Skip to Content

Scientific Associate of

icsu

ICO Awards

Affiliated Commission of

Čo je svetlo ?

Čo je svetlo ? 

Barry R. Masters

Také jednoduché: Nech je svetlo! A predsa také zložité. Skutočne, čo je to vlastne svetlo?


Reading list of suggested references

A Boh povedal, ́Nech je svetlo a bolo svetlo.“ Genesis 1:3

 

„Do konca môjho života budem premýšľať o tom, čo je svetlo.“ Albert Einstein, c. 1917

 

„Ani celých 50 rokov úporného premýšľania ma nepriblížilo k odpovedi na otázku ́Čo sú svetelné kvantá? ́ Samozrejme, dnes si každý myslí, že pozná odpoveď, ale len klame sám seba.“ Albert Einstein, 1951

 

photo

Severské žiary, Polárna žiara, Kshitijr96 (vlastná práca) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], prostredníctvom Wikimedia Commons.

photo

Oko ako detektor fotónu. Woodwalker (vlastná práca) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/ licenses/by/3.0)], prostredníctvom Wikimedia Commons.

Svetlo je predpokladom života, keďže je jedinečným zdrojom energie v našej potrave. Svetlo je neoddeliteľnou súčasťou náboženstva, príbehov, poézie, literatúry, jazyka a kultúry. Prostredníctvom atmosféry obdivujeme krásu svetla pri západoch a východoch slnka, v oblúkoch dúhy, alebo farebných tónoch polárnej žiary. Svetlo je predpokladom videnia. Teórie svetla a videnia sa vinuli históriou už od čias gréckych a arabských mysliteľov. Svetlo je nevyhnutné pre videnie a optické prvky, ako okuliare, kontaktné šošovky, či nové metódy, ako laserové operácie, môžu zlepšiť zrakovú ostrosť. Pomocou svetla môžeme diagnostikovať, ale aj liečiť zrakové poruchy. Detekciu svetla umožňuje inetrakcia svetla a elektrónov v atómoch a molekulách, ktorá prebieha ako vo fotoreceptoroch našej sietnice, tak aj v polovodičových detekčných prvkoch našich kamier a fotoaparátov.

Farby obohacujú naše okolie, stimulujú a sú potešením pre ľudí všetkých krajín, dodávajú krásu našim domovom, mestám, našim životom. Slnečné svetlo, mesačný jas a svit hviezd prospievajú ľuďom na celej zemi a obohacujú ich život o krásu a divy. Svetlo je základom nášho súčasného sveta. Generácia, ovplyvňovanie, prenos a detekcia svetla sú súčasťou našej komunikácie, výroby, prístrojov pre medicínu, umenia, svetelných show, biotechnologických prístrojov, vzdelávacích programov a laboratórneho vybavenia pre pokrok vo vede a technológii. Svetlo je zdrojom informácie o počiatkoch vesmíru, o fotofyzikálnych dejoch na hviezdach a o univerzálnosti fyzikálnych zákonov všade vo vesmíre. Svetlo, ako nástroj spektroskopie, nás priviedlo k teoretickému a experimentálnemu poznaniu štruktúry atómov a molekúl. Interakcia svetla s hmotou podnietila objav a rozvoj kvantovej mechaniky. Svetlo zamestnáva mysle básnikov, filozofov (od 5. storočia p.n.l.), umelcov, vedcov a technikov.

Svetlo dnes spája rôznorodých ľudí, kultúry a národy do jednej rodiny. Svetlo nás fascinuje, podnecuje a zjednocuje. Deti prekvapuje lupa, ktorá môže skoncentrovať slnečné svetlo a vznietiť oheň. Ľudia žasnú pri pohľade do ďalekohľadu a mikroskopu, ktoré im odhaľujú makrosvet a mikrosvet.

photo

Vľavo: Náčrt Galaxie Whirlpool, ako ju videl cez ďalekohľad (1.8m, reflektor) v Birr Castle Lord Rosse v rokou 1865. V strede: Digitálny obraz vytvorený kombináciou obrazov pozemného teleskopu (0,9 m) v Kitt Peak National Observatory a vesmírneho Hubbleyho teleskopu (2005, NASA/ESA) a vpravo: obraz prachu Galaxie v infračervenom svetle.

Z histórie pozná človek svetlo ako vlnu, ako kvantovú časticu, ako kvantované pole. Zložité? Áno! Skutočne, otázka „Čo je svetlo?“ pri odpovedi často vyzerá, ako otázka „Ako sa svetlo chová?“. Presnejšie, otázka „Čo je svetlo“ sa nahrádza otázkou „Ako sa svetlo šíri a interaguje s hmotou?“. V tejto eseji by som chcel upozorniť na niektoré kľúčové koncepcie, ktoré stáli pri zrode vlnovo-časticového dualizmu a teórií interakcie svetla s hmotou v počiatkoch 20. storočia.

Rozoberiem podnetný vklad Alberta Einsteina do porozumenia podstaty svetla a jeho interakcie s hmotou. Einsteinova teória relativity a jej experimentálne potvrdenie ho preslávili na celom svete. Jeho príspevky v oblasti optiky však zmenili aj naše porozumenie podstaty svetla, ako aj našu schopnosť ovládať ho a používať v mnohých oblastiach, ako napr. medicína, telekomunikácie, fotonika a experimentálny výskum Bose-Einsteinových kondenzátov, čo súvisí so základmi fyziky. Jeho práce v oblasti stimulovanej emisie prispeli ku vývoju lasera, zariadenia, ktoré pretvára náš svet. Einsteinove práce o svetle ovplyvnili aj Louisa de Broglie a Erwina Schrödingera, čo viedlo k objavu „vlnovej mechaniky“. Einstein premostil priepasť medzi širením žiarenia v priestore a interakciou žiarenia s hmotou.

V období 1905-1916 vysvetlil Einstein interakciu svetla a hmoty pomocou absorpcie a emisie svetelného kvanta, čo viedlo k porozumeniu niekoľkých ďalších fyzikálnych javov, ako Stokesoveho pravidla fluorescencie, ionizácie plynov ultrafialovým svetlom a fotoelektrického javu. Pri fotoelektrickom jave dopadá žiarenie o prahovej frekvencii na kovový povrch a spôsobuje uvoľnenie elektrónov. Tento dej je podstatou detektorov svetla, ako sú napr. fotonásobiče. Einsteinova hypotéza indukovanej (stimulovanej) emisie je základom generácie laserov.

Interakcia svetla s hmotou – prvé experimenty

Pohľad na práce Einsteinových predchodcov, súvisiace s interakciou svetla a hmoty je zaujímavý, aj poučný. Heinrich Hertz generoval, detegoval a charakterizoval šírenie elektromagnetických vĺn už v roku 1887. Pozoroval pritom, že ultrafialové svetlo, dopadajúce na jeho iskrové generátory, zvyšujú ich schopnosť vytvoriť iskru. V roku 1888 tieto pozorovania potvrdil a rozšíril jeho asistent Wilhelm Hallwachs. Demonštroval, že vplyvom ultrafialového žiarenia získavajú neutrálne kovy kladný náboj. V roku 1889 skúmal vplyv UV žiarenia na uvoľňovanie „častíc“ (elektrónov) z kovovej platne umiestnenej v Crookovej trubici. Meral vznikajúci prúd, ktorý rástol s frekvenciou a intenzitou osvetľujúceho UV žiarenia. Ako prvý publikoval poznatok o tom, že UV žiarenie indukuje fotoefekt, ktorý sa prejavuje emisiou elektrónov. Philipp Lenard, ktorý pracoval na Univerzite v Kieli, demonštroval v roku 1902, že emisiu elektrónov spôsobuje aj krátkovlnné žiarenie lampy s uhlíkovým oblúkom, dopadajúce na kovový povrch. S rastom intenzity svetla rástol počet elektrónov, ale nie ich kinetická energia. Existovala prahová frekvencia, pod ktorou emisia elektrónov nenastávala. Lenard pozoroval aj to, že maximálna kinetická energia emitovaných elektrónov nezávisela od intenzity dopadajúceho svetla, ale rástla s rastom jeho frekvencie. Zmeral aj vplyv troch rôznych frekvencií z UV oblasti na emisiu elektrónov z hliníkovej platne.

Einsteinove svetelné kvantum

Míľnikom v názoroch na svetlo bol rok 1905, keď Einstein publikoval svoj článok “On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”, kde na základe Boltzmanovej štatistickej termodynamiky ukázal, že entropiu žiarenia s rozložením podľa Wienovho zákona je možné vyjadriť v rovnakom tvare, ako entropiu plynu elementárnych častíc – kvánt, ktorých energia je úmerná frekvencii príslušného žiarenia. Einstein napísal: „Monochromatické žiarenie nízkej hustoty (v medziach platnosti Wienovho zákona pre žiarenie čierneho telesa, t.j. / kT <<1) sa chová z termodynamického hľadiska rovnako, ako súbor vzájomne nezávislých žiarivých kvánt s energiou ,” kde je Planckova konštanta, k je Boltzmanova konštanta, T je Kelvinova teplota a ν je frekvencia svetla. Pokračoval: „Energia svetelného lúča z bodového zdroja sa nerozširuje spojite do celého objemu, ale pozostáva z konečného množstva kvánt energie, ktoré sú lokalizované v bodoch priestoru, pohybujú sa bez delenia a môžu byť absorbované, alebo generované len ako kompletné celky“. Einstein používa v práci dva výrazy – energetické kvantum, alebo svetelné kvantum. Táto myšlienka nespojitej formy energie pri šírení žiarenia bola v protiklade s Maxwellovou spojitou vlnovou teóriou elektromagnetického žiarenia. V roku 1916, o desaťročie neskôr, Einstein rozoberal vo svojej práci “Emission and Absorption of Radiation in Quantum Theory”, Deutsche Physikalische Gesellschaft. Verhandlungen 18, 318, impulz p=hν/c a nulovú pokojovú hmotnosť svetelného kvanta.

Fotón

Pomenovanie svetelného kvanta fotónom, navrhol vo svojom článku, publikovanom v Nature (1926) americký fyzikálny chemik, Gilbert N Levis: „Bolo by nevhodné hovoriť o tejto hypotetickej entite ako o čiastočke svetla, svetelnej častici, množstve svetla, či svetelnom kvante, ak máme predpokladať, že strávi len nepatrný zlomok svojej existencie ako nosič žiarivej energie a zvyšok času ostáva ako dôležitý prvok štruktúry atómu ... Dovoľujem si preto navrhnúť pre tento nový hypotetický atóm, ktorý nie je svetlom, ale hraje základnú úlohu v každom procese žiarenia, pomenovanie fotón.“ Po Lewisovom návrhu pojmu „fotón“ v roku 1926, sa tento udomácnil medzi mnohými fyzikmi ako názov pre Einsteinove svetelné kvantum. Táto Lewisova koncepcia fotónu sa však diametrálne odlišovala od Einsteinovej koncepcie. Ukázalo sa však (H Kragh), že už pred rokom 1926 navrhovali pomenovanie fotón aspoň štyria iní vedci. Jedinou stopou po Levisovom fotóne, ktorá stále platí, je jeho názov. Podrobnejší historický pohľad sa dá nájsť v publikácii „Anti-Photon“ (Lamb, 1995).

Hypotéza Einsteinovho svetelného kvanta vysvetľuje fotoelektrický jav

photo

Albert Einstein v roku 1921, [verejná doména F. Schmutzera] prostredníctvom Wikimedia Commons.

Einstein použil svoju koncepciu svetelného kvanta na vysvetlenie fotoelektrického javu, ktorý sa nedal vysvetliť Maxwellovou vlnovou teóriou. Napísal: „Ak sa monochromatické žiarenie chová ... ako nespojité médium zložené z kvánt energie o veľkosti hν, potom sa zdá rozumným zaujímať sa o to, či aj zákony pre emisiu a premenu svetla nevychádzajú z predstavy svetla ako súboru takých kvánt energie.“ Einstein sa domnieval, že svetlo interaguje s hmotou prostredníctvom emisie, alebo absorpcie týchto predpokladaných svetelných kvánt a predpokladal potrebu nového mechanizmu pre tento nezvyklý jav. Svoju teóriu fotoelektrického javu opísal nasledovne:

Svetelné kvantá prenikajú do povrchovej vrstvy materiálu a ich energia sa premieňa na kinetickú energiu elektrónov; svetelné kvantum odovzdáva celú svoju energiu jednému elektrónu.

Napísal: „Vo vnútri telesa elektrón stratí časť svojej energie, kým dosiahne jeho povrch.“ Okrem toho predpokladal, že na povrchu telesa musí elektrón vykonať prácu Φ, (výstupná práca, je charakteristická pre každý materiál), aby prekonal príťažlivé sily a opustil povrch s kinetickou energiou, ktorej maximum je určené rozdielom ΦV súčasnosti to vyjadruje vzťah eV=Φ, kde e je náboj elektrónu, V je brzdiace napätie nevyhnutné pre zastavenie aj najrýchlejších fotoelektrónov. Je to prvá rovnica kvantovej teórie interakcie svetla s hmotou. Potvrdenie Einsteinom postulovaného fotoelektrického javu priniesol rok 1912. Arthur L Hughes experimentálne zmeral maximálnu rýchlosť fotoelektrónov emitovaných rôznymi kovmi, čím potvrdil Einsteinovu fotoelektrickú rovnicu.

Prvé potvrdenie kvantovej hypotézy aj v inej oblasti fyziky, netýkajúcej sa žiarenia, sa objavilo už v roku 1907, keď Einstein vysvetlil a demonštroval možnosť aplikovania kvantovania energie na kondenzované prostredia. Vysvetlil anomálnu teplotnú závislosť merného tepla látok (pokles s poklesom teploty) tak, že modeloval tuhú látku mriežkou kvantovaných oscilátorov. V dobrej zhode s Einsteinovou rovnicou boli aj experimentálne výsledky dosiahnuté Waltherom Nernstom a jeho asistentom Frederickom A Lindemannom v roku 1910.

V roku 1922 bola Einsteinovi udelená Nobelova cena za fyziku s odvolaním sa na jeho článok z roku 1905, týkajúci sa fotoelektrického javu: „Za jeho prínos k teoretickej fyzike a najmä za jeho objav fotoelektrického javu.“ V čase, keď Einstein pracoval na teórii fotoelektrického javu, mnoho vtedajších popredných fyzikov, ako Max Planck, Hendrik A Lorentz, Max von Laue, Wilhelm Wien a Arnold Sommerfeld, odmietalo jeho kvantovú teóriu svetla. Odvolávali sa na jav interferencie svetla, ktorý bol konzistentný s vlnovým modelom. Planck a Lorentz síce akceptovali kvantový charakter interakcie svetla s hmotou, ale odmietali koncepciu, že jednotlivé svetelné kvantá sa šíria ako vlny.

Jedinou povšimnutiahodnou výnimkou bol Johannes Stark, ktorý navrhol v roku 1909 pre oblasť RTG žiarenia lokalizované energetické kvantá. Podporoval aj Einsteinovu hypotézu svetelného kvanta. Samotný Einstein si uvedomoval, že jeho hypotéza vyžaduje experimentálne potvrdenie, alebo odmietnutie a v roku 1911 na Solvay kongrese povedal: „Trvám na zatiaľ predbežnom charaktere tejto koncepcie (svetelného kvanta).“ Na tretej Solvayovej konferencii v Brusseli, v roku 1921, oznámil Maurice de Broglie, že postupné uvoľňovanie elektrónov z látky po dopade X-lúčov sa dá vysvetliť za predpokladu, že X-lúčom priradíme energiu hν. Jeho brat Louis de Broglie čítal Einsteinove články o svetle a z Einsteinovho konceptu svetelného kvanta odvodil svoju teóriu „hmotných vĺn“. Jeho práce boli základom „vlnovej mechaniky“, ktorú vynašiel Erwin Schrödinger.

Skepticizmus a následné experimentálne overenie Einsteinovho svetelného kvanta

photo

Bozeho-Eisteinov kondenzát. Dvojrozmerný profil rýchlostí atómov plynu rubídia pri rôznych teplotách, potvrdzujúci objav nového skupenstva hmoty – Boseho- Einsteinovho kondenzátu (BEC). Vľavo – pred vznikom BEC, v strede – hneď po vzniku BEC, vpravo – po ďalšom vyparovaní, celá vzorka je BEC. Podľa NIST/JILA/ CU-Boulder (NIST Image) [verejná doména], prostredníctvom Wikimedia Commons.

V roku 1916 overil s veľkou presnosťou Robert A. Milikan Einsteinovu fotoelektrickú teóriu experimentálne. Rozšíril predošlé experimenty Lenarda a ukázal, že maximálna kinetická energia emitovaných elektrónov je úmerná frekvencii svetla. Jeho graf závislosti brzdiaceho napätia pri fotoemisii od frekvencie dopadajúceho žiarenia bol lineárny, ako to predpovedal Einstein a pri rôznych kovoch bola hodnota konštanty h stále rovnaká, ako hodnota, ktorú vypočítal Planck vo svojej práci z roku 1901. Milikan ukázal aj to, že počet fotoelektrónov je úmerný intenzite dopadajúceho žiarenia. Napriek tomu odmietol Einsteinom predpokladané svetelné kvantá.

Fyzikálna komunita akceptovala Einsteinove svetelné kvantá až po roku 1923, keď Arthur Holly Compton a nezávisle na ňom aj Peter Debye, publikovali svoje práce o rozptyle X-lúčov na elektrónoch, založené na Einsteinovej hypotéze svetelného kvanta. Compton študoval rozptyl X-lúčov a γ-lúčov na elektrónoch. Vo svojej teórii (1923) ukázal, že energia rozptýlených kvánt je menšia, ako energia kvánt dopadajúcich a rozdiel sa prejaví v raste kinetickej energie elektrónov, ktoré rozptyl spôsobili. Compton odvodil rovnicu rastu vlnovej dĺžky rozptýleného žiarenia od uhla θ medzi dopadajúcim a rozptýleným žiarením. Kvantum X-žiarenia o frekvencii ν je rozptýlené elektrónom o hmotnosti m. Predpokladá sa, že rozptyľujúci elektrón je pôvodne v pokoji a po zrážke s kvantom žiarenia sa odrazí. Za predpokladu zákona zachovania energie a hybnosti počas rozptylu odvodil Compton svoju rovnicu pre zmeny vlnovej dĺžky X-žiarenia pri tomto rozptyle:

photo

Compton svoju teóriu overil sériou precíznych meraní a napísal: „Prekrásna zhoda medzi teoretickými a experimentálnymi hodnotami rozptylu je veľmi pozoruhodná ... Neexistuje jediná prispôsobiteľná konštanta, ktorá spája dva súbory hodnôt.“ Zistil, že rast vlnovej dĺžky nezávisí od vlnovej dĺžky. V závere Compton napísal“ „Rozptyl X-lúčov je kvantový jav.“ Pokračoval: „... teória veľmi presvedčivo naznačuje, že kvantum žiarenia nesie so sebou ako orientovaný impulz, tak aj energiu.“

Einsteinova teória o vlnovo-časticovej dualite svetla

Pôvod vlnovo-časticovej duality nájdeme v prelomovej praci Einsteina, z roku 1909 o fluktuáciách energie: “On the Present Status of the Radiation Problem.” Einstein počítal pri svojej analýze Brownovho pohybu (1905) fluktuácie energie a hybnosti a tieto analytické metódy aplikoval na žiarenie čierneho telesa. Svoju teóriu fluktuácie mechanických systémov (Brownove častice) z roku 1905 zovšeobecnil na nemechanické žiarenie čierneho telesa. Einstein skúmal energiu fluktuácií čierneho telesa v čiastkovom objeme V izotermickej dutiny pri teplote T. Vychádzajúc z Planckovho zákona žiarenia čierneho telesa odvodil zmeny fluktuácií energie v tvare

photo

kde < > predstavuje štatistický priemer, je energia žiarenia o frekvencii z intervalu <ν, ν+dν>, c je rýchlosť svetla vo vákuu. Táto rovnica je známa ako Einsteinov vzťah pre fluktuácie žiarenia čierneho telesa. Z analýzy vychádzajúcej zo štatistickej mechaniky usudzoval, že prvý člen na pravej strane rovnice sa vzťahuje na kvantové vlastnosti žiarenia. Tento člen, úmerný priemernej energii, sa objavuje ako vysokofrekvenčná limitná hodnota v oblasti, kde platí Wienov zákon. Z toho Einstein usúdil, že žiarenie, presnejšie jeho fluktuácie energie, sú konzistentné s plynom nezávislých častíc, t. j. svetelných kvánt, pričom každé má energiu hv. Z rozmerovej analýzy usúdil, že druhý člen, úmerný druhej mocnine strednej energie, pochádza z interferencie vĺn. Tento člen nájdeme ako limitu pre nízkofrekvenčné žiarenie. Einstein si predstavoval, že žiarenie vo vnútri dutiny sa skladá z množstva vlastných modov s rôznymi amplitúdami, fázami a stavmi polarizácie, ktoré sa šíria v rôznych smeroch. Predpokladal, že fluktuácie v každom čiastkovom objeme sú spôsobené interferenciou rôznych rovinných vĺn. V roku 1909 Einstein napísal: „...ďalšia etapa teoretickej fyziky nás privedie ku teórii, že svetlo sa dá interpretovať ako druh fúzie vlnovej teórie a teórie emisie...“

Einsteinova teória stimulovanej emisie

Deväť rokov po vytvorení koncepcie svetelného kvanta sa Einstein vrátil ku problematike interakcie svetla s hmotou, najmä ku prechodom medzi energetickými stavmi atómov a úlohe svetla v tomto procese. V roku 1916 postuloval pojem stimulovanej, resp. indukovanej (vynútenej) emisie vo svojom pôvodnom článku “Emission and Absorption of Radiation in Quantum Theory”. Tento článok je pozoruhodný zavedením pravdepodobnostného prístupu do kvantovej fyziky. Vystupujú v ňom takzvané „A a B koeficienty“ a jeho predpoklad procesov indukovanej a spontánnej emisie. V tom čase ešte fyzikálna komunita neakceptovala všeobecne koncepciu energetických prechodov v atómoch sprostredkovanú absorpciou a emisiou svetelných kvánt. Bohrova teória atómu vodíka v podstate nevyužívala predstavu fotónu. Bohr ju odmietal až do začiatku 20-tych rokov 20. storočia. Dokonca ani Max Planck, ktorý je považovaný za zakladateľa kvantovej 1900, teórie, v 1900, neakceptoval reálnosť kvantovania až do roku 1913, keď Bohr kvantoval energetické hladiny atómu vodíka.

photo
Súčasti prvého rubínového lasera.

Einstein usúdil, že pole žiarenia môže spôsobiť úbytok, alebo nárast energie v atómoch. Predpokladal atóm s dvomi energetickými stavmi, vyšším a nižším a prechod medzi nimi prostredníctvom absorpcie, alebo emisie fotónu s energiou rovnou rozdielu energií týchto stavov.

Ak atóm absorbuje fotón, energia jeho elektrónu vzrastie o energiu fotónu a atóm sa ocitne vo vzbudenom energetickom stave. Atóm v tomto stave môže spontánne vyžiariť (emitovať) fotón a opäť sa ocitne v nižšom energetickom stave, tzv. základnom stave. Energia emitovaného fotónu bude rovná rozdielu energií medzi excitovaným a základným stavom elektrónu v atóme. Spontánna emisia atómu vo vzbudenom stave sa môže objaviť aj bez prítomnosti dopadajúceho žiarenia.

V prípade indukovanej (stimulovanej, vynútenej) emisie interaguje atóm vo vzbudenom stave s elektromagnetickým poľom, ktoré spôsobuje prechod elektrónov zo vzbudeného energetického stavu do stavu nižšieho, pričom rozdiel energií medzi týmito dvomi stavmi prechádza do elektromagnetického poľa. Fotón, ktorý vzniká v tomto procese je identický frekvenciou, fázou, polarizáciou a smerom šírenia s fotónmi v dopadajúcom elmg. poli.

Einstein predpokladal súbor atómov v tepelnej rovnováhe, ktoré možu nadobúdať stavy s vyšou a nižšou energiou. Prechod medzi týmito dvomi energetickými stavmi vysvetľoval prostredníctvom absorpcie a emisie fotónov, ktoré majú energiu rovnakú ako rozdiel energií týchto stavov. Počty atómov sú v obidvoch energetických stavoch konštantné. Pri tepelnej rovnováhe je počet atómov za jednotku času, ktoré absorbujú a emitujú žiarenie, rovnaký.

Einstein rozlišoval dva typy prechodov. Pri prvom nastáva emisia žiarenia aj bez prítomnosti vonkajších vplyvov. Prirovnal to k Rutherfordovmu zákonu rádioaktívneho rozpadu. V súčasnosti hovoríme, že je to jav spontánnej emisie, ktorý nastáva aj bez prítomnosti vonkajšieho žiarenia a charakterizujeme ho „Einsteinovým koeficientom A“. Vznikajúci fotón sa môže emitovať do rôznych smerov. Druhý typ prechodu spôsobuje interakcia atómov a dopadajúceho žiarenia. Einstein predpokladal, že vplyv dopadajúceho žiarenia je úmerný hustote žiarenia a spôsobuje prechod medzi energetickými stavmi. Na žiarenie v rovnováhe možno podľa Einsteina aplikovať zásadu vratnosti na mikroskopickej úrovni. Znamenalo by to, že pri každom prechode bude miera prenosu energie z nižšieho do vyššieho energetického stavu rovnaká, ako pri prechode z vyššieho do nižšieho energetického stavu.

Proces stimulovanej emisie vznikal podľa Einsteina preto, aby boli energetické úrovne atómu v rovnováhe s poľom žiarenia určené Boltzmanovým rozložením a vyhovovali Planckovmu zákonu žiarenia. Ak by bol Einsteinov koeficient stimulovanej emisie nulový, v stave tepelnej rovnováhy by neexistovalo Boltzmanove rozloženie stavov. Pri tepelnej rovnováhe musí byť počet atómov získavajúcich energiu rovnaký, ako počet atómov, ktoré energiu strácajú. Usúdil, že pravdepodobnosti indukovanej absorpcie a emisie sú rovnaké. Einsteinove koeficienty nezávisia od hustoty žiarenia.

Einstein takmer jasnovidecky predpokladal, že koeficienty A a B by sa dali vypočítať, ak by existovala nová verzia elektrodynamiky a mechaniky, taká, ktorá by bola v súlade s kvantovou hypotézou (nová kvantová mechanika). Tento predpoklad sa naplnil v roku 1927, keď Dirac použil svoju verziu kvantovej mechaniky a odvodil vo svojich článkoch postupne Einsteinove koeficienty B (pre stimulovanú emisiu) a A (pre spontánnu emisiu).

photo

Generácia superkontinua v PFC vlákne. S láskavým súhlasom J Dudleyho (Chair of the Steering Committee of the International Year of Light 2015).

Experimentálne overenie Einsteinovej koncepcie stimulovanej emisie prišlo až desaťročia po jej teoretickom predpovedaní. Bertolotti podáva svoju verziu vysvetlenia takého dlhého oneskorenia vo svojom článku: Prečo sa objav laseru tak oneskoril? Pozri ICO Newsletter, January 2010, Number 82. Gordon, Zeiger a Townes objavili v roku 1954 maser (zosilnenie mikrovĺn stimulovanou emisiou žiarenia), ktorý pracoval v mikrovlnnej oblasti. V roku 1960 vytvoril stimulovanú emisiu v kryštále rubínu, pracovnej látke prvého lasera, Theodore H. Mainman. V roku 1964 sa stali spoločne laureátmi Nobelovej ceny za nezávislý výskum v oblasti laserov Charles H. Townes, Nikolaj G. Basov a Alexander M. Prochorov.

Takže, otázka ostáva: Čo je svetlo? Einstein vytvoril model fotónu ako stavu elektromagnetického poľa s frekvenciou v, vlnovým vektorom k, energiou hn a impulzom ħk. Je to častica s nulovou pokojovou hmotnosťou, jednotkovým spinom a dvomi stavmi polarizácie. V roku 1924 Einstein napísal: „Kladné výsledky Comptonovho experimentu dokazujú, že žiarenie sa chová tak, ako keby pozostávalo z nábojov o diskrétnej energii nielen z hľadiska prenosu energie, ale aj z hľadiska prenosu hybnosti.“ Takže, po všetkých tých rokoch sa vraciame späť ku formulácii:“Žiarenie ... sa chová ... ako keby bolo zložené ...“ Slová, ktoré opäť neodpovedajú na otázku Čo je svetlo?, ale skôr na otázku Ako sa svetlo chová? Hoci sme stále neodpovedali jasne na pôvodnú otázku, naše prehlbujúce sa pochopenie svetla prinieslo krásu do našich životov a zmenilo náš svet. Ďakujem za svetlo.

Barry R Masters, samostatný vedecký pracovník, Cambridge, MA, USA


photo

PhD získal na Weizmann Institute of Science, Izrael, MS na Florida State University, a BS na Polytechnic Institute of Brooklyn. Profesor Masters bol hosťujúcim vedcom na Department of Biological Engineering, at the Massachusetts Institute of Technology a na Department of Biological Engineering, v Massachusetts Institute of Technology, hosťujúcim profesorom na Department of Ophthalmology at the University of Bern a profesorom anatómie a molekulárnej biológie na Uniformed Services University of the Health Sciences. Je členom American Association for the Advancement of Science (AAAS), the Optical Society of America (OSA), a SPIE. V rokoch 1999-2000 bol profesor Masters členom AAAS Congressional Science & Engineering a pracoval v oblasti legislatívy pre Kongres USA. Spolu s Dr. Böhnke je držiteľom The Vogt Prize za výskum v oftalmológii (najvyššie ocenenie za výskum v oftalmológii vo Švajčiarsku) za prácu “Confocal Microscopy of the Cornea”. Profesor Masters je autorom 86 citovaných odborných článkov a 143 ďalších publikácií, ktoré tvoria kapitoly v knihách a články v zborníkoch. Je editorom, alebo autorom 10 kníh: Noninvasive Diagnostic Techniques in Ophthalmology; Confocal Microscopy and Multiphoton Excitation Microscopy: the Genesis of Live Cell Imaging; Handbook of Biomedical Nonlinear Optical Microscopy (so spoluautorom Peter So). Pre vydavateľstvo Cambridge University Press pripravuje novú knihu Superresolution Optical Microscopy: The Quest for Enhanced Resolution and Contrast. Po celom svete robí prednášky na témy zodpovedného prítupu vo vede, biomedicínskej etiky, kritického myslenia a biomedicínskej fotoniky.

 

photo 

Preklad

Dagmar Senderakova
Faculty of Mathematics, Physics and Informatics
Comenius University at Bratislava
Mlynska dolina F2
Bratislava, Slovakia
SK-842 48

Dagmar Senderakova received her MS and PhD degrees in physics and quantum electronics and optics from Comenius University at Bratislava in 1971 and 1988. She has been working as a lecturer. Both, her researche and educating interests include optics, laser physics, nonlinear optics and currently especially coherent optics and holography. She is secretary of the Slovak TC ICO and member of SPIE, CSSF and SFS.

International Commission for Optics

Bureau members (2014-2017):

President: Y. Arakawa;
Past-President: D. T. Moore;
Treasurer: J A Harrington;
Secretary: A M Guzmán, CREOL, The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, PO Box 162700, 4000 Central Florida Blvd,Orlando, FL 32816-2700, USA; e-mail angela.guzman@creol.ucf.edu
Associate Secretary: G von Bally;
Vice-Presidents, elected: J. Harvey, F. Höller, H. Michinel, J. Niemela, R. Ramponi, S-H Park, J. Zakrzewski, M. Zghal
Vice-Presidents, appointed: Y. J. Ding, J. C. Howell, S. Morgan, E. Rosas, P. Urbach, A Wagué, M. J. Yzuel
IUPAP Council Representative: C Cisneros

Editor in chief:

A. M. Guzmán

Editorial committee:

K Baldwin, Australian National University, Australia;
J Dudley, Université de Franche-Comté, France;
William T Rhodes, Florida Atlantic University, USA.