Корпускулярно-волновые свойства света

Волновые свойства. Современник Исаака Ньютона, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, не отвергал существования корпускул, но полагал, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света Гюйгенс представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи удара одной корпускулы о другую.

Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде - "эфире", которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение от источника света передается эфиром во все стороны.

Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной волновой теории света представляет принцип, первоначально сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем. Принцип Гюйгенса-Френеля утверждает, что каждая точка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь, становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним точкам.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англичанином Томасом Юнгом (1773 - 1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся темных и светлых колец.

Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн (согласованное протекание колебательных или волновых процессов). Явление интерференции широко используется в приборах - интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.

В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифракции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А. Пуассон (1781 - 1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть световое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Араго Д.Ф. (1786 -1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из доказательств ее справедливости, а также положило начало признанию волновой природы света.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией. На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.

Волновую природу света и поперечность световых волн доказывает, кроме того, и явление поляризации. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° свет полностью гасится, т.е. не проходит через кристаллы.

Явление поляризации можно объяснить, если принять, что свет представляет собой поперечные волны. При прохождении через первый кристалл происходит поляризация света, т.е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости - плоскости поляризации. Если плоскость, в которой пропускаются колебания вторым кристаллом, совпадает с плоскостью поляризации, поляризованный свет проходит через второй кристалл без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° поляризованный свет не проходит через кристалл.

Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром. Зависимость скорости распространения света в среде от длины волны называется дисперсией света. Дисперсия была открыта И. Ньютоном.

Разложение белого света объясняется тем, что он состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления зависит от длины волны. Наибольшее значение показателя преломления для света с самой короткой длиной волны - фиолетового, наименьшее для самого длинноволнового света - красного. Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны.

Изучение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к утверждению волной теории света.

Квантовые свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. 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 излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны.

Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом. Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены в 1895 г. русским физиком А.Г. Столетовым (1839 - 1896).

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света. Объяснение основных законов фотоэффекта было дано в 1905 г. А. Эйнштейном на основании квантовых представлений о свете.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца несмотря на свои огромные успехи были несколько противоречивы и при их применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только "упругий эфир" был заменен "эфиром электромагнитным" (теория Максвелла) или "неподвижным эфиром" (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т.д. Теория Лоренца, в свою очередь, не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности, вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М.Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой (n):

E = hl,

где h - постоянная Планка.

Теория Планка не нуждается в понятии об эфире. Она объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.

А. Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется приведенной формулой Планка, а масса равна:

где c - скорость света; l - длина волны.

Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны, наблюдается излучение с более длинной волной.

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Однако с помощью этих представлений нельзя объяснить такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света. Эти явления хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития науки привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные ранее выражения связывают корпускулярные характеристики излучения (массу и энергию кванта) с волновыми (частотой колебания и длиной волны). Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, что находится в полном соответствии с выводами материалистической диалектики.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1) Как происходит распространение света по Гюйгенсу?

2) О чём говорит принцип Гюйгенса-Френеля?

3) Каковы свойства особой среды - эфира?

4) В каких явлениях проявляются волновые свойства света?

5) Какое явление называется интерференцией света?

6) Каково условие, необходимое для интерференции волн?

7) Какое явление называется дифракцией?

8) Какое явление называется поляризацией света?

9) Как объяснить явление дисперсии света?

10) Какое явление называется фотоэффектом?

11) Какие законы фотоэффекта противоречили волновой теории света?

12) Каковы трудности теории эфира?

13) Каково содержание гипотезы Макса-Планка о квантах энергии?

14) Какова связь между длиной волны и импульсом фотона?

15) За что Артур Комптон получил Нобелевскую премию?

16) Что означает умозаключение "свет представляет собой единство дискретности и непрерывности"?

Дата добавления: 2015-08-03