Волновые свойства света кратко

Обновлено: 28.06.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Волновые свойства света. Квантовая теория

Волновые свойства света.

1. Свет – электромагнитные волны длиной от 380 до 780 нм. Следовательно, свет обладает такими свойствами, как интерференция и дифракция.

2. Интерференция волн – явление наложения волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства. Интерференция наблюдается лишь при наложения когерентных волн – волн с одинаковой частотой, поляризацией и постоянной разностью фаз. Геометрическая разность хода интерферирующих волн и условия максимума и минимума: Δ _max = mλ , Δ _min =(2 m +1) λ /2 , где m =0, ±1, ±2…

3. Дифракция волн – огибание волнами препятствия. Условие дифракции: размеры препятствия должны быть соизмеримы с длиной волны.

4. Впервые интерференцию света наблюдал Томас Юнг. Когерентные источники света он получил от одного источника, используя ширмы с одним и двумя отверстиями. Щели, в следствии дифракции, давали расходящиеся пучки. При наложении расходящихся пучков от двух щелей во второй ширме образовалась интерференционная картина – чередование максимумов и минимумов интенсивности. Интенсивность света в области наложения волн имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей волн : I_max = I ₁ + I ₂ +2√ I ₁ * I ₂ , I_min = I ₁ + I ₂ –2√ I ₁ * I ₂ . При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

6. Интерференцию света от тонкой линзы наблюдал Ньютон. Если линза была правильной, то вокруг точки её касания с плоскостью наблюдались цветные и тёмные кольца, которые называют кольцам Ньютона. Радиус колец определяется по формуле где m – номер кольца, а R – радиус кривизны линзы. Это явление используют для определения длины световой волны

8. Дифракционная картина от одной щели слаба и невыразительна. Яркую дифракционную картину можно получить от множества щелей. Дифракционная решётка представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделённых непрозрачными промежутками . Величина, равная расстоянию от щели до щели называется периодом решётки. Дифракционная решётка служит для разложения света в спектр и измерения длины волны. Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50 – 100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки .

9. На рисунке изображена схема получения дифракционной картины на экране. Если разность хода параллельных лучей от разных щелей равна целому числу волн, то при наложении их на экране наблюдается максимум интенсивности. Главный максимум наблюдается в центре дифракционной картины в виде светлого пятна. От него идут 1, 2, и т.д. максимумы. Если разность хода равна нечётному числу полуволн, то наблюдается минимум. Максимум дифракционной решётки n определяется условием dSin ( α ) = mλ , где m – порядок максимума m =0, ±1, Sin (α)= tg ( α )= a / b (при малых углах). Интенсивность света в главном дифракционном максимуме зависит от числа щелей I = N 2 * I ₀ ( N – число щелей, I ₀ – интенсивность от одной щели).

Дифракционный спектр от дифракционной решётки

Квантовая теория

1. Кроме волновых свойств свет обладает и корпускулярными (квантовыми) свойствами. Суть квантовой теории Планка состоит в том, что э нергия излучения и его частоты связаны друг с другом. При этом излучение электромагнитных волн дискретно – энергия излучается отдельными порциями, квантами. Формула Планка E = h ν определяет энергию одного кванта. Постоянная Планка h =6,62*10 –34 Дж с..

2. Спектральная плотность энергетической светимости – это энергия электромагнитного излучения, испускаемая телом в единицу времени с единицы поверхности в единичном интервале частот. Для любого излучения существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который приходится на определённый интервал частот, так как при данной температуре именно в этом интервале частот имеется самое большое количество атомов, излучающих кванты с максимальной энергией. А затем, чем больше частота излучения, тем количество атомов резко сокращается, поэтому спектральная плотность энергетической светимости начинает падать, несмотря на увеличение энергии одного кванта. (Для сравнения: чем больше отличается рост человека от среднего тем таких людей меньше).

3. Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счёт своей внутренней энергии. Испуская и поглощая электромагнитные волны, тела обмениваются энергией. При термодинамическом равновесии спектр, излучаемой и поглощаемой энергий, остаётся неизменным во времени. Абсолютно чёрное тело поглощает всю энергию падающего на него излучения.

Законы теплового излучения. Закон смещения Вина ν _m = b ₁ T – частота, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна его температуре. λ _m T = b , где b = 3000 мкмК – постоянная Вина. Эта формула позволила определить температуру звёзд.

Интегральная светимость – мощность излучения тела с единицы его поверхности.

Закон Стефана-Больцмана – R_T = σ T 4 – интегральная светимость абсолютно чёрного тела зависит только от его температуры _. σ = 5,67*10 –8 Вт/(м 2 К 4 ) – постоянная Стефана-Больцмана.

4. Световые кванты можно рассматривать как реальные микрочастицы – фотоны. Свойства фотонов: E = h ν, υ= c , масса покоя m ₀ = 0, m = h ν/ c 2 , импульс P = mc = h / λ , давление p = 2 I / c 2 .

Фотоэффект – явление, подверждающее дискретность излучения.

1. Открытие (1887г. Генрих Герц), исследование (Столетов), объяснение (Эйнштейн 1905г).

Поглощение света, как и его излучение, происходит дискретно. Фотоны передают свою энергию атомам и молекулам целиком. Подтверждает квантовую теориию фотоэффект - явление вырывания электронов из вещества под действием света .

2. Столетов исследовал явление фотоэффект. Схема прибора изображена на рисунке. На катод в вакуумном сосуде падает свет. Напряжение между анодом и катодом регулируется потенциометром. Под действием света с катода вырываются электроны и возникает ток.

3. Законы фотоэффекта.

· Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод.

· Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.

· Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен .

· Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > ν_min.

4. Объяснение законов фотоэффекта с позиций квантовой теории дал Эйнштейн. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии: h ν = A _вых + Е_к. h ν _min = A _вых ν _min – красная граница фотоэффекта. Кинетическую энергию электронов можно определить рассчитав работу электрического поля по задержанию электронов Е_к = U _з q _е тогда формула Эйнштейна для фотоэффекта будет иметь вид h ν = A _вых + U _з q _е . Экспериментальное определение постоянной Планка соответствует его теоретическому расчёту.

5. Применение фотоэффекта: внешний фотоэффект (фотоэлементы, фотоэкспонометры, звуковые лампы в кино, фотореле), внутренний фотоэффект (полупров. диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и т. д.).

Корпускулярно-волновой дуализм. Волновые свойства частиц.

1. Корпускулярно-волновой дуализм – проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств. Квант света – особая микрочастица, энергия и импульс которых выражаются через волновые характеристики – частоту и длину волны. Гипотеза де Бройля (1923год): любой частице, обладающей импульсом, соответствует определённая длина волны – длина волны де Бройля λ _Б = h / P . Так были обнаружены волновые свойства электронов (интерференция и дифракция), движущихся с большими скоростями.

2. Свет проявляет свои квантовые свойства при излучении и поглощении. Квантовые свойства света: фотоны обладают энергией Е = hν , Е = mc 2 , массой, импульсом, гравитацией, оказывают давление, вызывают фотоэффект. Волновые свойства света: отражение, преломление, интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация.

Решение задач

Задача 1. Две монохроматические волны с амплитудами 0,5 В/м и 0,2 В/м интерферируют друг с другом. Укажите диапазон амплитуд результирующей волны. Ответ: от 0,3 В/м до 0,7 В/м.

Задача 2. Какой должна быть толщина мыльной плёнки, чтобы наблюдался максимум красного цвета? Длина волны красного цвета 750 нм. Ответ: Минимальная толщина Н = 750/2 = 375 нм.

Задача 3. Два звуковых сигнала с частотой 40 Гц синхронно излучаемые из двух разных точек, находятся на одинаковом расстоянии 550 м от точки А на берегу озера. Один приходит от источника В, находящегося в воде. Другой идёт от источника С, находящегося в воздухе. Будут ли эти сигналы усиливать или ослаблять друг друга? Скорость звука в воде 1500 м/с, в воздухе 340 м/с.

Решение. Вычислить разность времени прохождения сигнала в воде и в воздухе:

Δ t = S / υ ₁ – S / υ ₂ = 1,62 – 0,37 = 1,25 с. T = 1/ ٧ = 1/40 с, Δ t /Т = 1,25с·40= 50. Разность во времени включает в себя целое число периодов. Сигналы усиливают друг друга.

Задача 4. На пути одного из параллельных лучей, распространяющихся в воздухе, поставили плоскопараллельную пластинку ( n = 1,5) толщиной 6 см. Чему будет равно время запаздывания этого луча?

Решение. Запаздывание происходит за счёт уменьшения скорости света в стекле.

υ = с /n, Δ t = h/ υ – h/c = 0,06(n/c – 1/c) =h(n-1)/c =0,1 нс .

Задача 5. Разность хода между волнами длиной 500 нм от двух когерентных источников в воздухе 5 мкм. Что происходит в точке пресечения этих волн? Решение: 5 мкм/ 0,5 мкм = 10. Разность хода включает в себя целое число длин волн. Следовательно, будет наблюдаться максимум.

Задача 6. На дифракционную решётку с периодом 10 мкм перпендикулярно падает монохроматический жёлтый свет от натриевой лампы с длиной волны 589 нм. Найдите углы, под которым будут расположены в дифракционном спектре нулевой максимум и максимум третьего порядка. Решение. Используя формулу дифракционной решётки dSin ( α ) = mλ , сделать вывод: если m =0, то α =0; если m =3, то Sin ( α ) = 3 λ / d . Α = 10 о 10´.

Задача 7. На дифракционную решётку, содержащую 200 щелей на 1 мм ,падает свет с длиной волны 500 нм. Найдите под каким углом буде виден первый дифракционный максимум. Решение. Найти постоянную решётки d = 10 –3 /200, а затем, используя формулу дифракционной решётки dSin ( α ) = mλ , найти угол. α = 5 о 44´.

При определении порядка последнего максимума считать угол α = 90 о _.

Задача 8 . Найдите кинетическую энергию электрона, вырываемого с поверхности натрия фиолетовым светом с длиной волны 400 нм. Работа выхода для натрия 2,28 эВ. Ответ 0,82 эВ.

Решение. Используя формулу Эйнштейна для фотоэффекта h ν = A _вых + Е_к и формулу связи длины волны с частотой c = λ ν, найти Е_к. 1эВ = 1,6·10 -19 Дж.

Задача 8 . Работа выхода для натрия 2,28 эВ. Найдите красную границу фотоэффекта для натрия. Ответ: 550 ТГц.

Решение. Используем формулу энергии кванта E = h ν, где Е – энергия кванта, а ν –красная граница фотоэффекта.

Задача 10 Найдите задерживающую разность потенциалов для фотоэлектронов, вырываемых с поверхности натрия светом с длиной волны 400 нм. Работа выхода для натрия 2,28 эВ. Ответ: 0,82 В.

Решение. Используя формулу Эйнштейна для фотоэффекта h ν = A _вых + Е_к и формулу связи длины волны с частотой c = λ ν, найти Е_к. Работа эл. поля по торможению фотоэлектронов A = qU _з . Согласно закону сохранения энергии Е_к=А. Находите U з. 1эВ = 1,6·10 -19 Дж.

Задача 11 Плоский алюминиевый электрод освещается излучением с длиной волны 83 нм. Красная граница фотоэффекта для алюминия соответствует длине волны 332 нм. Определить вид падающего на электрод излучения. Найти энергию кванта падающего излучения и кинетическую энергию фотоэлектронов. Найти скорость фотоэлектронов.

На какое максимальное расстояние от поверхности электрода может удалиться фотоэлектрон, если напряжённость внешнего задерживающего электрического поля E = 750 В/м.

Решение. Излучение ультрафиолетовое. E ₁ = h ν₁ = h с/λ₁. Найдём Е _k из формулы h ν = A _вых + Е _k = h ν _o + Е _k ,

Скорость найдём из формулы Е _k = mυ 2 /2.

Работа электрического поля A = qU = qEd равна изменению Е _k , следовательно d = Е _k / qE

Задача 12 При помощи дифракционной решётки с периодом 0, 02 мм получено первое дифракционное изображение на расстоянии 3,6 см от центрального и на расстоянии 1,8 м от решётки. Найти длину световой волны. Сколько максимумов спектра можно увидеть. Почему крылья стрекоз имеют радужную окраску? От чего зависит интенсивность света в главном дифракционном максимуме дифракционной картины, получаемой при помощи дифракционной решётки?

Решение. . По формуле дифракционной решётки найдём длину волны dSin ( α ) = mλ . Считая, что последний максимум будет при Sin ( α ) =1, найдём m .Наблюдаем интерференцию в тонких плёнках, каковыми являются крылья стрекозы. От количества щелей I = N 2 * I ₀

Для самостоятельного решения.

Задача 13. Изолированная металлическая пластинка освещается светом с длиной волны 450 нм. Работа выхода электронов 2 эВ. Определить вид падающего на пластинку излучения. Найти энергию кванта падающего излучения и кинетическую энергию фотоэлектронов Найти скорость фотоэлектронов. Найти изменение потенциала пластинки при её непрерывном облучении.

Задача 14. Длина волны жёлтого света паров натрия равна 589 нм. Третий максимум при освещении решётки светом паров натрия оказался расположенным от центрального на расстоянии 16,5 см, а от решётки он оказался на расстоянии 1,5 м. Каков период решётки? Почему возникают радужные полосы в тонком слое керосина на поверхности воды.

От чего зависит расстояние между главными максимумами дифракционной картин

1. Δ _max = mλ , Δ _min =(2 m +1) λ , /2 , где m =0, ±1, ±2… – Геометрическая разность хода интерферирующих лучей и условия максимума и минимума .

2. радиус колец Ньютона

3. dSin ( α ) = mλ – формула дифракционной решётки.

4. I = N 2 * I ₀ – интенсивность света в главном дифракционном максимуме.

5. E = h ν - частота излучения(формула Планка) h = 6,62·10 -34 Дж·с

6. λ _m T = b , где b = 3000 мкм - закон смещения Вина

7. R_T = σ T 4 – Закон Стефана-Больцмана. σ = 5,67*10 –8 Вт/(м 2 К 4 )

8. Свойства фотонов:

· E=h ν , E = mc 2 – энергия

· υ= c - скорость

· m ₀ = 0 - масса покоя

· m = h ν /c 2 - масса

· P = mc = h / λ - импульс

· p = 2I/c 2 - давление

9. h ν = A _вых + Е_к – формула Эйнштейна для фотоэффекта.

10. h ν _min = A _вых – красная граница фотоэффекта.

11. Е_к = U _з q _е – работа задерживающего поля

12. λ _Б = h / P - длина волны де Бройля.

1. Волновые свойства света. Электромагнитная природа света.

Свет — это электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом, от 63∙10 14 Гц до 8∙10 14 Гц, т. е. длин волн в интервале 380 нм до 770 нм.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции.Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 1). Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода l, кратной целому числу длин волн, .

При разности хода, кратной нечетному числу полуволн, , наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики.
При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос. Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называютдифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Пусть на решетку (рис. 2) падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.

Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода , где d – период дифракционной решетки– это расстояние между соответствующими краями соседних щелей, φ - угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При разности хода, равной целому числу длин волн, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны. Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла φ. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.

Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.

Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости — плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление – зависимость показателя преломления среды от частоты световой волны - называется дисперсией света.
На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет — это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.

Волновая оптика. Корпускулярно-волновая теория света. Волновые свойства света.
Дисперсия света. Интерференция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция света.
Поляризация света.

Корпускулярно-волновая теория света:

Волновые свойства света:

Свет - электромагнитные волны с диапазоном частот от 4,0х10 14 до 7,5х10 15 Гц. Скорость света в вакууме 3х10 8 м/с.
Световые волны - поперечны. Колебания в естественной световой волне происходят по всем направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению ее (волны) распространения. Поляризованная волна - колебания в которой происходят только в одном направлении.

Дисперсия света:

Интерференция света:

Принцип Гюйгенса-Френеля:

Дифракция света:

Поляризация света:

Дополнительная информация от Инженерного cправочника DPVA, а именно - другие подразделы данного раздела:

Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.

Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.

В это же время Эвклидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

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. эти точки зрения можно считать уже забытыми.

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая – с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.

Однако в нале XIX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.

При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения – считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой выдающейся физической теории – квантовой электродинамике.

1. Волновые свойства света

Закрывая отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель (А), освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1

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 и 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.

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.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

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.

Интерференцию света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многие видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина на поверхности воды. Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.

Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением двух волн, одна из которых (А) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (В)– от внутренней (рис.2)

При этом происходит интерференция световых волн – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиления или ослабление результирующих колебаний) зависит от толщины пленки и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 (отражающаяся от внутренней поверхности пленки) отстанет от волны 1 (отражающейся от наружной поверхности пленки) на цело число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Для того чтобы при сложении волн образовалась устойчивая интерференционная картина, волны должны быть когерентными, т.е. должны иметь одинаковую длины волны и постоянную разность фаз. Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки, обеспечивается тем, что обе они являются частями одного светового пучка. Волны же, испущенные двумя обычными независимыми источниками, не дают интерференционной картины из-за того, что разность фаз двух волн от таких источников не постоянна.

Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым потокам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, различающихся друг от друга длиной, требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Дифракция света в узком смысле - явление огибания светом препятствий 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.

В 1802г. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции (рис.3).

В непрозрачной ширме, он проколол булавкой два маленьких отверстия B и C, на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. В следствии дифракции из отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

Исследование дифракции получило свое завершение в работах Френеля. Он детально исследовал различные функции дифракции на опытах и построил количественную теорию дифракции, позволяющую рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий.

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.

Новые свойства о характере световых волн показывает 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. Турмалин представляет собой кристалл буро – зеленого цвета, 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 90 0 , он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 180 0 , т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет.

Из данных явлений можно 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. Квантовые свойства света

В 1887г. немецкий физик Герц объяснил явление фотоэффекта. Основой этому послужила Гипотеза Планка о квантах.

Были сделаны попытки объяснить закономерности внешнего фотоэффекта на основе волновых представлений о свете. Согласно этим представлениям, механизм фотоэффекта выглядит так. На металл падает световая волна. Электроны, находящиеся в его поверхностном слое, поглощают энергию этой волны, и их энергия постепенно увеличивается. Когда она становится больше работы выхода, электроны начинают вылетать из металла. Таким образом, волновая теория света будто бы способна качественно объяснить явление фотоэффекта.

Читайте также: