Волновые и корпускулярные свойства света

12 Содержание Содержание 1 Введение 2 1. Волновые свойства света 3 1.1 Дисперсия 3 1.2 Интерференция 5 1.3 Дифракция. Опыт Юнга 6 1.4 Поляризация 8 2. Квантовые свойства света 9 2.1 Фотоэффект 9 2.2 Эффект Комптона 10 Заключение 11 Список использованной литературы 11 В в едение Первые предста вления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни с читал и , что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечат ления возникают при ощупывании ими предметов . Эта точк а зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, П толемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что л учи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживал ись Лукреций , Демокрит. В это же время Эв клидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глаза ми 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 возникл и 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, сог ласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все сторон ы (перенос вещества). Согласно же представлениям Гюйгенса, свет – это поток волн, распростр аняющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все прост ранство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллель но. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньюто на заст а влял большинство ученых отд авать 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 световы е пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Вед ь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория это легко объясняла. Волны, наприм ер на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образовани ю за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теори и. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света яв ляется просто следствием закона инерции. Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (оги бания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослаблени е освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпу скулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу. Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века п оказал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Мак свелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем н икаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Однако в нале XIX века предс тавления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданн о выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отноше ние к действительности. При излучении и поглощении свет ведет себя подобно п отоку частиц. Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, кванто вые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления из лучения и поглощения – считая свет потоком частиц. Эт и два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе с вета в 30-х годах XX века удалос ь непротиворечивым образом объедин ить в новой выдающейся физической теории – квантовой электродинамике. 1 . Волновые свой ства света 1 .1 Дисперсия Занимаясь усов ершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то что, что изобр ажение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсю да особенности цветов, каких до того никто даже не » (сло ва из надписи на могиле Ньютона) Основной опыт Ньютона был гениально про ст. Ньютон догадался направить на призму световой пуч о к малого поперечного сечения. Пуч о к солнечного света проходил в затемненную комнату через мален ькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и дав ал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередов анием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром. Закрыва я отверстие красным стеклом , Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д . Отсюда следовало, что не призма окрашивает , как предполагало сь раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные час ти. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки разл ичных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление б елого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 гра дусов относительно первой. Собрать все пучки спектра , то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще че рез одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски. Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сфор мулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: « Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латин ского слова Dispergo -разбрасываю). В дальнейшем Нь ютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чи стые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия испо льзовалась узкая щель (А) , освещенная ярки м источником. За щелью располагалась линза ( B ) , дающая на экране ( D ) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить при зму ( C ) , то изобр ажение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в к оторой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. О пыт Ньютона изображен на рис. 1 12 Рис.1 Если прикрыть щ ель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цв етной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагаю щему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет бу дет отклоняться на различные углы от первоначального изображения . Опис анное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляю тся 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 спек тр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через о тверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного ст екла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второ й призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определ енный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выдел енного пучка. Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открыти я: 1 . Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия). 2. Белый цвет есть совокупность простых ц ветов. Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объ яснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет , н апример , лист бумаги, отражает все падающие на него лу чи раз л ичных цветов , т о он будет казаться белы м . По крывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета , н о задерживаем на листе некоторую часть име ющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные погл о тятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными пото му , что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые , п огл о щая оста льные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи , т о она будет казаться почти черной. Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответс твуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона мо жно сформулировать следующим образом: п оказатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения д лины волны. 1 .2 Интерференция Интерференцию с вета наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многи е видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пуска нием мыльных пузырей или наблюдали за радужным перели вом цветов тонкой пленки керосина на поверхности воды. Именно интерфере нция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения. Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальн ой мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением двух в олн, одна из которых ( А ) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая ( В ) – от внутренней (рис.2) Рис.2 При этом происх одит интерференция световых волн – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослаб ление результирующих световых колебаний в различных точках пространст ва. Результат интерференции (усиления или ослабление р езультирующих колебаний) зависит от толщины пленки и длины волны. Усилен ие света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 (отражающаяся от внутренней поверхности пленки) отстанет от волны 1 (отражающейся от на ружной поверхности пленки) на цело число длин волн. Если же вторая волна о тстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн , то произойдет ослабление света. Для того чтобы п ри сложении волн образовалась устойчивая интерференционная картина, в олны должны быть когерентными , т.е. должны иметь одинак овую длины волны и постоянную разность фаз. Когерентность волн, отраженн ых от наружной и внутренней поверхности пленки, обеспечивается тем, что обе они являются частями одного светового пучка. Волны же, испущенные дв умя обычными независимыми источниками, не дают интерференционной карт ины из-за того, что разность фаз двух волн от таких источников не постоянн а. Юнг также понял, что различие в цвете связано с различ ием в длине волны (или частоте световых волн). Световым потокам различног о цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления вол н, различающихся друг от друга длиной, требуется различная толщина пленк и. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещен ии ее белым светом должны появиться различные цвета. 1 .3 Дифракция. Опыт Юнга Д ифракция света в узком смысле - явление огибания светом препятствий и попадание света в область г еометрической тени; в широком смысле - всякое отклонение при распростран ении света от законов геометрической оптики. Определение Зомм ерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонение от прямолине йного распространения, если оно не может быть объяснено как результат о тражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывн о меняющимся показателем преломления. В 1802г. Юнг, открыв ший интерференцию света, поставил классический опыт по диф ракции (рис. 3 ) . Рис. 3 В непрозрачной ширме, он проколол булавкой два маленьких отверстия B и C , на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отв ерстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в дру гой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возни кшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверсти я А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. В сл едствии 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. Зак рывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы и счезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, пр ичем весьма точно. Исследование дифракции получило свое завершение в ра ботах Френеля. Он детально исследовал различные функции дифракции на оп ытах и построил количественную теорию дифракции, позволяющую рассчита ть дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препят ствий. С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с п омощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхност ью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объе ктивом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие. 1 .4 Поляризация Новые свойства о характере свет овых волн пока з ыва е т опыт над прохождением света через крист аллы, в частности через турмалин. Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направл ением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пл астинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Т урмалин представляет собой криста лл 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 с тановится слабее, и когда пластинка повернётся на 90 0 , он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсив ности, когда пластинка повернется на 180 0 , т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся паралл ельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет. Из данных явлений можно сделать следующие выводы: 1. Световые колебания в пучке направл ены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны попе речны). 2. Турмалин способен пропускать свет овые колебания только в том случае, когда они направлены определенным об разом относительно его оси. 3. В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направл ения и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является п реимущественным. Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходи т через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно вывод у 2, способен пропускать световые колебания только определенного направ ления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, ч то из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропуска ться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представл ять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, опред еляемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейн о поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось св етового пучка, - плоскостью поляризации. Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последо вательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризуе т проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одно го направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полнос тью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением к олебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпе ндикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризова нном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмали ном, то колебания будут пропущены лишь частично. 2 . Квантовые свой ства света 2 .1 Фотоэффект В 1887г. немецкий фи зик Герц объяснил явление фотоэффекта. Основой этому послужила Гипотеза Планка о квантах . Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, с оединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан по ложительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластин ы. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электр ометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое из лучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы – электроны. Были сделаны попытки объяснить закономерности внешн его фотоэффекта на основе волновых представлений о свете. Согласно этим представлениям, механизм фотоэффекта выглядит так. На металл падает све товая волна. Электроны, находящиеся в его поверхностном слое, поглощают энергию этой волны, и их энергия постепенно увеличивается. Когда она ста новится больше работы выхода, электроны начинают вылетать из металла. Та ким образом, волновая теория света будто бы способна качественно объясн ить явление фотоэффекта. Однако расчеты показали, что при таком объяснении время между началом ос вещения металла и началом вылета электронов должно быть порядка десяти секунд. Между тем из опыта следует, что t <10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет без и нерционности фотоэффекта. Не может она о бъяснить и остальные законы фотоэффекта. Согласно волново й теории кинетическая энергия фотоэлектронов должна возрастать с увел ичением интенсивности света, падающего на металл. А интенсивность волны определяется амплитудой колебаний напряжённости Е, а не частотой света . (От интенсивности падающего света зависит лишь число выбиваемых электр онов и сила тока насыщения). Из волновой тео рии следует, что энергию, необходимую для вырывания электронов из металл а, способно дать излучение любой длины волны, если его интенсивность дос таточно велика, т.е. что фотоэффект может вызываться любым световым излу чением. Однако существует красная граница фотоэффекта, т.е. получаемая э лектронами энергия зависит не от амплитуды волны, а от ее частоты. Таким образом, попытки объяснить закономерности фотоэффекта на основе волновых представлений о свете оказались несостоятельными. 2 .2 Эффект Комптона Эффектом Комп тона называется изменение частоты или длинны волны фо тонов при их рассеянии электронами и нуклонами . Этот э ффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина во лны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического по ля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучае т рассеянные волны той же частоты. Эффект Комптон а отличается от фотоэффекта тем, что фотон передает частицам вещества св ою энергию не полностью. Частным случаем эффекта Компт она являются рассеяние рентгеновских лучей на электронных оболочках а томов и рассеяние гамма-лучей на атомных ядрах. В простейшем случае эффе кт Комптона представляет собой рассеяние монохроматических рентгенов ских лучей легкими веществами (графит, парафин и др.) и при теоретическом р ассмотрении этого эффекта в этом случае электрон считается свободным. Объяснение эф фекта Комптона дано на основе квант овых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантов ая теория, что излучение имеет корпускулярную природу. Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других за ряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий. Как эффект Ком птона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены в заимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивает ся, во втором – поглощается. Рассеяние пр оисходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэф фект – 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 эн ергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами мо жет наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона. Заключение Явления интерференции, дифракции, поляризац ии света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о в олновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих ус ловиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь , закономерности теплового излучения тел, фотоэле ктрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет веде т себя не как непрерывная, протяженная во лна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц – фотонов. Таким образом, с вет 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 корпускулярны е свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную р оль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассма тривать или как волну, или как частицы (корпускулы). Список использованной литературы 1. Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике . – М .: Наука 2002 . 2. Трофимова Т.И. К урс физики – М.: Высшая школа 2001. 3. Гурский И.П. Элементарная физика под ред. И.В. Савельева – М.: Просвещение 1984 4. Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Ф изика – М .: Просвещение 1982.