Электромагнитная природа света реферат

Обновлено: 28.06.2024

Свет является электромагнитными волнами с определенным спектром частоты, который различает человеческий глаз, представленный длиной волны в интервале от 0,4 до 0,76 мкм.

Каждый цвет световой волны обладает конкретным значением длины. Когда длина волны изменяется, свет меняет свой окрас. При увеличении длины волны изменение цветов происходит в следующем порядке:

фиолетовый;
синий;
голубой;
зеленый;
желтый;
оранжевый;
красный.

При минимальной длине видимого спектра электромагнитной волны свет приобретает фиолетовый цвет и является фиолетовой границей спектра. Красный цвет определен максимальной длиной видимой волны и представляет собой красную границу. Естественный свет не обладает цветом и является совокупностью электромагнитных волн всего видимого спектра.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Источник естественного света – атомы. При переходе в возбужденное состояние атомы испускают электромагнитные волны. Причинами такого явления может являться воздействие разного характера, к примеру:

электромагнитное;
тепловое;
химическое.

начальная фаза;
поляризация;
направление.

Исходя из вышесказанного, естественный свет не является поляризованным. Так как свет обладает природой электромагнитной волны, в основе оптической физики лежат уравнения Максвелла и выражения, которые являются следствиями данной теории. По теории Максвелла:

где C и V – определяют скорость света соответственно в условиях магнитной и электрической среды;

$\varepsilon$ и $\mu$ – являются диэлектрической и магнитной проницаемостью вакуума.

Таким образом можно определить, как магнитные, электрические и оптические постоянные среды зависят друг от друга. По теории Максвелла диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума не связаны с параметром длины световых волн. Исходя из этого, теория электромагнитных волн не может объяснить дисперсию, то есть, каким образом связаны преломление и длина световой волны.

Величина показателя преломления определяет оптическую плотность вещества. Для описания связи между длиной волны и показателем n используют следующее выражение:

где $\lambda _0$ представляет собой длину волны в вакуумной среде.

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Когерентность – является коррелированностью двух и более волновых процессов во времени, что возможно в случае их суммирования.

Когерентные колебания представляют собой такие колебания, у которых разность фаз постоянна, а результат суммирования является колебанием с аналогичной частотой.

Классическая волновая оптика исследует линейные среды, то есть среды с независимыми от интенсивности света диэлектрической и магнитной проницаемостью. В связи с этим, для волновой оптики характерен принцип суперпозиции. Исследования поведения волн света в нелинейных средах являются областью изучения нелинейной оптики.

В случае нелинейных оптических явлений можно отметить их значительную выраженность в условиях высокой интенсивности света, который, например, испускают лазеры. При рассмотрении пары волн с одинаковой частотой, наложенных одна на другую и возбуждающих колебания в одном направлении, можно наблюдать, что амплитуда суммарного колебания будет определяться таким выражением:

$A^2=A_1^2+A_2^2+2A_1 A_2 cos\sigma$

где $\sigma =\alpha _2-\alpha _1$ – является разностью фаз колебаний волн;

$A_1 cos \omega t+\alpha _1$ – определяют характеристики первой волны;

$A_2 cos \omega t+\alpha _2$ – определяют характеристики второй волны.

Когерентными называют волны, разность фаз колебаний которых $\sigma$ является постоянной величиной.

Волновые и квантовые свойства света

С давних времен люди искали ответ на вопрос о природе света. В XVII веке практически в одно время получили распространение совершенно разные, на первый взгляд, теории о том, чем является свет. Основатель первой – корпускулярной теории – Исаак Ньютон. Вторая теория, волновая, была представлена голландским ученым Христианом Гюйгенсом.

Во второй половине XIX столетия Джеймс Клерк Максвелл в своих трудах открыл электромагнитную теорию света. Основу его научных исследований составлял тот факт, что скорость света и скорость, с которой распространяются электромагнитные волны, совпадают. Следствие теории Максвелла заключается в том, что электромагнитные волны, как и световые волны, являются поперечными.

Теоретические утверждения нашли экспериментальное подтверждение. Таким образом, по теории Д. Максвелла, видимый свет является электромагнитными волнами с определенным диапазоном длины волны. Для видимого света он соответствует интервалу от $3,8*10^$ до $7,6*10^$ м.

Начало ХХ столетия отмечено формированием квантовой теории света. Данное утверждение сформулировал в 1900 году немецкий физик Макс Планк. Обоснование теория получила в 1905 году, благодаря исследованиям немецкого физика Альберта Эйнштейна.

Теория гласит, что частицы вещества испускают и поглощают световое излучение не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями в виде квантов света. Энергия каждого такого кванта рассчитывается по формуле:

где h – является постоянной Планка.

Альбертом Эйнштейном было выдвинуто предположение о том, что электромагнитные волны, обладающие частотой v, допустимо рассматривать в качестве потока квантов с энергией Е.

Свет обладает не только волновыми свойствами. Для него характерны также корпускулярные свойства.

При увеличении частоты электромагнитного излучения повышается интенсивность, с которой проявляются корпускулярные свойства излучения, а волновые свойства в этом случае теряют свою силу. Квант электромагнитного поля является фотоном.

Фотон представляет собой элементарную частицу.

В случае фотона отсутствует масса покоя. Фотон не обладает зарядом, а его скорость в любом случае соответствует скорости света.

Таким образом, волновые и квантовые свойства света связаны со свойствами его излучателей в виде электронов атомов. Образование кванта или фотона связано с переходом электрона на более низкий энергетический уровень, что в результате приводит к генерации электромагнитных импульсов.

Наблюдать квантовые свойства, которыми обладает свет, можно на примере явления, называемого фотоэффектом. Каждый из фотонов, сталкиваясь с электроном, проникает внутрь его. Квант и электрон образуют единой целое. При этом общая энергия трансформируется в кинетическую, что является необходимым условием для возникновения фотоэффекта.

При фотоэффекте волновые колебания способны увеличивать производимую фотоном энергию до момента достижения определенного значения. Фотоэффект является незаменимым в современной электротехнике. Применение данного явления лежит в основе разработок космических лайнеров и спутников, солнечных батарей.

Фотоэффект используют в качестве источника вспомогательной энергии. Световые волны влияют на химические и биологические процессы, протекающие на нашей планете. С помощью простых солнечных лучей растения приобретают зеленый окрас, атмосфера Земли окрашивается в разные оттенки синего, человек может наблюдать мир таким, каков он есть.

Явление интерференции света

Интерференция света заключается в том, что в процессе совмещения одной световой волны с другой отсутствует суммирование их интенсивности.

Обязательное условие для интерференции состоит в когерентности световых волн. Такое состояние характерно для монохроматических волн, обладающих одинаковой частотой и распространяющихся в закрытом объеме.

Исходя из того, что в реальных условиях источники света не испускают монохроматические волны, все волны в природе являются некогерентными. В связи с тем, что электромагнитные волны поперечные, их недостаточно для формирования когерентных волн, чтобы получить интерферентную картину.

Причинами такого поведения могут являться воздействия разного характера. В результате атом снова излучает волны. Все источники света испускают свет с периодическим прерыванием, независимо от характеристик источников и возбудителей атомов.

Предположим, что свет разделился на две когерентные волны в некоторой точке О. В точке М можно наблюдать интерференцию. К данной точке волна преодолела расстояние $S_1$ в среде $n_1$ , а другая волна – путь $S_2 $ в среде $n_2$ . Фаза колебаний в начальной точке O составляет $\omega t$ , а в точке M одна волна возбудит колебание, которое можно определить по формуле:

Другая волна образует колебание, равное:

где $V_1= и V_2= $ – является фазовой скоростью, которой обладают волны.

Оптическая длина волны L является произведением геометрического расстояния пути световой волны S и величины преломления среды. Оптическая разность хода представляет собой разность оптических длин:

При соответствии оптической разности хода целому числу волн в вакууме $\delta =m \lambda_0(m=0,1,2…):$

В данном случае колебания в точке M осуществляются в одной фазе, что является максимумом.

При оптической разности хода, равной:

В данной ситуации колебания осуществляются в противофазе.

Важным является тот факт, что электромагнитная природа света подтверждена экспериментальным путем и является доказанной. В 2009 году ученые разработали способы для высокоточного определения колебаний магнитной части волны света.

Впервые электромагнитная природа света была доказана Максвеллом. Исследователь представил волновое уравнение и определил скорость волн, соответствующую величине скорости света. Данное заключение подтвердило то, что свет является электромагнитной волной, частота которой определяет ее параметры – такие, как цвет.

Электромагнитные волны в виде рентгеновского излучения или радиоволн представляют собой сумму магнитного и электрического полей, которые трансформируются одно в другое, распространяясь во времени и пространстве. При этом магнитные и электрические векторы перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения данной волны.

Уже почти полтора века назад человечеству стало ясно, что свет — электромагнитная волна. Первым об этом догадался Максвелл: когда он получил волнообразное решение своих знаменитых уравнений и вычислил скорость этих волн, получилось значение, очень близкое к измеренной на тот момент скорости света. Шотландец немедленно предположил, что свет и есть электромагнитная волна, а частота ее колебаний определяет свойства, в первую очередь цвет света (к тому моменту были известны лишь два вида световых лучей – видимые и инфракрасные).

Вложенные файлы: 1 файл

Уже почти полтора века назад человечеству стало ясно.doc

В любом учебнике физики написано, что электромагнитная волна, будь то радиоволны, свет или жесткое рентгеновское излучение, представляет собой пару электрического и магнитного полей, которые непрерывно превращаются друг в друга и тем самым поддерживают распространение волны. Электрический и магнитный векторы направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны и непрерывно осциллируют, поддерживая друг друга.

Может показаться невероятным, но на деле такое представление о свете экспериментальной проверке до сих пор не подвергалось. Конечно, в конце XIX века, вскоре после смерти Максвелла, немец Генрих Герц смог получить подобную волну гораздо меньшей частоты (выражаясь современным языком, это были радиоволны УКВ-диапазона) и тем самым доказал существование предсказанных Максвеллом волн.

Тем не менее, что касается непосредственно света, то наличие в этих волнах магнитной составляющей до сих пор экспериментально не было показано. Тому есть простая причина: электрическая составляющая волны хоть и несет такую же энергию, как магнитная, гораздо охотнее передает ее заряженным частицам. А именно на воздействии на заряженные частицы в конечном счете основаны все детекторы света – хоть ультрамодная ПЗС-матрица, хоть человеческий глаз.

В 2009 году, через 130 лет после кончины Максвелла, его предположения о природе света наконец подтверждены окончательно. К публикации в американском журнале Science принята статья группы голландских физиков под руководством Маттео Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме, которым наконец удалось зафиксировать и измерить магнитную составляющую световой волны.

Разумеется, в том, что свет — электромагнитная волна, никто из физиков и так не сомневался. Однако детектированием магнитного поля световой волны ученые продемонстрировали способность измерять ничтожные поля, осциллирующие с гигантскими частотами, характерными для оптического диапазона.

Для перехода в оптический диапазон принципиальных ограничений нет, однако до сих пор ученые не могли контролировать электрические и магнитные свойства с точностью, необходимой для оптических метаматериалов. Создание таких материалов – это нанотехнологии высшего разряда. И оборудование, и методика, созданные Буррези и его коллегами – ровно то, что нужно для таких измерений.

Свет обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными свойствами. Такое свойство света называет корпускулярно-волновой дуализм. Но ученые и физики древности не знали об этом, и изначально считали свет упругой волной.

Свет - волны в эфире

Но так как для распространения упругих волн нужна среда, то возникал правомерный вопрос, в какой же среде распространяется свет? Какая среда находится на пути от Солнца к Земле? Сторонники волновой теории света предположили что всё пространство во вселенной заполнено некоторой невидимой упругой средой. Они даже придумали ей название – светоносный эфир.

В то время, ученые еще не знали о существовании каких либо волн, кроме механических. Такие взгляды на природу света высказывались примерно в 17 веке. Считалось, что свет распространяется именно в этом светоносном эфире.

Свет - поперечная волна

Но такое предположение вызывало ряд противоречивых вопросов. К концу 18 века было доказано, что свет является поперечной волной. А упругие поперечные волны могут возникать только в твердых телах, следовательно, светоносный эфир является твердым телом.

Это вызывало сильную головную боль у ученых того времени. Как небесные тела могут двигаться сквозь твердый светоносный эфир, и при этом не испытывать никакого сопротивления.

Свет - электромагнитная волна

Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме. И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. Потом это предположение подтвердилось.

Но актуально также было представление о том, что в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц. Теория Максвелла противоречила некоторым экспериментальным фактам. Но, в 1990 году, физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами.

А в 1905 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, о том, что электромагнитные волны с некоторой частотой можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=р*ν. В настоящее время квант электромагнитного излучения называют фотоном. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

То есть при излучении и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства, а при перемещении в пространстве волновые.

В свое время Ньютон был убежден в том, что свет состоит из мельчайших частичек, скорость перемещения которых практически бесконечна, - говорит Т. Редже в предыстории вопроса. - Его современник Гюйгенс, напротив, был сторонником волнового механизма распространения света, подобного процессу распространения звука в воздухе или в любой материальной среде. Непререкаемый авторитет Ньютона не допустил признания гипотезы Гюйгенса.

Однако, несмотря на очевидные успехи волновой механической теории света во второй половине XIX века, она была подвергнута сомнению по двум причинам. Одна - опыты Фарадея, открывшего действие магнитного поля на свет. Другая - исследования связи между электрическими и магнитными явлениями, которые проводил Максвелл.

«Открытие электромагнитной природы света является великолепной иллюстрацией диалектики развития содержания и формы, - пишет П.С. Кудрявцев. - Новое содержание - электромагнитные волны - было выражено в старой форме картезианских вихрей.

Поиски новой формы привели ученого к становлению важной идеи поперечных магнитных колебаний, распространяющихся, как и свет, с конечной скоростью. Но это и есть центральная идея электромагнитной теории света - мысль, возникшая еще в 1832 году.

Подобное признание, однако, не принижает заслуг в исследовании электромагнитного поля Джеймса Максвелла.

Джеймс Максвелл (1831-1879) родился в Эдинбурге. Вскоре после рождения мальчика родители увезли его в свое имение Гленлэр. Сначала приглашали учителей на дом. Потом решено было отдать Джеймса в новую школу, носившую громкое название Эдинбургской академии.

Максвелл окончил академию одним из первых, и перед ним распахнулись двери Эдинбургского университета.

Будучи студентом, Максвелл выполнил серьезное исследование по теории упругости, получившее высокую оценку специалистов. И теперь перед ним встал вопрос о перспективе его дальнейшей учебы в Кембридже. Объем знаний Максвелла, мощь его интеллекта и самостоятельность мышления позволили ему добиться высокого места в своем выпуске. Он и занял второе место.

Молодой бакалавр был оставлен в Кембридже - Тринити-колледже в качестве преподавателя. Однако его волновали научные проблемы. Помимо его старого увлечения - геометрии и проблемы цветов, которой он начал заниматься еще в 1852 году, Максвелл заинтересовался электричеством.

Исследования, произведенные Максвеллом, привели его к выводу, что в природе должны существовать электромагнитные волны, скорость распространения которых в безвоздушном пространстве равна скорости света - 300 000 километров в секунду.

Возникнув, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света, занимая все больший и больший объем. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет.

«Предположение Максвелла о том, что изменения электрического поля влекут за собой возникновение потока магнитной индукции, явилось следующим шагом вперед, - пишет А.А. Коробко-Стефанов. - Таким образом, возникшее переменное электрическое поле вокруг магнитного, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, охватывающее электрическое, которое вновь возбуждает электрическое, и т. д.

Из теории Максвелла вытекало, что электромагнитные волны возникают в том случае, если изменения напряженности электрического и магнитного полей будут происходить очень быстро.

Справедливость максвелловских представлений опытным путем доказал Генрих Герц. В восьмидесятые годы девятнадцатого века Герц приступил к изучению электромагнитных явлений, работая в аудитории длиной 14 метров и шириной 12 метров. Он обнаружил, что если расстояние приемника от вибратора менее одного метра, то характер распределения электрической силы аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на расстояниях, превышающих 3 метра, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различных направлениях. В направлении оси вибратора действие убывает значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии 4 метров, тогда как в перпендикулярном направлении оно достигает расстояний, больших 12 метров.

Поле в этой волновой зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых линий. Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества. Расчеты Герца легли в основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и молекул.

Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям, дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света.

ГОСТ

Свет – это видимый участок спектра электромагнитной волны, длина которого находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Определенный свет может быть поставлен в соответствие с каждой спектральной составляющей оптического излучения. Окраска спектральных составляющих зависит от длины волны. По мере уменьшения ее длины меняется цвет излучения. Изменение цвета происходит в таком порядке:

красный;
оранжевый;
желтый;
зеленый;
голубой;
синий;
фиолетовый.

Красный свет, который соответствует наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовой границе соответствует фиолетовый свет. Естественный свет не имеет цвета, он представлен в виде суперпозиции электромагнитных волн всего видимого спектра.

Электромагнитная природа света

Естественный свет возникает в результате испускания электромагнитных волн при помощи возбужденных атомов. Характер данного возбуждения может быть различным: химический, тепловой, электромагнитный. В результате данного возбуждения атомы излучают электромагнитные волны в течение 10-8 секунд. Энергетический спектр атома достаточно широкий, поэтому электромагнитные волны излучаются из всего видимого спектра. Начальная фаза, поляризация и направление имеют случайный характер. Именно поэтому естественный свет не поляризован.

Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, в основу оптической физики положены уравнения Максвелла и все соотношения электромагнитных волн, что вытекают из них. В соответствии с электромагнитной теорией Максвелла $ \frac = \sqrt <\xi \mu>= n$, где $C$ и $V$ - скорости распространения света в среде с магнитной $\mu $ и диэлектрической $\xi $ проницаемостью в вакууме.

Это соотношение связывает электрические, оптические и магнитные постоянные вещества. В соответствии с теорией Максвелла, $\mu $ и $\xi$ - это величины, которые не зависят от длины световой волны, поэтому электромагнитная не теория не может объяснить явление дисперсии, то есть зависимость показателей преломления от длины световой волны.

Значения показателей преломления могут охарактеризовать оптическую плотность среды, а также оптические плотные среды. Длина световой волны с показателем $n$ напрямую связана с длиной волны в вакууме:

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Готовые работы на аналогичную тему

Когерентность – это коррелированность нескольких волновых или колебательных процессов во времени, которая проявляются при их сложении. Колебания когерентные в том случае, если разность их фаз во времени постоянна, а при сложении колебаний возникает колебание такой же частоты.

Классическая волновая оптика рассматривает среды, которые линейны по своим оптическим свойствам, иными словами, магнитная и диэлектрическая проницаемость которых не зависит от интенсивности света. Поэтому принцип суперпозиции волн справедлив в волновой оптике. Явления, что наблюдаются при распространении света в нелинейных средах, изучаются в нелинейной оптике.

Оптические нелинейные эффекты существенны при больших интенсивностях света, что излучается при помощи мощных лазеров. Две волны, что имеют одинаковую частоту, накладываются друг на друга и возбуждают в определенной точке колебания одинакового направления:

В данной точке амплитуда результирующего колебания будет выглядеть следующим образом:

$A^2 = A_^ + A_^ + 2A_1 a_2 cos $, где $\sigma = \alpha_2 - \alpha_1$

Если разность фаз $\sigma$ колебаний, что возбуждаются волнами, во времени остается постоянной, то такие волны называются когерентными.

Интерференция световых волн

Явление интерференции света заключается в отсутствии суммирования интенсивности световых волн при их наложении друг на друга, иными словами, при взаимном усилении данных волн в одних точках и ослаблении в других точках пространства. Когерентность – это необходимое условие интерференции. Монохроматические волны одинаковой частоты, которые не ограничены в пространстве волны, удовлетворяют данное условие.

Поскольку ни один реальный источник не дает монохроматического света, то волны, что излучаются источниками света, всегда некогерентные. Но из-за поперечности электромагнитных волн, когерентности недостаточно для того, чтобы получить интерференционную картину. Как было сказано ранее, положительность процесса излучения примерно равна 10-8 секунд. За этот период возбужденный атом растрачивает свою избыточную энергию на излучение, после чего возвращается в нормальное состояние и процесс излучения света прекращается. Спустя некоторое время атом вновь может возбудиться и начать процесс излучения. Данное прерывистое излучение света характерно для любого светового источника, независимо от особенностей тех процессов, которые протекают в источнике и вызывают возбуждение атомов.

Оптическая длина пути

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в конкретной точке $O$. До точки $M$, где можно наблюдать интерференционную картину, в результате преломления $n_1$ одна волна прошла путь $S_1$, а вторая волна в среде $n_2$ прошла путь $S_2$. В точке $O$ фаза колебаний равна $\omega t $, а в точке $M$ первая волна возбуждает колебание $A_1 cos<\omega \left(t) \frac+ \alpha_1 \right) >$.

Вторая волна создает колебание: $A_2 cos<\omega \left(t) \frac+ \alpha_2 \right) >$, где

$V_1 = \frac$
$V_2 = \frac$ - это фазовая скорость первой и второй волны.

Произведение геометрической длины пути световой волны, которая обозначается символом $S$, на показатель преломления данной среды называется оптической длиной волны $L$. А $\delta –L_2 – L_1$, что является разностью оптических длин, называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме $\delta = m \lambda_0 (m_0 = 0,1,2…)$, то $\sigma = 2m \pi $ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в одинаковой фазе. Следовательно, это максимум. Поэтому, если оптическая разность хода $\delta = (2m +1)\frac <\lambda_0 >$, то $\sigma = (2m+1) \pi$ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в противофазе.

В завершении хочется сказать, что электромагнитная природа света подтверждена окончательно. В 2009 году ученые-физики разработали методику, которая способна с точностью измерить колебания магнитной составляющей света. Уже давно стало ясно, что свет – это электромагнитная волна. Первым это открыл Максвелл. Он получил волнообразное решение своих уравнений и вычислил скорость данных волн. В результате этого получилось значение, которое было очень близким к скорости света. Ученый тут же предположил, что свет является электромагнитной волной, а частота ее колебаний определяет некоторые свойства (в первую очередь, это цвет света).

Электромагнитная волна (радиоволна или рентгеновское излучение) представлена в виде пары магнитного и электрического полей, которые постоянно превращаются друг в друга, поддерживая ее распространение. Магнитный и электрический векторы направляются перпендикулярно друг к другу и направлению распространения волны.

Световые лучи не похожи на электрическое поле вокруг наэлектризованных предметов или магнитное поле вокруг магнита. Однако, на самом деле, в этих явлениях немало общего. Поговорим кратко об электромагнитной природе света.

Свет и волновые явления

Рис. 1. Кольца Ньютона.

Кроме того, многие исследователи изучали радужные узоры, образующиеся на тонких пленках – в каплях масла на воде или в воздушных пузырях. Однако, объяснить эти явления удалось только лишь в начале XIXв Т. Юнгу. Гениальная догадка этого физика состоит в том, что свет имеет волновой характер. И для него должны выполняться все явления, присущие волнам. В частности, радужная картина – это результат интерференции (результата сложения двух волн, приходящих в разных фазах).

Рис. 2. Длины световых волн.

Электромагнитная теория света

К середине XIXв были открыты электромагнитные волны и разработана теория электромагнетизма Дж. Максвелла. Из этой теории следовало, что электромагнитные волны являются поперечными, и распространяются не мгновенно, а с конечной, хотя и очень большой скоростью. Как раз к этому времени стало накапливаться все больше фактов, что свет также является поперечной волной (хотя, сам Т. Юнг считал свет волной продольной). Кроме того, обнаружилось, что электромагнитные волны проявляют все волновые свойства точно так же, как световые, и имеют ту же скорость. Наконец, к концу XIXв было установлено, что световые волны возбуждаются заряженными частицами (переходами электронов на разные энергетические уровни внутри атомов вещества) точно так же, как и другие электромагнитные волны. Была полностью установлена электромагнитная природа света, и создана теория, описывающая световые явления.

Свет, как и любая электромагнитная волна представляет собой распространяющуюся в пространстве структуру электрических и магнитных вихревых полей, поддерживающих друг друга. Живые ткани очень слабо реагируют на магнитное поле. Как показали специальные опыты, ощущение освещенности на сетчатке вызывает только электрическая составляющая световых волн.

Рис. 3. Восприятие света и цвета глазом.

Что мы узнали?

Свет проявляет ряд волновых признаков, что позволило доказать его волновую природу, а ряд совпадений с поведением электромагнитных волн позволил описать все световые явления в рамках электромагнитной теории Максвелла к середине XIX в.

В начале XIX в. опытным путём была подтверждена справедливость гипотезы о волновой природе света. В то время ни о каких волнах, кроме механических, учёные ещё не знали. Поэтому считали, что свет, подобно звуку, представляет собой механическую упругую волну.

Вы уже знаете, что упругие волны могут возникать только в веществе, поскольку именно частицы вещества совершают упругие колебания, распространяющиеся в пространстве (вспомните опыт, доказывающий, что звук не распространяется в вакууме).

Значит, если свет — упругая волна, то для его распространения нужна среда.

Однако свет от звёзд доходит до нас через такие области космического пространства, где нет вещества. Учитывая этот факт, сторонники волновых воззрений на природу света выдвинули гипотезу о том, что всё мировое пространство заполнено некой невидимой упругой средой, которую они назвали светоносным эфиром (идея о существовании эфира была высказана ещё в XVII в.). Считалось, что именно в этом эфире и распространяется свет.

В то же время предположение о существовании светоносного эфира порождало много противоречий и вопросов. Так, например, в конце второго десятилетия XIX в. было выяснено, что свет является поперечной волной. Известно, что упругие поперечные волны возникают только в твёрдых телах. Получалось, что светоносный эфир представляет собой твёрдое тело. В связи с этим возникал вопрос о том, как планеты и другие небесные тела могут двигаться сквозь твёрдый эфир, не испытывая при этом никакого сопротивления.

Во второй половине XIX в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электромагнитные волны, подобно световым, являются поперечными и распространяются в вакууме со скоростью света. Исходя из того, что световые и электромагнитные волны обладают общими свойствами, Максвелл предположил, что свет является частным проявлением электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие физики подтвердило это предположение. Стало ясно, что видимый свет — это только небольшой диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 3,8 • 10-7 до 7,6 • 10-7 м или с частотами от 4,0 • 1014 до 8,0 • 1014 Гц (см. рис. 136).

Тем не менее представление о том, что в некоторых случаях свет ведёт себя аналогично потоку частиц, не потеряло своей актуальности.

К началу XX в. выяснилось, что электродинамика Максвелла не позволяет объяснить некоторые экспериментальные факты. Противоречия между теорией и экспериментальными данными удалось разрешить, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:

где h — коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Планка.

В 1905 г. немецкий физик Альберт Эйнштейн выдвинул идею, согласно которой электромагнитные волны с частотой v можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией Е = hv.

В настоящее время квант электромагнитного излучения называют также фотоном. Фотон (от греч. phos, photos — свет) — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в том числе света). Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

Таким образом, свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

С увеличением частоты электромагнитного излучения в большей степени проявляются его корпускулярные свойства, т. е. свойства, присущие потоку частиц, и в меньшей — волновые. Из всех диапазонов электромагнитных волн наиболее ярко выраженными корпускулярными свойствами обладает гамма-излучение (см. рис. 136). Подробнее о гамма-квантах вы узнаете из следующей главы.

Домашняя работа.

Задание 1. Ответь на вопросы.

Каковы были представления учёных о природе света в начале XIX в.?
Чем была вызвана необходимость выдвижения гипотезы о существовании светоносного эфира?
Какое предположение о природе света было сделано Максвеллом? Какие общие свойства света и электромагнитных волн явились основанием для такого предположения?
Как называется частица электромагнитного излучения?

Задание 2. Реши ребус.

Читайте также: