Корпускулярная и волновая теория света реферат
Обновлено: 30.06.2024
Первые представления о природе света были известны еще у древних греков египтян. Со временем изобретались новые оптические приборы, которые развивались и трансформировались. А конец XVII века знаменит тем, что появляются две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).
Корпускулярная и волновая теории света
Корпускулярная теория рассматривает свет как поток частиц, которые испускаются при помощи светящихся тел. Ньютон предполагал, что их движение подчинено законам механики. Понятие отражения света рассматривалось также, как и отражение упругого шарика от плоскости. Преломление света было объяснено изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Случай с преломлением корпускулярная теория привела к такому виду записи закона:
sin φ sin ψ = υ c = n , где с – скорость света в вакууме, υ - скорость распространения света в среде. Имеем, что n > 1 , тогда, исходя из нее, скорость света в средах должна была быть больше скорости света в вакууме. Также Ньютон предпринял попытки объяснить возникновение интерференционных полос, которые были подвержены определенной периодичностью световых процессов. Поэтому корпускулярная теория содержала некоторые элементы волновых представлений.
Волновая теория рассматривала свет в качестве волнового процесса, напоминающего механические волны. В основу теории был заложен принцип Гюйгенса, из которого следовало, что каждая точка, до которой доходит волна, определяется как центр вторичных волн. Отсюда понятно, огибающая этих волн, изображенная на плоскости A 1 A 2 рисунка 3 . 6 . 1 определяет положение волнового фронта в последующий момент времени.
По Гюйгенсу волновой фронт – это геометрическое скопление точек, от которых доходит волновое возмущение одновременно.
Данный принцип объяснял законы отражения и преломления. На рисунке 3 . 6 . 1 изображены представления Гюйгенса об определении направления распространения волны, которая преломляется на границах двух прозрачных сред.
Рисунок 3 . 6 . 1 . Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны.
Если преломление происходит на границе вакуум-среды, тогда, исходя из волновой теории, приходим к результату:
sin ψ sin φ = c υ = n .
Закон преломления получается из волновой теории. Но он противоречит формуле Ньютона. Волновая теория говорит о том, что υ c , когда по корпускулярной теории υ > c .
Астрономический метод измерения скорости
Начало XVIII века – это было временем существования двух противоположных подходов к объяснению природы света: корпускулярная и волновая. Обе трактовали прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Начало XIX столетия стало переломным моментом.
Корпускулярная теория отвергнута, а волновая была принята. Это произошло, благодаря исследованиям Т. Юнга и О. Френеля в области явлений интерференции и дифракции. Точно объяснить все явления было возможно, основываясь на волновой теории. В 1851 году ее справедливость доказана Ж. Фуко экспериментально при измерении скорости распространения света в воде, получив υ c .
Середина XIX века – это время общепризнанной волновой теории. Но вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.
Со временем Максвелл установил общие законы электромагнитного поля, приведшие его к тому, что свет является электромагнитными волнами. Подтверждением данного факта было совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной c = 1 ε 0 μ 0 . Позднее электромагнитную природу света признали после опытов Герца, связанных с исследованием электромагнитных волн. П.Н. Лебедева изучал и также проводил опыты, связанные с изменением светового давления, благодаря чему электромагнитная теория света и стала рассматриваться, как факт.
На роль определения природы света повлияло определение ее скорости. Еще с конца XVII пытались измерить скорость света при помощи различных методов. Наличие современной техники расширило возможности и помогло точно измерить скорость света в независимости от длины волны λ и частоты υ ( c = λ · υ ) . Поэтому пришли к выводу, что c = 299792458 ± 1 , 2 l . Значение отличается от предыдущего полученного более, чем на два порядка.
Важная роль света в жизни была отмечена давно. Большое количество информации предоставляется именно при помощи света. Но существует не только видимый свет, но и невидимый для наших глаз: инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ).
Свет и электромагнитное излучение иных диапазонов схожи по физическим свойствам. Отличительные же черты различных участков спектра – это длина волны λ и частота υ . На рисунке 3 . 6 . 2 располагается шкала значения электромагнитных волн.
Рисунок 3 . 6 . 2 . Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны.
Оптический диапазон измерения волн – нанометр ( н м ) и микрометр ( м к м ) :
1 н м = 10 - 9 м = 10 - 7 с м = 10 - 3 м к м .
С помощью электромагнитной теории смогли объяснить оптические явления. Но она не позволила завершить понимание природы света. В XX веке было выявлено, что электромагнитная теория не сможет помочь в толковании явлений атомного масштаба, которые возникают после взаимодействия света с веществом. Такие понятия, как излучение черного тела, эффект Комптона и другие требовали введения квантовых представлений.
При изучении и углублении световых свойств науке снова пришлось вернуться к теории корпускул – световых квантов. Когда при проведении опытов замечали проявления волновых и корпускулярных волн, то имел смысл говорить о том, что свет имеет двойственную природу. Иначе говоря, он характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом.
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
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 XVII в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света стал вызывать все больший и больший интерес. При этом постепенно происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой. 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.
Рассмотренные в данном разделе явления — излучение чёрного тела, фотоэффекта, эффект Комптона — служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света. Наконец, давление и преломление света объясняются как волновой, так и квантовой теориями. Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств — непрерывных (волны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга.
Более детальное рассмотрение оптических явлений приводит к выводу, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотона. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определённые закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные — в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона, и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование красной границы фотоэффекта). Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона, и тем труднее обнаруживается волновые свойства (например, волновые свойства (дифракция) рентгеновского излучения обнаружены лишь после применения в качестве дифракционной решётки кристаллов).
Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами света можно объяснить, если использовать, как это делает квантовая оптика, статистический подход к рассмотрению закономерностей рассмотрения света. Например, дифракция света на щели состоит в том, что при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве. Так как вероятность попадания фотонов в различные точки экрана неодинакова, то и возникает дифракционная картина. Освещённость экрана пропорциональна вероятности попадания фотонов на единицу площади экрана. С другой стороны, по волновой теории, освещённость пропорциональна квадрату амплитуды световой волны той же точке экрана. Следовательно, квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку.
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 S (щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника S`. Поместив на пути призму P, 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 S`. 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 MN, 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.
свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия);
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.
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.
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 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.
Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).
Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.
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.
Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887г. немецким физиком Генрихом Герцем.
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.
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.
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).
История развития представлений о природе света, развитие оптики. Теория И. Ньютона: корпускулярная теория цвета. Теория Х. Гюйгенса: волновая теория света. Опыты Т. Юнга и последующие открытия. Электромагнитная теория света. Природа света XX века.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.12.2015 |
| Размер файла | 27,0 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Исполнитель: студентка группы
Содержание
1. История развития представлений о природе света
1.1 Древние времена
1.2 Развитие оптики
1.3 Развитие истории природы света
2. Теории XVII века
2.1 Теория И. Ньютона. Корпускулярная теория цвета
2.2Теория Х. Гюйгенса. Волновая теория света
3. XVIII - XIX век
3.1 Дальнейшее развитие волновой оптики
3.2 Опыты Томаса Юнга и последующие открытия
3.3 Электромагнитная теория света
4. Природа света XX века
Список использованной литературы
Введение
Задача: проследить историческое развитие природы света; рассмотреть две теории света.
Размышлять о природе света начали еще в древние времена. Первые гипотезы были наивны и туманны.
Свет - чрезвычайно важный вид энергии. Жизнь на земле зависит от солнечного света. Кроме того, свет - это излучение, которое дает нам зрительные ощущения. Мы видим предметы, когда свет от них достигает наших глаз. Эти предметы либо сами излучают свет, либо отражают свет излучаемый другими предметами, либо пропускают его через себя.
Интерференция - физическое явление перераспределения волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн.
Поляризация - физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне.
Дисперсия - зависимость показателя преломления вещества от длинны волны падающего излучения.
Дифракция (результат интерференции) - физическое явление нарушения прямолинейного распространения волн в неоднородных средах.
Фотоэффект -- явление вырывания электронов с поверхности тел под действием света.
Эффект Комптона -- явление изменения длины волны излучения при его рассеивании
природа свет корпускулярный юнг
1. История развития представлений о природе света
1.1 Древние времена
Жизнь на Земле возникла и существует благодаря солнечному свету. Благодаря ему мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете.
Основы теории света были заложены еще в глубокой древности.
Евклид и Аристотель (300-250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Так же Аристотелю приписывают утверждение, что свет есть нечто, исходящее из глаз. Лучи света как бы ощупывают предметы, доставляя наблюдателю информацию об их форме и качестве. Естественно, возникал вопрос, почему же в таком случае человек не видит в темноте?
Греческий философ Платон (427-327 г. до н.э.) создал одну из первых теорий света. Он понял, что именно солнце - истинная причина всех видимых вещей.
Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.
1.2 Развитие оптики
Независимо от гипотез о происхождении света развивалась геометрическая оптика.
До второй половины XVII в. оптика представляла, по существу, один из разделов геометрии. Световой луч -- прямая линия и светящаяся точка -- начало этой линии. Далее были установлены законы отражения и преломления света. Первый был известен еще в Древней Греции. Закон преломления света открыли независимо друг от друга голландский ученый Виллеброд Снеллиус (1591--1626) и французский ученый Рене Декарт (1596--1650).
В эпоху Возрождения оптика входит в практику, становится жизненно важной областью физики в связи с созданием подзорной трубы (1609) и микроскопа (1637).
Усовершенствованием оптических приборов занимаются естествоиспытатели разнообразных научных направлений, Создание рациональных конструкций оптических приборов требовало устранения сферических и хроматических аберраций. Исследование последних и явилось началом развития физической оптики.
Сравнение расчетов оптических приборов с опытом ясно показало недостаточность принципов геометрической оптики для правильного описания и объяснения распространения света.
Еще более трудная проблема физической оптики возникает во второй половине XVII в. В 1655 г. в Болонье был напечатан трактат иезуита Франческо Мария Гримальди, в котором было впервые описано явление дифракции света. В темную комнату сквозь узкое отверстие был пропущен солнечный свет. В световой конус Гримальди поместил, палку и наблюдал характер тени на белом экране. Образовалась картина, которая свидетельствовала о том, что лучи света могут отклоняться от прямолинейного распространения. Варьируя условия опыта, Гримальди нашел, что это новое физическое явление, и назвал его дифракцией.
Проблема цвета, связанная с ней проблема совершенствования оптических инструментов, необходимость объяснения явления дифракции -- все это настоятельно требовало создания действенной системы оптических представлений, определенных гипотез о природе света. Назрела необходимость построения физической основы оптики.
1.3 Развитие истории природы света
В XVII веке датский астроном Ремер (1644-1710) измерил скорость распространения света.
Гениальный английский ученый И.Ньютон (1642-1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции.
Э.Бартолин (1625-1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики.
Гюйгенс (1629-1695) положил начало волновой теории света.
2. Теории XVII века
2.1 Теория И. Ньютона. Корпускулярная теория цвета
В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений.
Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц - корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно.
1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник.
2) Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие - фиолетового.
3) Белый цвет - смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.
5) Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения.
6) Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет - смесь разнообразных корпускул - испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломления обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Они наибольшие для фиолетового и наименьшие для красного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи.
7) Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" - особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.
Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и вскоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. Цвета тонких пластинок, ньютоновские кольца, дифракционные явления требовали признания волнового элемента в световых лучах. Одна корпускулярная гипотеза не давала возможности интерпретировать эти явления. В то же время и волновая гипотеза не справлялась с целым рядом фактов (прямолинейность распространения, поляризация), приходилось прибегать к корпускулярным представлениям.
Принимая ту и другую гипотезу, Ньютон одновременно подчеркивал недостаточность гипотез вообще, их подчиненное положение по отношению к опытным фактам.
2.2 Теория Х. Гюйгенса. Волновая теория света
С точки зрения волновой теории света, основоположником которой и является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде - эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.
1) Свет - это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе.
2) Эфир - гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью.
3) Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность - фронт волны (принцип Гюйгенса).
Чем дальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится.
Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения. Принцип Гюйгенса легко доказывает, что световые лучи в однородной среде распространяются прямолинейно.
3. XVIII - XIX век
3.1 Дальнейшее развитие волновой оптики
В области оптики после Ньютона не происходит больших событий вплоть до конца XVIII в. Исследователи заняты в основном освоением наследства, оставленного Ньютоном и совершенствованием инструментальной оптики. Следует отметить лишь, что в середине века трудами П. Бугера и И.Г. Ламберта создается фотометрия.
В оптических воззрениях XVIII в. господствует корпускулярная гипотеза. Однако имеется и сильная оппозиция ньютоновским тенденциям. М. В. Ломоносов и Л. Эйлер подвергают резкой критике корпускулярную гипотезу.
Развивая воззрения Гюйгенса и Гука, Эйлер последовательно проводит аналогию между светом и звуком: звук распространяется в воздухе, свет -- в эфире продольными волнами. Однако в отличие от Гюйгенса, Эйлер вводит в волновую оптику ее важнейший элемент -- представление о периодичности света.
Цветность светового луча, по Эйлеру, определяется длиной его волны. Цвета тел являются результатом вибрации частиц тела под действием падающего света. Опираясь на эти представления, Эйлер развивает качественную теорию оптических явлений.
К этому времени уже известны тепловые и световые действия электричества. Обнажаются, таким образом, поразительные связи явлений. Они заставляют естествоиспытателей размышлять об общности тепла, света и электричества.
Однако корпускулярная гипотеза не давала пищи для таких размышлений. В то же время гипотеза эфира давала простор для теоретических построений, способных учесть связи между физическими явлениями. Не случайно физики снова обращаются к идее связи света и электричества.
3.2 Опыты Томаса Юнга и последующие открытия
В 1801 г. Томас Юнг (1773--1829) формулирует гипотезу о том, что светящееся тело возбуждает колебательные движения в эфире; ощущение цветов зависит от частоты колебаний, возбужденных светом на сетчатке.
Юнг вводит понятия частоты колебаний и длины волны, устанавливает соотношение между ними и скоростью распространения волны.
Юнг убедительно продемонстрировал эффективность принципа интерференции в объяснении оптических явлений.
В конце 1808 г. Малюс открывает новый оптический факт -- поляризацию света при отражении. Араго в 1811 г, устанавливает возможность вращения плоскости поляризации, а Био в 1813 г. описывает явление хроматической поляризации. Наконец, Френель в 1816 г. ставит ряд экспериментов, обнаруживающих, в частности, что интерференция поляризованных лучей происходит только при параллельном расположении плоскостей поляризации. Эти факты никак не укладывались в рамки волновой теории, в которой волны в эфире предполагались аналогичными звуковым, т. е. продольными. Особенно явно противоречил этому представлению последний факт, установленный Френелем. Действительно, для осуществления интерференции поляризованных лучей нужно, чтобы колебания эфира совершались в одном и тем же направлении, но это противоречит самому существу интерференции,
Поляризационные явления вели к гипотезе о поперечности световых волн. К концу XIX в. кристаллизовалось представление о свете, как поперечных электромагнитных волнах.
3.3 Электромагнитная теория света
Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831-1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.
Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.
Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света.
Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний - электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.
4. Природа света XX века
Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Было доказано, что вещество излучает или поглощает энергию конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой или поглощаемой частоте. Энергия одного кванта E=h v, где v - частота излучения, a h - универсальная константа, названная постоянной М. Планка. Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.
Теория квантов М. Планка совершила подлинную революцию в физике. Она стала основой для атомной теории, поскольку в 1913 г. Н. Бор применил ее к строению атома, а также объяснила движение электронов в твердых телах и дала начало квантовой физике. За открытие кванта М. Планк стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1918 г.
Квантовая теория вновь обострила противоречия, связанные с природой света. В 1923 г. Л. де Бройль выдвинул и обосновал гипотезу об универсальности дуализма в микромире. Он распространил идею А. Эйнштейна, высказанную в 1905 г., о двойственности природы света и вещества, т.е. каждой частице материи, в частности, электрону, должна соответствовать волна. Воспользовавшись теорий относительности, де Бройль вывел формулу, связывающую длину волны движущейся частицы с ее импульсом: Х= h/P, где h - постоянная М. Планка. За открытие волновой природы электронов де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике, а его теория легла в основу волновой механики. Открытие дифракционных (волновых) свойств микрочастиц привели к разработке новых методов исследования структуры веществ, в частности электронно-оптических методов.
В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться.
С физической точки зрения свет представляет собой сочетание электромагнитных волн с разными значениями длины и частоты. Глаз человека воспринимает не любой свет, а только лишь тот, длина волн которого колеблется от 380 до 760 нм. Остальные разновидности остаются для нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.
Исаак Ньютон представлял свет как направленный поток самых мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. Это подтверждается всем известным явлением фотоэффекта. Выходит, что световой поток имеет двоякую природу.
Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную. Результаты исследований, полученные в том или ином случае, не исключают, а дополняют друг друга. То есть световые волны имеют характерные особенности и частиц и волн одновременно.
Проводятся опыты, подтверждающие обе теории. Пока нет ответа на вопрос, что же такое свет.
ГОСТ
Сущность дуализма в оптике
Существование у света свойств и волны и потока частиц (корпускул) называют корпускулярно -- волновым дуализмом. Противоположность свойств частиц и волн в рамках классической физики не дает возможности утверждать, что свет является одновременно и волной и потоком частиц. Смысл корпускулярно - волнового дуализма свойств света в том, что он может описываться с использованием волновых представлений или корпускулярных понятий, что зависит от условий эксперимента.
Нам известны убедительные эмпирические факты, доказывающие волновую природу света (опыты по интерференции, дифракции, поляризации). Но экспериментальные доказательства корпускулярных проявлений света не менее убедительны (эффект Комптона, фотоэффект, тепловое излучение).
Ограничения в применении образов классической физики для описания свойств света проявляются также в условности применения образов волн и корпускул. Так, используя корпускулярные представления при описании фотоэффекта надо помнить, что свойства фотона существенно отличаются от свойств частиц в классической физике. Его масса покоя считается равной нулю, скорость движения в любой инерциальной системе отсчета одинакова, всегда отлична от нуля. При этом рассматривая свет как совокупность частиц (фотонов) для нахождения их массы следует использовать волновую характеристику -- частоту.
При рассмотрении волновых явлений, таких как интерференция и дифракция света для фиксации соответствующей картины требуется применение фотоэлемента, что означает использование квантовых свойств света для визуализации его волновых свойств.
История возникновения
Большой период развития оптики как науки связан с противоборством двух взглядов на природу света. Так в XVII веке имелось две теории света. Корпускулярная теория, ее сторонником был И. Ньютон, обладавший неоспоримым авторитетом. Ньютон считал свет потоком частиц, которые перемещаются от источника света во все стороны. Ньютон, используя свои представления, объяснил прямолинейность распространения света, но не смог объяснить законы отражения и преломления.
Готовые работы на аналогичную тему
Ярким представителем противоположного направления, представлявшего свет как совокупность волн, был Х. Гюйгенс. Гюйгенс считал свет волной, которая распространяется в эфире, все заполняющей и везде проникающей среде. Теория, предложенная Гюйгенсом, объяснила дифракцию и интерференцию, но не смогла дать объяснение прямолинейному распространению света.
В течение долго времени не было единого представления о природе света. Корпускулярные теории менялись на волновые. Ни одна теория не могла стать единственной, принятой всеми.
В семидесятых годах XIX века Максвелл изложил свою электромагнитную теорию. Показал, что свет является электромагнитной волной, что было подтверждено опытами. Свет стали считать электромагнитной волной. Волновая теория стала считаться доказанной окончательно.
Однако волновая теория света в ее электромагнитной форме стала недостаточной для толкования всех оптических явлений. Впервые это проявилось при исследовании проблем равновесного (абсолютно черного) излучения. Формулу, которая согласовывается с опытом для всего диапазона волн, предложил М. Планк на основе новых, квантовых представлений. Изначально они касались только природы света, но позднее проникли во все разделы физики. Оказалось, что представления классической физики, которые базируются на основе понятий, связанных с макроскопическими объектами, не применимы или используются с существенными ограничениями в области атомных масштабов. Идеи Планка легли в основу новой физики, квантовой физики.
Так Планк предположил, что излучение и поглощение света веществом происходит конечными порциями -- квантами. Согласовывая свою гипотезу с законами термодинамики и электродинамики, Планк принял энергию кванта равной:
где $h$=$6,63\cdot ^Дж\cdot с$ -- постоянная Планка. Сам Планк полагал, что квантовые свойства свет проявляет только в актах излучения и поглощения света. Все остальное происходит в рамках теории Максвелла.
Эйнштейн развил квантовую теорию. Он заключил, что и при распространении в пространстве свет ведет себя как совокупность частиц (фотонов), имеющих энергию, которая определяется выражением (1). Это было не простым возвратом к Ньютоновской теории корпускул, так как фотоны принципиально отличаются от частиц в механике. Фотоны имеют волновые свойства. Эта особенность фотонов и называется корпускулярно -- волновым дуализмом.
Задание: Световое давление -- проявление объемной плотности импульса у волны и закона сохранения импульса при взаимодействии волны с веществом. Какова сила давления (F), которую испытывает зеркальная поверхность, если на нее перпендикулярно падает пучок монохроматического. Поток энергии равен $Ф_e$.
Решение:
Сила давления света может быть вычислена как:
где $p$ -- величина давления света, $S$ -- площадь поверхности. Давление света при нормальном падении равно:
где $E_e$ - облученность поверхности, $c$ -- скорость света в вакууме, $\rho $ -- коэффициент отражения. Для зеркальной поверхности коэффициент отражения равен единице ($\rho $=1). Подставим выражение (1.2) в формулу (1.1), получим:
При этом надо учесть, что:
В таком случае выражение (1.3) запишем в виде:
Ответ: $F=\frac\left(1+\rho \right).$
Задание: Параллельный пучок света падает нормально на зачерненную поверхность, производя давление p, длина волны света равна $\lambda $. Какова концентрация фотонов в пучке (n)?
Решение:
За основу решения задачи примем выражение, определяющее концентрацию фотонов в пучке света как:
где $w$ -- объемная плотность энергии излучения, $<\mathcal E>=h\nu $ -- энергия одного фотона. Давление света в свою очередь выразим как:
где $\rho $ -- коэффициент отражения. Из выражения (2.2) получим:
Подставим в (2.1) вместо объемной плотности энергии правую часть выражения (2.3), имеем:
Энергия фотона выражается через частоту света, следовательно, связана с длиной волны:
Подставим энергию кванта в виде, полученном (2.5) в выражение (2.4):
Для зачерненной поверхности коэффициент отражения равен нулю ($\rho $=0), выражение (2.6) преобразуется к виду:
Читайте также: