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.