Дуализм оптических явлений

    Оглавление 

Введение …………………………………………………………………………. 3

Единство  корпускулярных и   волновых свойств электромагнитного излучения ………………………………………………………………………… 4

Волновые  свойства света:

1. Дисперсия …………………………………………………………….…… 7
2. Дифракция ………………………………………………………………… 9
3. Поляризация …………………………………………………………..…. 10

Квантовые свойства света:      

1. Фотоэффект ……………………………………………………………… 11
2. Эффект Комптона…………………………………………………….….. 12

Заключение ……………………………………………………………………... 14

Список использованной литературы ………………………………………….. 15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса  о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории – корпускулярную и волновую теории света. Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз.

    При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Евклид. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света,  Эвклид писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

    Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.

    Третья  точка зрения на природу света  была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. В XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

    К середине XVII века накопились факты, которые  толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. 
 
 

    Единство  корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения

    О́птика (от др.-греч. ὀπτική появление или взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение). Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления.

    Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Скорость света в вакууме с = 299 792 458 м/с.

рис 1. Шкала электромагнитных волн 

    Первые  теории о природе света – корпускулярная и волновая – появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон.

    Согласно  волновой теории свет представляет собой     упругие продольные   волны в особой среде, заполняющей все пространство – светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса. Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира. Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям.

    Противоречия  волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к  выводу, что свет – электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью  света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко). Таким образом, волновая механистическая теория света была заменена волновой электромагнитной теорией.

    Изучение  явлений интерференции, дифракции, поляризации электромагнитных волн привело, как это могло показаться, к окончательному утверждению волновой теории света. Однако при исследовании теплового излучения энергии  нагретыми телами, фотоэлектрического эффекта (испускания электронов веществом  под действием электромагнитного  излучения), рассеяния рентгеновского излучения веществом было установлено, что объяснить эти явления  в рамках электромагнитной теории Максвелла  не удается. Разрешить эти противоречия удалось благодаря гипотезе, высказанной в 1900 году немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой v: ε = hν (1), где е – энергия кванта; h = 6,63 10-34 Дж • с – постоянная Планка (квант действия), являющаяся одной из универсальных постоянных в физике.

    Развивая  идею Планка, Эйнштейн в 1905 году выдвинул гипотезу о том, что свет не только излучается квантами, но распространяется и поглощается квантами, и на ее основе объяснил фотоэффект. С квантами света стали ассоциировать реальные элементарные частицы, которые были названы в 1929 году американским физико-химиком  Г. Льюисом (1875–1946) фотонами. Фотон является особой частицей, так как в отличие от других частиц (электронов, протонов и т. п.) он существует только в движении, причем скорость его движения равна скорости света. Масса фотона равна нулю. Энергия фотонов определяется формулой Планка (1), а импульс p = h /λ, (2) где p – импульс фотона; λ – длина волны.

    Исследуя  процессы излучения, Эйнштейн в 1909 году установил, что свет одновременно обладает и корпускулярными, и волновыми  свойствами, т. е. свету фактически присущ корпускулярно-волновой дуализм , который нельзя объяснить с позиций классической физики. Таким образом, можно сказать, что свет представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного), дискретного и непрерывного. К корпускулярным параметрам, характеризующим свет, относятся энергия и импульс, а к волновым – частота и длина волны. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определённые закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом.

    В настоящее время установлено, что  корпускулярно – волновая двойственность свойств присуща также любой  элементарной частице вещества. Например, обнаружена дифракция электронов, нейтронов.

Волновые  свойства света 
Дисперсия

    Ньютон  обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении  света, в связи с попытками  усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего  качества, Ньютон убедился, что главным  недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, Ньютон сделал свои величайшие оптические открытия.

рис 2 Схема разложения белого света с помощью призмы

    Сущность  открытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис.2) свет от фонаря освещает узкое отверстие S (щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника S`. Поместив на пути призму P, ребро которой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Это радужное изображение Ньютон назвал спектром. Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения S`. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой. Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN , на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким то значением этого показателя. Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

• Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).
• Белый цвет есть совокупность простых цветов.

    Итак, дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света. Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

• у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
• у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

    Дифракция

    Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с явно выраженными неоднородностями (например, вблизи границ непрозрачных или прозрачных тел, сквозь малые отверстия  и т.д.). При этом лучи света “дифрагируют” (отклоняются от своего первоначального направления). Огибание препятствий звуковыми волнами (дифракция звуковых волн) наблюдается постоянно в обыденной жизни. Для наблюдения дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это обусловлено малостью длин световых волн.

    Различают два вида дифракции света. Изучая дифракционную картину в точке  наблюдения, находящейся на конечном расстоянии от препятствия, мы имеем  дело с дифракцией  Френеля. Если точка наблюдения и источник света расположены от препятствия так далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдения, можно считать параллельными пучками, то говорят о дифракции в параллельных лучах – дифракции Фраунгофера. Теория дифракции рассматривает волновые процессы в тех случаях, когда на пути распространения волны имеются какие – либо препятствия.

    Поляризация

    Возвращаясь из Исландии, моряки привозили необычные  прозрачные кристаллы известкового шпата (), которые часто имели форму правильного ромбоэдра. В 1669 году датский учёный Э. Бартолин обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

    В 1808 году французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского  шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже заметил, что при определённом положении кристалла было видно лишь одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

    В 1932 году группа американских учёных во главе с Е. Лэндом изобрела первый оптический поляризатор, который оказывает  на световые волны действие, аналогичное  описанному выше. Для изготовления такого поляризатора было выбрано вещество, состоящее из длинных углеводородных цепей. Затем его растянули, чтобы молекулы выстроились вдоль направления растяжения, и опустили в раствор йода. Молекулы йода «прикрепились» к углеводородным цепям и отдали в них электроны, свободно перемещающиеся вдоль нитей. При падении электромагнитной волны на получившуюся решётку составляющая электрического поля, параллельная нитям, затухает, так как полю приходится совершать работу, разгоняя электроны вдоль нитей; перпендикулярная нитям составляющая электрического поля проходит через такой поляризатор, практически не затухая.

    Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока. Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный. Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.

Квантовые свойства света

    Фотоэффект

    Гипотеза  Планка о квантах послужила основой  для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887 г. немецким физиком Генрихом Герцем. Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться  отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы – электроны.

    Фотоэффекты бывают нескольких видов: внешний и  внутренний фотоэффект, вентильный фотоэффект и ряд других эффектов. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Внутренним фотоэффектом называют появление свободных электронов и дырок в полупроводнике в результате разрыва связей между атомами за счет энергии света, падающего на полупроводник. Вентильным фотоэффектом называют возникновение под действием света электродвижущей силы в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников или полупроводника и металла.

    Эффект  Комптона

    Наиболее  полно корпускулярные свойства света  проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон (1892-1962), исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с лёгкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более длинноволновое излучение. Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-излучений) на свободных (слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты. Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу. Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий. Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором- поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект – со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона. 
 
 
 
 
 

Заключение 

    Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс, масса  и спин локализованы в фотонах, а  не размыты в пространстве, но не в том, что фотон может находиться в данном точно определенном месте  пространства. Свет ведет себя как  волна в том смысле, что распространение  и распределение фотонов в  пространстве носят вероятный характер: вероятность того, что фотон находится  в данной точке определяется квадратом  амплитуды в этой точке. Но вероятностный (волновой) характер распределения  фотонов в пространстве не означает, что фотон в каждый момент времени  находится в какой-то одной точке. Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц.

    Если  учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и  корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

    Корпускулярно – волновая двойственность свойств присуща также любой элементарной частице вещества. 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Основы современного естествознания: Учеб. пособие / Воронов В. К., Гречнева М. В., Сагдеев Р. З. – Иркутск: Издательство ИрГТУ, 1999. – 376 с., 78 ил.
2. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов ; под ред. проф. А. И. Бочкарёва.  –  Тольятти  :  ТГУС, 2008. – 386 с.
3. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.
4. Начала современного естествознания: концепции и принципы: учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2006. — 608 с. — (Высшее образование).