Το νοητό πείραμα της διπλής σχισμής του Thomas Young εφαρμοσμένο για τη συμβολή μεμονωμένων ηλεκτρονίων.

Πείραμα Νο 1:

Ούτε ο Isaak Newton αλλά ούτε και ο Thomas Young ήταν τελείως σωστοί στις απόψεις τους για το φως.  Το φως δεν είναι απλά φτιαγμένο από σωματίδια ούτε και μπορεί να περιγραφτεί καθαρά σαν κύμα. Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο Max Planck και λίγο αργότερα ο Albert Einstein, έδειξαν  ότι το φως εκπέμπεται και απορροφάται σε πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. 

Το 1924 ο Γάλλος φυσικός Louis  de Broglie πρότεινε  ότι τα ηλεκτρόνια και άλλα τμήματα ύλης, τα οποία μέχρι τότε είχαν αντιμετωπιστεί μόνο ως υλικά σωματίδια, έχουν επίσης ιδιότητες κυμάτων όπως πλάτος και συχνότητα. Αργότερα, το 1927  η κυματική φύση των ηλεκτρονίων επαληθεύτηκε πειραματικά από τους C.J. Davisson και L.H. Germer στη Νέα Υόρκη και από τον G.P. Thomson στο Aberdeen της Σκοτίας. Η κβαντική θεωρία, έδειξε ότι τα φωτόνια και τα υποατομικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια εκδηώνουν διπλή φύση. Συμπεριφέρονται και ως σωματίδια και ως κύματα.

Για να εξηγήσουν την υπόθεση αυτή οι φυσικοί συχνά χρησιμοποιούσαν ένα νοητικό πείραμα, στο οποίο το πείραμα του Young με τη διπλή σχισμή και το φως πραγματοποιείται με τη χρήση μίας δέσμης ηλεκτρονίων αντί για φωτόνια. 

Μία δέσμη ηλεκτρονίων προσκρούει σε ένα πέτασμα με δύο σχισμές από τις οποίες περνούνε τα ηλεκτρόνια και αποτυπώνονται σε μία επιφάνεια πίσω από το πέτασμα. Ακολουθώντας τους νόμους της κβαντομηχανικής η δέσμη των σωματιδίων θα χωριζόταν στα δύο και η σύνθεση των επιμέρους δεσμίδων θα αλληλεπιδρούσε με τέτοιο τρόπο, ώστε να σχηματιστεί το ίδιο σχήμα των φωτεινών και σκοτεινών λωρίδων, όπως γίνεται και με την περίπτωση που το πείραμα εκτελείται με μία φωτεινή δέσμη.

                

Το πείραμα του Γαλιλαίου για την ελεύθερη πτώση

Πείραμα Νο 2:

Μεταξύ 1589 και 1592 ο ιταλός επιστήμονας Galileo Galilei που τότε ήταν μαθηματικός στο πανεπιστήμιο της Πίζας, λέγεται ˙ ότι άφησε να πέσουν ελεύθερα δυο σφαίρες διαφορετικών μαζών από τον Κεκλιμένο Πύργο της Πίζας, με στόχο να αποδείξει ότι ο χρόνος πτώσης τους είναι ανεξάρτητος από τη μάζα τους και ότι και οι δύο θα έφταναν στο έδαφος την ίδια στιγμή.

  ˙ σύμφωνα με μια βιογραφία του μαθητή του Vincenzo Viviani

Μέσω αυτού του πειράματος (που για τους περισσότερους ιστορικούς δεν πραγματοποιήθηκε ποτέ), ο Γαλιλαίος ήταν ο πρώτος που ήρθε σε ρήξη με την επικρατούσα αριστοτελική αντίληψη για τις φυσικές αρχές που διέπουν την κίνηση των σωμάτων.

Ο Αριστοτέλης είχε δείξει ότι τα βαριά αντικείμενα πέφτουν γρηγορότερα από τα ελαφριά. 

Ο Γαλιλαίος έδειξε ότι πρέπει όλα να πέφτουν με την ίδια ταχύτητα, αν αγνοήσουμε τις όποιες διαφορές στην αντίσταση του αέρα. Αργότερα, θέλοντας να ανακαλύψει το νόμο που διέπει την κίνηση των σωμάτων υπό την επίδραση του βάρους τους, πραγματοποίησε μια σειρά πειραμάτων σε κεκλιμένες διαδρομές και έγινε αυτός που καθιέρωσε ένα  νέο τρόπο μελέτης της φύσης, που συνδυάζει τη μαθηματική διατύπωση και τον πειραματικό ελέγχο.

Το πείραμα του Millikan με τις σταγόνες λαδιού

Πείραμα Νο 3:

Την περίοδο 1909-1913, o Robert Millikan , με ένα  απλό πείραμα που πραγματοποίησε στο πανεπιστήμιο του Σικάγου, μέτρησε για πρώτη φορά το στοιχειώδες φορτίο του ηλεκτρονίου e και απέδειξε ότι το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντισμένο, υπάρχει δηλαδή μόνο σε διακριτές ποσότητες, που είναι ακέραια πολλαπλάσια του στοιχειώδους φορτίου e.
Χρησιμοποιώντας έναν ψεκαστήρα αρώματος ψέκασε σταγόνες λαδιού μέσα σε έναν διαφανή θάλαμο. 

Απλοποιημένη αναπαράσταση του πειράματος του Millikan

 Στην κορυφή και στη βάση του θαλάμου υπήρχαν μεταλλικές πλάκες συνδεδεμένες με μπαταρία δημιουργώντας έναν θετικό και έναν αρνητικό πόλο. Εφόσον κάθε σταγονίδιο λάμβανε ένα ελάχιστο φορτίο στατικού ηλεκτρισμού καθώς ταξίδευε στον αέρα, η ταχύτητα της κίνησής του μπορούσε να ελεγχθεί με αλλαγές της τάσης στις δύο πλάκες. Όταν ο χώρος μεταξύ των δύο πλακών ιονίζεται με ακτινοβολία, τα ηλεκτρόνια του αέρα κολλάνε στα σταγονίδια του λαδιού προσδίδοντάς τους αρνητικό φορτίου. Ο Millikan παρατήρησε πολλά σταγονίδια μεταβάλλοντας την τάση και ελέγχοντας το αποτέλεσμα. Μετά από πολλές επαναλήψεις συμπέρανε ότι το φορτίο μπορεί να λάβει μόνο κάποιες συγκεκριμένες τιμές. Οι μικρότερες από τις τιμές αυτές αντιστοιχούν στο φορτίο του ηλεκτρονίου. 

 

Η αρχική πειραματική συσκευή

 

Η ανάλυση του ηλιακού φωτός με πρίσμα από τον Νεύτωνα

Πείραμα Νο 4:

Σε ηλικία μόλις 23 ετών, ο Isaak Newton απέδειξε με μια σειρά από ιστορικά πειράματα ότι το λευκό φως είναι μίγμα  επτά χρωμάτων. 
To 1666, ο Νεύτωνας βρίσκονταν στο πατρικό του σπίτι, το Woolsthorpe στο Lincolnshire, σε αναγκαστικές διακοπές  από τις απαιτήσεις των σπουδών του στο Καίμπριτζ, λόγω επιδημίας πανώλης . Εκεί αφιέρωσε αρκετό χρόνο σε πειράματα Οπτικής χρησιμοποιώντας τριγωνικά πρίσματα. Από τις δημοσιεύσεις του, και κυρίως από όσα αναφέρει στο βιβλίο του Opticks (δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1704), γνωρίζουμε επακριβώς την πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησε καθώς και τα αποτελέσματα που κατέγραψε.
Ο Νεύτωνας αρχικά δημιούργησε συσκότιση σε ένα δωμάτιο.
Έπειτα, ανοίγοντας μια μικρή τρύπα διαμέτρου περίπου 6 cm  σε ένα πέτασμα που κάλυπτε ένα παράθυρο του δωματίου, άφησε μόνο μια στενή δέσμη φυσικού φωτός να διαδοθεί μέσα στο σκοτεινό δωμάτιο, διαμέσου της τρύπας. Στον απέναντι από την τρύπα τοίχο σχηματίστηκε μια λευκή κηλίδα της ίδιας διαμέτρου με την τρύπα.  Όταν όμως στην πορεία της δέσμης τοποθέτησε ένα γυάλινο πρίσμα παρατήρησε ότι στη θέση της λευκής κηλίδας σχηματίστηκε μια χρωματιστή ταινία που είχε πάχος όσο και η διάμετρος της τρύπας και πενταπλάσιο μήκος.Η ταινία στο ένα άκρο ξεκινούσε με κόκκινο χρώμα και κατάληγε στο ιώδες περνώντας ενδιάμεσα από το πορτοκαλί, το κίτρινο, το πράσινο, το γαλάζιο και το κυανό. Με το πείραμα αυτό ο Νεύτωνας   διαπίστωσε ότι το φως αναλυόταν  σε  διαφορετικά χρώματα (φάσμα του λευκού φωτός). 

O Newton και το πρίσμα, σχέδιο του George Romney (1796)

Χαρακτικό του Robert Michell Meadows στο αρχικό σχέδιο του G. Romney (1809)

Το πείραμα του Νεύτωνα βασίστηκε στην ιδιότητα του  πρίσματος να διαθλά κατά διαφορετική γωνία τα διάφορα χρώματα.
Όταν τα χρώματα διαχωρίστηκαν, ο Νεύτωνας χρησιμοποίησε ένα δεύτερο πρίσμα με την ακμή του αντίθετα προσανατολισμένη για να τα διαθλάσει ξανά ώστε να δημιουργήσει και πάλι λευκό φως.  Με το πείραμα αυτό διέψευσε αυτό που πίστευαν πολλοί, ότι δηλαδή το πρίσμα ήταν αυτό που πρόσθετε  χρώματα στο φως.

Σκίτσο από την επιστολή του Νεύτωνα προς την Βασιλική Εταιρεία. Το S αντιπροσωπεύει το ηλιακό φως. Το φως μεταξύ των περιοχών BC και DE είναι έγχρωμο. Αυτά τα χρώματα ανασυνδυάζονται για να σχηματίσουν το φως του ήλιου στο παράθυρο GH

Με ένα τρίτο πείραμα που χαρακτηρίστηκε ως το "κρίσιμο πείραμα" / experimentum crucis
ο Νεύτωνας απέδειξε οριστικά ότι το πρίσμα  δε δημιουργούσε χρώματα αλλά απλώς διαχώριζε τα χρώματα που υπήρχαν στην αρχική ακτίνα φωτός. Χρησιμοποιώντας μια σανίδα με μικρές τρύπες  πέρασε μέσα από αυτή μόνο το ένα χρώμα, το ερυθρό, το οποίο πέφτοντας σε ένα δεύτερο πρίσμα διαπίστωσε ότι η ερυθρότητα  παρέμενε αμετάβλητη.

Σκίτσο του Νεύτωνα με το experimentum crucis

Ο ίδιος ο Νεύτωνας γράφει:

"Κύριοι,

Προκειμένου να εκπληρώσω την τελευταία υπόσχεση που σας έδωσα, θα σας γνωστοποιήσω, χωρίς άλλες τυπικότητες, ότι κατά την αρχή του έτους 1666 (οπότε ασχολήθηκα επίμονα με το τρόχισμα γυαλιών οπτικής σε σχήματα διαφορετικά από τα σφαιρικά) προμηθεύτηκα ένα τριγωνικό γυάλινο πρίσμα για να προσπαθήσω με τη βοήθειά του να ερευνήσω τα περίφημα φαινόμενα του φωτός.

Και, για το σκοπό αυτό, σκοτείνιασα το δωμάτιό μου και έφτιαξα μια μικρή τρύπα στο κάλυπτρο του παραθύρου μου, ώστε να αφήσω να εισέλθει η κατάλληλη ποσότητα φωτός του ήλιου, και τοποθέτησα το Πρίσμα μου στην είσοδο της φωτεινής δέσμης, με τρόπο ώστε αυτή να υποστεί διάθλαση και να προβληθεί στον απέναντι τοίχο. Ήταν αρχικά πολύ ωραίο να βλέπει κανείς τα ζωηρά και έντονα χρώματα που παράχθηκαν με αυτόν τον τρόπο.

Αλλά στη συνέχεια, καθώς ασχολήθηκα επίμονα με το να τα εξετάσω πιο προσεκτικά, εξεπλάγην, γιατί τα είδα να διατάσσονται σε μορφή παραλληλογράμμου, το οποίο σύμφωνα με τους ήδη αποδεκτούς νόμους της διάθλασης θα περίμενα να ήταν κύκλος .... 

.... πήρα ένα άλλο πρίσμα σαν το προηγούμενο και το τοποθέτησα με τέτοιον τρόπο, ώστε το φως περνώντας διαμέσου και των δύο να υποστεί διάθλαση με αντίθετο τρόπο και έτσι με τη βοήθεια του δεύτερου πρίσματος να επιστρέψει στην αρχική διεύθυνση από την οποία το πρώτο πρίσμα το είχε εκτρέψει. Με αυτόν τον τρόπο πίστευα ότι η κανονική επίδραση του πρώτου Πρίσματος θα εξουδετερωνόταν από το δεύτερο Πρίσμα, αλλά η εκτροπή η οφειλόμενη σε ανωμαλίες των Πρισμάτων θα μεγεθυνόταν από τη διπλή διάθλαση.

Το αποτέλεσμα ήταν ότι το φως το οποίο διασκορπίστηκε από το πρώτο Πρίσμα σε μορφή ορθογωνίου περιορίστηκε από το δεύτερο σε μια στρογγυλή δέσμη με τέτοια κανονικότητα σαν να μην είχε περάσει καθόλου μέσα από τα πρίσματα." 

Απόσπασμα από γράμμα του Νεύτωνα που γράφτηκε το 1671-2, προς στο επιστημονικό περιοδικό της εποχής PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS

 
 

Το τελικό συμπέρασμα ότι το λευκό φως αποτελείται από χρώματα ο Νεύτωνας επιβεβαίωσε με τον γνωστό

τροχό του Νεύτωνα, δηλαδή έναν δίσκο ο οποίος έχει στην επιφάνειά του κυκλικούς τομείς βαμμένους με τα επτά χρώματα.

Στα λατινικά τα χρώματα αυτά είναι: Rubeus ,Aureus, Flavus,  Viridis, Caeruleus, Indicus, Violeus.

 
 Πηγές:
atlaswikigr.wikifoundry.com/.../Στο+δωμάτιο+του+Νεύτωνα
http://www.tovima.gr/science/article/?aid=370181
http://www.departments.bucknell.edu/history/carnegie/newton/refraction.html