Развитие представлений о свете

     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).