prezentaci informativního rázu [u9], jež obsahuje nejasné formulace hovořící o nových jevech, které sice neodporují vlnové teorii světla, nedají se však její pomocí vyložit. Následující učebnice [u13] je však naštěstí z tohoto hlediska opět zlepšením.
Fyzika pro IV. ročník gymnázií (1987) [u13] Tato učebnice navazuje na kurz elektřiny a magnetizmu [u12]. Tematický celek Světlo a záření [str. 14-122] tedy logicky začíná prologem, v němž se termínem světlo označuje část spektra elektromagnetického vlnění způsobujícího zrakový vjem. Čtenář je pak motivován odstavcem z anotace tohoto celku: „Názory na povahu světla prošly složitým vývojem. Newton považoval světlo za proud částic (částicová – korpuskulární teorie) - 39 -
(N)
a Huygens za mechanické vlnění (vlnová teorie).
(H)
Koncem 19. století Maxwell zjistil, že světlo je elektromagnetické vlnění.
(M)
Zdálo se, že částicový model je možno úplně zavrhnout. Ale začátkem 20. století, při zkoumání jevů souvisejících s pohlcováním a vyzařováním světla látkou, bylo potřebné opět zavést pojem částice (fotonu – jako kvanta energie). To znamenalo určitý návrat ke korpuskulární teorii na vyšší úrovni. Dnešní představy o povaze světla jsou vyjádřeny v kvantové teorii.“ [str. 14]
(K)
Formulace zákona lomu světla [str. 20-21] vyplývá z Hyugensova principu v přirozené návaznosti na přesvědčení studentů, že světlo je elektromagnetické vlnění. Z vlnové povahy světla vychází také výklad jevů disperze [str. 64-69], interference [str. 70-76], difrakce [str. 76-84] a polarizace [str. 85-94] zakončený konstatováním, že „interferenční a ohybové světelné jevy, stejně jako disperze, dokazují vlnovou povahu světla. Uvedené jevy je možné vysvětlit bez zpřesnění, zda světlo je vlnění podélné nebo příčné. Charakter vlnění vyplývá z jevu polarizace (…), který dokazuje, že světlo je příčné vlnění. Světlo je příčné ρ elektromagnetické vlnění, v kterém vektor intenzity elektrického pole E kmitá kolmo na směr postupu vlnění [str. 95].“ Následuje výklad kvantových vlastností elektromagnetického záření (Tepelné záření. Záření černého tělesa [str. 110-113], Fotoelektrický jev [str. 154157], Einsteinova teorie fotoelektrického jevu [str. 159-160], Comptonův jev [str. 161-162]). Podrobnější rozbor této problematiky je obsažen v paragrafu III. 3 této práce. V článku Přehled elektromagnetického záření [str. 97-99] se pak v poznámce objevuje: „Poznatky /základního výzkumu v oblasti elektřiny a magnetizmu/ vycházející z Faradayových představ shrnul J. C. Maxwell do ucelené teorie. V roce 1864 ukázal, že částice s elektrickým nábojem, které se pohybují se zrychlením, vyzařují příčné elektromagnetické vlny. Tyto vlny se ve vakuu šíří rychlostí
- 40 -
(M)
c=
1
ε 0 µ0
, kde ε 0 je permitivita a µ 0 permeabilita vakua.
Po dosazení číselných hodnot se ukázalo, že elektromagnetické vlny se musí šířit rychlostí, která v rámci přesnosti tehdejšího měření souhlasila s rychlostí světla. Přirozeně pak vznikla hypotéza o elektromagnetické povaze světelných vln, která byla později plně potvrzena. Německý fyzik Heinrich Hertz v roce 1884*
(M)
existenci elektromagnetických vln experimentálně dokázal.“ [str. 98] Vývoj představ o světle je završen komentářem částicově-vlnového dualizmu (Světelná kvanta, nebo světelné vlny? [str. 163-165]): „Nyní se objevuje otázka: Je foton částice, nebo vlna? Na takto položenou otázku nelze odpovědět. Kdyby byl foton částice, neměl by schopnost interferovat, kdyby byl vlna, nemohl by se projevit ve fotoelektrickém a Comptonově jevu jako částice a nemohl by vyvolat bodové zčernání na fotografické desce. Otázka je totiž špatně formulována. Z každodenní zkušenosti i z klasické fyziky známe vlny a částice. Když se vyskytne nový jev, snažíme se ho popsat pomocí pojmů, které již známe. Ale objekty mikrosvěta jsou mnohokrát menší než předměty z naší každodenní zkušenosti a neexistují důvody, abychom tyto objekty mohli popsat jednoduše pomocí pojmů klasické fyziky. Musíme se spokojit s konstatováním, že foton je objekt mikrosvěta, který má částicové i vlnové vlastnosti, ale není ani částice, ani vlna.“ [str. 165]
(ČV)
Fyzika pro gymnázia – Optika (1993) [u15] Veškerý výklad v této učebnici trpí nedostatkem logické provázanosti. Objasnění vývoje představ o světle je pak natolik redukováno, že ho lze jen stěží vysledovat.
*
Datování Hertzových experimentálních prací není v učebnicové literatuře jednotné a odpovídá zřejmě odkazům na různé Hertzovy publikace. Za rok definitivního experimentálního potvrzení existence Maxwellem předpovězených elektromagnetických vln se obecně považuje rok 1888 [19].
- 41 -
Ve svém úvodu [str. 5] sice [u15] deklaruje návaznost na poznatky kurzu elektřiny a magnetizmu [u14], v němž ovšem elektromagnetická podstata světla není zmíněna. V dalším textu se však znalostí o elektromagnetickém záření příliš nevyužívá. První paragraf Světlo jako elektromagnetické vlnění konstatuje: Jak prokázala fyzikální měření, světlo je rovněž elektromagnetické vlnění, a má tedy rychlost, kterou jsme již v učivu elektřiny označili jako rychlost elektromagnetického vlnění. [str. 8] Posléze je termínem světlo označena část spektra elektromagnetického záření, které způsobuje zrakový vjem [str. 9]. Další zmínky o povaze světla jsou vesměs značně plytké: Odraz a lom světla se pak řídí stejnými zákony, jaké byly odvozeny pro mechanické vlnění pomocí Huygensova principu [str. 13]. Na základě vlastností světla dělíme optiku na 1. vlnovou (zabývá se jevy potvrzujícími vlnovou povahu světla; největší význam z nich mají interference, ohyb a polarizace), 2. paprskovou (při popisu optického zobrazení zanedbává vlnovou povahu světelného záření), 3. kvantovou (zabývá se ději, při nichž se projevuje kvantový ráz světla; ten odpovídá představě, že světlo je tvořeno částicemi – fotony) [str. 28]. Vlnové vlastnosti světla se nejvýrazněji projevují při interferenci světla. (…) O objasnění těchto jevů se zasloužil zejména anglický fyzik Thomas Young. [str. 28]. Ohyb světla je jev podmíněný vlnovými vlastnostmi světla. Jejich důsledkem je odlišné šíření světla, než by odpovídalo přímočarému šíření světla [str. 37]. V paragrafu Polarizace světla se pak bez dalšího komentáře pouze ρ
oznamuje, že světlo je příčné elektromagnetické vlnění, v němž vektor E intenzity elektrického pole je vždy kolmý na směr, kterým se vlnění šíří [str. 45]. Výklad vývoje představ o světle je završen nástinem jeho kvantové koncepce spočívajícím v rozboru spektrální hustoty rovnovážného tepelného záření [str. 106-108]. (Tato pasáž je komentována v paragrafu III. 3 této práce.) Jinak učebnice [u15] ponechává výklad kvantových světelných jevů do učiva kvantové fyziky [str. 28], které v ní už ovšem není obsaženo. Pěkně je v učebnici zpracován jeden z experimentů, které mají pro vývoj představ o světle klíčový význam: Youngův pokus, prokazující vlnovou povahu světla [str. 37].
- 42 -
