Развитие представлений о свете

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1Волновая теория. Волновые свойства света.

   1.1 Дисперсия

   1.2 Дифракция

   1.3 Интерференция

   1.4 Поляризация

2 Корпускулярная теория. Квантовые свойства света.

   2.1 Фотоэффект

   2.2 Эффект Комптона

3 Корпускулярно-волновой  дуализм.

Заключение

Библиографический список  

     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 Эвклид. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Эвклид писал: "Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути". Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы.

     Однако  позже, уже в средние века, такое  представление о природе света  теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой.

     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. Мнение Аристотеля в его время  мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же 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. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную мысль к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци. Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 им открыто явление дисперсии света.

     В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс). Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории.

     Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В то время в основе взглядов на строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. В это же время начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта. 

     1 ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА  СВЕТА

     Волновая  теория света - одна из теорий, объясняющих природу света. Основное положение теории основывается на том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна (от длины которой зависит цвет видимого нами света). Теория подтверждается многими опытами (в частности опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция, интерференция и поляризация света.

1.1 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.

     Сущность  открытий Ньютона поясняется следующими опытами: свет от фонаря освещает узкое отверстие (щель). При помощи линзы изображение щели получается на экране в виде короткого белого прямоугольника. Поместив на пути призму, 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 . Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

     Это важное заключение Ньютон проверил многими  опытами. Важнейший из них состоял  в определении показателя преломления  лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, 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. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.

     Таким образом, в основных опытах Ньютона  заключались два важных открытия: 
1)  свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия); 
2) белый цвет есть совокупность простых цветов.

     Мы  знаем в настоящее время, что  разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны. 
                                                    

     1.2 Дифракция

     У световой волны не происходит изменения  геометрической формы фронта при  распространении в однородной среде. Однако если распространение света осуществляется в неоднородной среде, в которой, например, находятся непрозрачные экраны, области пространства со сравнительно резким изменением показателя преломления и т. п., то наблюдается искажение фронта волны. В этом случае происходит перераспределение интенсивности световой волны в пространстве. При освещении, например, непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы проходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд тёмных и светлых полос, часть света проникает в область геометрической тени. Эти явления относятся к дифракции света.

     Итак, дифракция света в узком смысле - явление огибания светом контура непрозрачных тел и попадание света в область геометрической тени; в широком смысле  - всякое отклонение при распространении света от законов геометрической оптики.

     Определение Зоммерфельда: под дифракцией света  понимают всякое отклонение от прямолинейного распространения, если оно не может быть объяснено как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления.

     Если  в среде имеются мельчайшие частицы (туман), или показатель преломления заметно меняется на расстояниях порядка длины волны, то в этих случаях говорят о рассеянии света, и термин "дифракция" не употребляется.

     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.

     С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов  с помощью акустических экранов, распространение радиоволн над  поверхностью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие. 

1.3 Интерференция

     Интерференция света - нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. При интерференции света происходит перераспределение энергии в пространстве.

     Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627 - 1691 гг.) и Робертом Гуком (1635 - 1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773 - 1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

     Интерференция света в тонких плёнках

     Интерференция в тонкой плёнке. Альфа - угол падения, бета - угол отражения, жёлтый луч отстанет от оранжевого, они сводятся глазом в один и интерферируют.

     Получить  устойчивую интерференционную картину  для света от двух разделённых  в пространстве и независящих  друг от друга источников света не так легко, как для источников волн на воде. Атомы испускают свет цугами очень малой продолжительности, и когерентность нарушается. Сравнительно просто такую картину можно получить, сделав так, чтобы интерферировали волны одного и того же цуга. Так, интерференция возникает при разделении первоначального луча света на два луча при его прохождении через тонкую плёнку, например плёнку, наносимую на поверхность линз у просветлённых объективов. Луч света, проходя через плёнку толщиной , отразится дважды — от внутренней и наружной её поверхностей. Отражённые лучи будут иметь постоянную разность фаз, равную удвоенной толщине плёнки, от чего лучи становятся когерентными и будут интерферировать. Полное гашение лучей произойдет при , где λ - длина волны.

     Лучи  соседних участков спектра по обе стороны от λ = 550 нм интерферируют не полностью и только ослабляются, отчего плёнка приобретает окраску. В приближении геометрической оптики, когда есть смысл говорить об оптической разности хода лучей, для двух лучей

     ΔL = L2 - L1 = kλ - условие максимума;

     ΔL = L2 - L1 = (2k + 1) * λ / 2 - условие минимума,

где k=0,1,2... и L_1,2 - оптическая длина пути первого и второго луча, соответственно.

     Явление интерференции наблюдается в  тонком слое несмешивающихся жидкостей (керосина или масла на поверхности воды), в мыльных пузырях, бензине, на крыльях бабочек, в цветах побежалости, и т. д. 
 
 

     Кольца  Ньютона

     Другим  методом получения устойчивой интерференционной  картины для света служит использование  воздушных прослоек, основанное на одинаковой разности хода двух частей волны: одной - сразу отраженной от внутренней поверхности линзы и другой - прошедшей воздушную прослойку под ней и лишь затем отразившейся. Её можно получить, если положить плосковыпуклую линзу на стеклянную пластину выпуклостью вниз. При освещении линзы сверху монохроматическим светом образуется тёмное пятно в месте достаточно плотного соприкосновения линзы и пластинки, окружённое чередующимися тёмными и светлыми концентрическими кольцами разной интенсивности. Тёмные кольца соответствуют интерференционным минимумам, а светлые - максимумам, одновременно тёмные и светлые кольца являются изолиниями равной толщины воздушной прослойки. Измерив радиус светлого или тёмного кольца и определив его порядковый номер от центра, можно определить длину волны монохроматического света. Чем круче поверхность линзы, особенно ближе к краям, тем меньше расстояние между соседними светлыми или тёмными кольцами.

     1.4 Поляризация

     Явления интерференции и дифракции, послужившие  для обоснования волновой природы  света, не дают еще полного представления  о характере световых волн. Новые черты открывает нам опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин.

     Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки  турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Так как турмалин представляет собой кристалл буро-зеленого цвета, то след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно-зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 900, он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 1800, т. е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет.

     Можно объяснить все наблюдающиеся  явления, если сделать следующие  выводы.

     1.   Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

     2.   Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.

     3.   В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным.

     Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскостью поляризации.

     Теперь  становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично. 
 

2 КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

     В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованности излучаемой энергии.

     Идея  квантования является одной из величайших физических идей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретный ряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законы поведения микрочастиц.

     Гипотеза  Планка получила дальнейшее развитие в работах Эйнштейна. Электромагнитная волна не только излучается, но и  поглощается и распространяется в виде потока квантов. Итак, электромагнитное излучение ( в том числе и свет) представляет собой поток фотонов.

     Фотон - мельчайшая частица электромагнитного  излучения, имеющая энергию в  один квант.                                                                                                                     

     Световые  частицы (фотоны) одновременно обладают и волновыми и корпускулярными свойствами. Фотоны, как любые частицы, имеют массу. Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что энергию фотона можно выразить как  Е = m·c² .

2.1Фотоэффект

     Гипотеза  Планка о квантах послужила основой  для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887г. 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. 
                                              

     2.2 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 (или 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.

     3 КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

     В истории развития учения о свете  сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

     В начале ХХ в. на основе экспериментов  было неопровержимо доказано, что  свет обладает как волновыми, так  и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

     В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля  λ = h/mv,  где m – масса частицы, v – ее скорость, h – постоянная Планка.

     В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое  применение, например, в электронном  микроскопе. Современные электронные  микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 10⁵-10⁶ раз).

     При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

     По  современным представлениям квантовый объект - это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

     Итак, корпускулярно-волновой дуализм –  представление о сущности микрочастиц, заключающееся в том, что в  их поведении проявляются корпускулярные и волновые свойства.

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).