Вход

Борьба концепций в процессе становления и развития науки о природе света

Курсовая работа по биологии
Дата добавления: 24 мая 2004
Язык курсовой: Русский
Word, rtf, 462 кб
Курсовую можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
СОДЕРЖАНИЕ : 1. Античные взгля ды на природу свет ______________________________________________________ 3 2. Взгляд на свет в период раннего средневековья ______________________________________________________ 4 3. Опыты по измерению скорости света ______________________________________________________ 5 4. Открытия Ньютона о природе цветов ______________________________________________________ 5 5. Работы Гюйгенса . Волновая теория света _____________________________________________________ 10 6. Раз витие взглядов на волновую теорию све та . Работы Френеля _____________________________________________________ 11 7. Электрома гнитная теория света . Работы Фарадея и Мак свелла _____________________________________________________ 15 8. Давление света _______ ______________________________________________ 17 9. Поляризац ия _____________________________________________________ 18 10. Квантовая теория света _____________________________________________________ 20 11. Фотоны _______________________________________ ______________ 23 12. Заключе ние _____________________________________________________ 24 13. Список использованной литературы _____________________________________________________ 26 1. АН ТИЧНЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРИРОДУ СВЕТА. Оптикой увлекались ещ е философы к лассического периода , которые больше интересовали сь физиологическими , а не физическими проблем ами . Они задавались вопросами : каким образом мы видим , каково соотношение между ощущение м и видимым предметом ? Дискуссия была , по-в идимому , долгая и с трастная , но д ошедшие до нас документы весьма немногочислен ны и толкования их сомнительны . Здесь буду т упомянуты теории , развитые в классический период и вновь появлявшиеся в ходе поз днейшей истории. По-видимому , име нно пифагорейцы впервые выдвинули гипоте з у об особом флюиде , который испускается гл азами и «ощупывает» как бы щупальцами пре дметы , давая их ощущение . Атомисты же были сторонниками испускания предметами «призраков» или «образов» , которые , попадая в глаза приносят душе ощущение формы и цвета т еор и я эта связывается с именем Платона . Согласно Платону , от предметов исхо дит специальный флюид , который встречается с «мягким светом дня» , «ровно и сильно» бьющим из наших глаз . Если оба флюида подобны друг другу , то , встречаясь , они « крепко связываются» и г лаз получает ощущение видимого . Если же «свет очей» встречается с несхожим флюидом , он гаснет и не дает глазам никаких ощущений. Наиболее ранним из известных нам доку ментов , касающихся работ , является трактат по оптике Евклида , великого геометра , расцвет т ворчества которого относится к 300 г . до н.э . Трактат состоит из двух частей – «Оптики» и «Катоптрики». Как следует из первого положения , или постулата : «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Евклид следует теории зрения Платона . От в торого постулата до нас дошло понятие конуса зрения и «точки наблюдения» : «Фигура , образуемая лучами зрения , предста вляет собой конус , вершина которого находится в глазу , а основанием служит граница предмета». На этих и других десяти постулатах (по другим с видетельствам – двенадцати ) Евклид основывает геометрическое рассмотрение оптики . В «Оптике» он исследует геометрические проблемы , связан ные с постулатом о прямолинейном распростране нии света : образование тени , изображения , получ ающиеся с помощью малых о т верстий , кажущиеся размеры предметов и их расстоя ние от глаза . В «Катоптрике» рассмотрены я вления , связанные с постулатом о прямолинейно м распространении света : образование тени , изо бражения , получающиеся с помощью малых отверс тий , кажущиеся размеры предм е тов и их расстояние от глаза . В «Катоптрике» рассмотрены явления , связанные с отражением от плоских и сферических зеркал . Из пос тулатов «Катоптрики» замечателен второй постулат : «Все , что ви дно , видно по прямой». Это основной принцип физиологической опти ки . Однако непонятно , как его можно б ыло согласовать с третьим постулатом , дающим точный закон отражения света , известный г рекам еще с древнейших времен . Если светов ой луч – это то же самое , что «св ет очей» , то как он может не отклонять ся на зеркале в соот в етствии со вторым постулатом и менять свое направ ление в соответствии с третьим ? В истории физики противоречия часты , и ученые преод олевали их почти всегда так же , как и Евклид , т.е . обходили молчанием. 2. ВЗГЛЯД НА СВЕТ В ПЕРИОД РАННЕГО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ. Наиболее ярким в арабской физике был , несомненно , период Ибн Аль-Хатайна , известного на Западе под именем Альхазена . Умер Альхазен в Каире в 1039 г . По всеобщему мн ению , это был наиболее крупный физик сред невековья . Кроме того , он был астрономом , м атемат и ком и комментатором Аристотеля и Галена. В своем первом фундаментальном постулате он утверждает : «Естественный свет и цветовые лучи во здействуют на глаза». Этот постулат он подкрепляет наблюдением , что глаза испытывают боль при падении на них солнечного св ета , прямого ил и отраженного от зеркала , приводя также др угие примеры ослепления . Под естественным све том Альхазен понимает белый солнечный свет , а под цветовыми лучами – свет отражен ный от цветных предметов. Затем с помощью ряда хорошо поставлен ных опытов физико-физиологического характера он показывает несостоятельность представления о свете , исходящем из глаз и ощупывающем тела . В главе IV своего труда он описывает анатомическое строение глаза , заимствовав его у Галена , и далее заявляет : «Зрительный образ получается с помо щью лучей , испускаемых видимыми телами и п опадающих в глаз». Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида , а , так сказать , об обра щенных световых лучах , которые идут не от глаза к предмету , а от предмета к глазу . Но не это является гла вным открытием Альхазена . У Евклида , как и у всех греческих физиков , зрение рассматривало сь как глобальное явление ; считалось , что ощущение воспринимает разом , в едином процесс е образ всего наблюдаемого тела , потому ли , что внешняя «оболочка» тела , отдели в шись , проникает в зрачок , или же по тому , что «свет очей» ощупывает его одновр еменно со всех сторон . Альхазен же с г ениальной интуицией разложил этот глобальный процесс на бесконечное множество элементарных процессов : он полагал , что каждой точке наблюдае м ого предмета соответствует н екоторая воспринимающая точка глаза . Но чтобы объяснить отсутствие избранных направлений н аблюдения предмета , нужно предположить , что из каждой точки предмета выходит бесконечное число лучей . Но как же тогда одной точке предмет а может соответствовать лишь одна воспринимающая точка ? Альхазен пр еодолел эту трудность , приняв что из всех лучей , проникающих в глаз действенным явл яется лишь луч , перпендикулярный всем глазным оболочкам , которые он считал концентрическим и . Поэтому на п е реднюю поверхность хрусталика , который по Альхазену , и есть орган чувства , действуют те лучи , которые , исходя из любой точки наблюдаемого предм ета , проходят через геометрический центр глаз а . Таким образом , Альхазен устанавливает точно е соответствие между точками восприят ия на внешней поверхности хрусталика и пр иходит к выводу : «Зрительный образ получается с помощью пирамиды , вершина которой находится в глазу , а основание – на видимом теле». Насколько это положение отличается от евклидова ! Это тот же класси ческий закон перспективы , но физика явления здесь изменена . Поэтому , несмотря на серьезные нед остатки этого положения , оно представляет соб ой громадный шаг вперед. 3. ОПЫТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА. Одним из первых пытался измерить скор ость света Гал илей - он предлагает экс перимент для решения спора о том , конечна или бесконечна скорость света . Два экспер иментатора , вооруженные фонарями , становятся на некотором расстоянии друг от друга и , с огласно предварительной договоренности , первый от крывает свой фонарь , как только за метит свет открытого фонаря второго . Тогда сигнал первого экспериментатора вернется к нему через удвоенное время распространения света от одного наблюдателя ко второму. Этот опыт не мог получиться из-за чрезвычайно большой скорости све та . Но за Галилеем остается заслуга первой постан овки этой проблемы в экспериментальном плане и проектирования эксперимента столь гениальн ого , что этот проект был осуществлен Физо через 250 лет при первом измерении скорости света в земных условиях . Действ и тельно , в принципе опыт Физо отличаетс я от опыта Галилея лишь тем , что один из двух экспериментаторов заменен зеркалом , тотчас отражающим пришедший световой сигнал. 4. ОТКРЫТИЯ НЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ. Дальнейшим развитием взглядов на природу света явл яются работы Ньютона . В 1669 г . в Кембридже Ньютон начал читать оптик у . К этому периоду относятся его «Лекции по оптике» , опубликованные посмертно в 1729 г . Научный мир узнал открытии Ньютона о природе цветов из доклада , опубликованного в 1672 г . и вы з вавшего критические замечания ряда ученых , и в частности Гу ка . За ним последовала долгая полемика , си льно огорчившая Ньютона , человека весьма разд ражительного и чувствительного к критике . Дел о кончилось тем , что Ньютон заперся в своей лаборатории , чтобы т а м , в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике , которую опубликовал в Лондоне в 1704 г . под названием «Оптика» в момент , представлявшийся ему благоприятным (годом рань ше умер Гук .) В предисловии Ньютон говорит , что значительная часть этой раб о ты была написана в 1675 г . и направлен а секретарю Королевского общества для прочтен ия на заседании . Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление , чтобы сделать теорию более полной . Еще позже он добавил трет ью книгу . Еще при жизни Ньютона вышли второе изда н ие «Оптики» в 1717 г . и третье в 1721 г. «Оптика состоит из трех книг . В пе рвой рассматриваются отражение , преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов ) с приложением к объяснению радуги и с отступлением , посвященным телескопам и отражению . Во вто рой книге рассматриваются цвет а тонких пленок . Наконец , третья книга сод ержит краткое экспериментальное исследование диф ракции и заканчивается 31 «вопросом» теоретического характера». Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и об ещанием описывать явления , не выдвигая гипотез : «Мое намерение в этой книге , - предупре ждает автор , - не объяснять свойства гипотезами , но изложить и доказать их рассуждениями и опытами . Для этого я предпосылаю сл едующие определения и аксиомы» , - но нет и речи о том , чтобы Ньютон придержива лся этой программы . Сразу же после этого , поражает первое определение , которое либо ничего не означает , либо говорит о явно корпускулярном характере теории . Первое опре деление гласит : «Под лучами света я разумею его м ельч айшие части , как в их последовател ьном чередовании вдоль тех же линий , так и одновременно существующие по различным линиям». А что означает утверждение : «Луч света – это его мельчайшая часть» ? Из этог о утверждения ясно , что для Ньютона луч света – это уже не траектория в понимании древнегреческих геометров , а , как говорится в пояснении к этому определению , «наименьший свет или часть света … к оторая может быть оставлена одна , без оста льного света , или же распространяется одна , или совершает или испытывает о д на что-либо такое , чего не совершает и не испытывает остальной свет». Иными словами , Ньютон был жертвой иллю зии , присущей многим экспериментаторам : заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории , но одновременно ос новывает истолко вание своих экспериментальны х результатов на новой теоретической концепци и светового луча – концепции корпускулярной , или если пользоваться современным термином , квантовой. Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание временем и по сущест в у осталась основой современной физическо й оптики . Было бы излишне подчеркивать ген иальность постановки проблемы , искусность ее решения , точность измерений . Достаточно лишь о братить внимание на громадный скачок , произош едший под влиянием работ Ньютона в ис с ледованиях преломления в призме , которыми занимались до него очень многие физики , начиная с Сенеки. Первая группа опытов , весьма простых , состояла в наблюдении через призму двухцветно й бумаги (красной и синей ), освещенной солн цем . Этот опыт позволил Ньютон у прийти к фундаментальному выводу : «Лучи , отличающиеся по цвету , отличаются и по степени преломляемости». И если само это утверждение и не вполне ново , поскольку оно высказывалось еще в 1648 г . Марко Марчи (1595-1667), зато весь ко мплекс последующих экспе риментов , дающих ему окончательное подтверждение , был весьма н овым , так что не мог пройти незамеченным . Проделав небольшое круглое отверстие в с тавне окна темной комнаты , Ньютон заставил пучок лучей , проходящих через это отверстие , падать на призму с боль ш ой дисперсией и направлял «спектр» на противо положную стену , находившуюся на расстоянии в несколько метров . В первой серии опытов , проведенных с помощью такого приспособления , выделяется опыт с двумя скрещенными приз мами . Эти опыты убедили Ньютона в том , ч то цвета присутствуют в солнечно м свете , а призма лишь разделяет их , и привели его к установлению взаимно одноз начного соответствия между степенью преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломления Декарта : показатели пр еломления дейс т вительно постоянны для двух заданных сред при любых углах п адения , но меняются только цвета. В другой серии опытов Ньютон разлагае т свет с помощью призмы , направляет спектр на экран , в котором проделана узкая щ ель , и направляет свет , проходящий через э ту щ ель , на вторую призму , которая отклоняет его , но уже не разлагает . Эта группа опытов , имеющая фундаментальное значение для спектроскопии , привела Ньютона к поня тию однородного света : «Всякий однородный свет имеет собственную окраску , отвечающую степени его преломл яемости , и такая окраска не может изменять ся при отражениях и преломлениях». Тем самым с предельной очевидностью б ыло экспериментально подтверждено предвидение Де карта о природе цветов : тела на которые падает свет , не производят цветов , и луч и не с ами по себе ; лучам свойствен на определенная способность возбуждать в нас ощущение того или иного цвета . Следуя многовековой традиции Ньютон насчитывает семь цветов (красный , оранжевый , желтый , зеленый , голубой , синий , фиолетовый ), не считая белого и черно г о. После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов в равной сери и изумительных , к синтезу цветов . Некоторые из этих опытов стали классическими и п риводятся в учебниках физики . Сюда относится , например , опыт с гребенкой , которая быстр о переме щается перед спектром , так что он кажется белым благодаря явлению стойк ости изображения , которому Ньютон не дал б олее точного объяснения , или же опыт с обратным сложением цветов с помощью второй призмы. Все эти свойства открытые Ньютоном св ойства света по зволили ему дать новое , более полное объяснение радуги истолковать цвета тел как результат избирательного п оглощения падающего на них света. В первой части второй книги «Оптики» , состоящей из четырех частей , описывается теория основополагающих опытов , пров еденных с исключительным и ставших классическими . Э та часть работы представляет собой истинный шедевр экспериментального искусства . Здесь Н ьютон возобновляет исследование цветов тонких слоев , начатое еще Гуком , но в то же время как Гук исследовал слои пос т оянной толщины , которую безуспешно пытался непосредственно измерить , Ньютон воспол ьзовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся то лщиной . Применявшееся Ньютоном классическое устро йство общеизвестно : плосковыпуклая линза с очень малой кривизной , опирающаяся с воей плоской стороной на другую линзу , дво яковыпуклую . При падении на поверхность линзы белого света Ньютон , как до него Бойл ь , а после него , все студенты , обучающиеся физике , наблюдая отражение света , т.е . гляд я с то й же стороны , откуда п адает свет , видел темное пятно , соответствующе е точке соприкосновения двух линз , окруженное последовательностью чередующихся светлых и т емных концентрических колец радужной окраски. Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете , но и монохроматическ ом . Качественно явление носило такой же ха рактер , но в то время как в белом свете видны были лишь восемь или девять колец , в монохроматическом свете было видно их несколько десятков . Это явление предст авлялось значительно более эффектн ы м , если кольца , полученные в белом свете , рассматривать через призму : в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цв ета , смещенных относительно друг друга. Многочисленные опыты с этим явлением и точные измер ения позволили Ньютону открыть различные закономерности , оставшиеся спра ведливыми и по настоящее время : радиусы ко лец (светлых и темных ) растут пропорционально квадратному корню из их порядкового номе ра , так что радиус четвертого кольца вдвое больше радиу с а первого кольца , а радиус девятого кольца – втрое боль ше ; кольца расположены тем ближе , чем боль ше степень преломляемости света , т.е . радиусы колец одного и того же порядкового ном ера регулярно уменьшаются при переходе от красного цвета к фиолетовому ; т е мные кольца образуются всегда при тол щинах слоев , кратных некоторому наименьшему з начению , зависящему от цвета ; толщина , соответс твующая красным кольцам , составляет 14/9 толщины , соответствующей фиолетовым кольцам того же по рядка ; кольца сближаются , если п ростр анство между обеими линзами заполняется водо й. Весь этот комплекс количественных экспери ментальных результатов не мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли о наличии некоторой периодичност и , характерной для каждого цвета . Поэто му Ньютон был вынужден дать хотя бы формальные объяснение этой периодичности . С этой целью он прежде всего замечает , что материю следует считать весьма «порист ой» , т.е . состоящей из отдельных крупинок , п огруженных в пустое пространство , подобно том у как т у ман состоит из капеле к воды , окруженных воздухом . Отсюда следует , что отражение света не может быть обус ловлено упругим ударом частиц света о вещ ество , и , согласно Ньютону , многие оптические явления подтверждают эту точку зрения . Как же тогда объяснить от р ажение ? «Каждый луч света при своем прохожден ии через любую преломляющую поверхность приоб ретает некоторое преходящее строение или сос тояние , которое при продвижении луча возвраща ется через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легко му прохождению через ближайшую преломляющую п оверхность , а между возвращениями – к лег кому отражению». Определив «приступы» отражения или прелом ления как периодическое возвращение предрасполож ения луча к отражению или преломлению , а периоды приступов как п ромежутки вре мени между двумя последовательными приступами , Ньютон следующим образом отвечает на вопро с , почему свет , попадающий на границу разд ела двух сред , частично отражается , а част ично преломляется : «Свет находится в состоянии приступов легкого отраж ения и легкого преломлени я и до падения на прозрачные тела . И , вероятно , он получил такие приступы при первом испускании от светящегося тела , сохр аняя их во время своего пути». Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету , присущи ему с самого мо мента его излучения или же они являются приобретенным свойством , т.е . п риобретаются в момент прохождения света через тела ? Ньютон считает свойства света то внутренними , то приобретенными , в зависимости от того , что более удобно . Ньютон чувств овал противор е чивость и затруднительн ость своей позиции , но настаивал на том , что не выдвигает никаких гипотез и что приступы – это просто констатация факта , какова бы ни была их природа . Тут же он добавляет , правда , что те , кто любит строить гипотезы картезианского ти п а , могут представить себе , что , так же как камни падая в воду , вызывают в ней определенное колебательное движение , так и световые корпускулы , ударяясь об отража ющие поверхности , возбуждают колебания , распростра няющиеся быстрее самих частиц света и пот ому о бгоняющие их ; эти волны , дей ствуя на корпускулы определяют и обусловливаю т приступы легкого отражения. Верна или ошибочна эта гипотеза , Ньюто н не хочет разбирать : «Я довольствуюсь простым открытием , что лучи света благодаря той или иной прич ине попеременно располагаются к отражению или преломлению во многих чередованиях». Несмотря на противоречия , неясности и поправки , теория приступов является весьма гл убоким представлением , которое теперь , в свете волновой механики , может быть лучше понят но и точнее оцене но. 5. РАБОТЫ ГЮЙГЕНСА . ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. Фундаментальные работы Ньютона , вошедшие потом в «Оптику» оказали большое влияние на современников . Мышление Гюйгенса находится под воздействием этих работ . Действительно , бу дучи приверженцем теории цвето в Гука , он после работ Ньютона , восхищаясь их эксп ериментальной стороной , но не разделяя его теоретической интерпретации , пришел к выводу , что «явление окрашивания остается еще весь ма таинственным из-за трудности объяснения эт ого разнообразия цветов с пом о щью какого-либо физического механизма». Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате. Эта небольшая работа , занимающая лишь 77 страниц в его полном собрании сочинений , состоит из шести глав . В первой рас сматривается прямолинейное распространение с вета , во второй отражение , в третьей – преломление , в четвертой – атмосферная реф ракция , в пятой – двойное лучепреломление и в шестой – формы линз. Работа начинается с критики предшествующи х теорий Декарта и Ньют она . Если с вет состоит из корпускул , то как же он может распространяться прямолинейно в телах , не испытывая отклонения ? И как это мо жет быть , чтобы два пересекающихся пучка л учей , т.е . два потока частиц , не возмущали друг друга путем взаимных соударений ? Н о достаточно вспомнить , что свет возникает от огня и пламени , т.е . от тел , находящихся в очень быстром движении ; что свет , сконцентрированный зеркалом , способен сжигать предметы , т.е . разъединять их част и , «что служит убедительным признаком движени й , по к р айней мере для истинно й философии» ; что зрительное ощущение возника ет при возбуждении окончания зрительного нерв а ; что , как и в случае соударений , два или несколько движений могут накладываться , не возмущая друг друга ; что распростране ние звука происходит путем движения . Достаточно , говорит Гюйгенс , учесть все эти факты , чтобы прийти к безусловному выводу : «Нельзя сомневаться в том , что свет состоит в движении какого-то вещества». Но в какой же среде распространяется свет ? Еще раз установив параллель между звуком и светом , Гюйгенс замечает , ч то этой средой не может служить воздух , поскольку опыты с пневматической машиной п оказали , что свет в отличие от звука р аспространяется и в пустоте , и постулирует существование некоторой эфирной материи , котора я заполн я ет всю Вселенную , проника ет во все тела , чрезвычайно разрежена , так что она не проявляет никаких свойств тяжести , но очень жесткая и упругая . Как видно , Декарт нашел достойного последователя ! Приняв существование такого вещества , Гюй генс рассматривает меха низм распространения движения . Он начинает с примера пламени . Каждая точка пламени сообщает движение ч астицам окружающего эфира , т.е . создает свою собственную волну , а каждая частица эфира , которой достигла волна , становится в свою очередь центром другой, меньшей в олны . Таким образом , это движение распространя ется от частицы к частице через посредств о вторичных сферических волн , подобно тому , как распространяется пожар . Может показаться странным и почти невероятным , что волнообра зное движение , вызываемое с т оль ма лыми движениями и частицами , способно распрос траняться на такие огромные расстояния , как отделяющие нас от звезд . На это Гюйгенс отвечает : «Но это число перестает быть удивител ьным , если принять во внимание , что бескон ечное число волн , исходящих прав да , из различных точек святящегося тела , на боль шом расстоянии от него соединяются для на шего ощущения только в одну волну , которая , следовательно , и должна обладать достаточной силой , чтобы быть воспринятой». Это и есть принцип построения огибающ ей волны, сделавшей бессмертным имя Гюйг енса . Он поясняет его рисунком , какой можн о увидеть чуть ли не в каждом совреме нном учебнике физики . Ясно , что при таком понимании исчезает световой луч древних греков , исчезает и луч света Ньютона . Лейб ниц сразу понял значе н ие концепци и и писал Гюйгенсу 22 июня 1964 года : «Безусловно , господин Гук никогда бы н е пришел к объяснению законов преломления с помощью построенной им картины волновых движений . Вся суть в том , каким образо м вы рассматриваете каждую точку луча как излуч ающую и складываете основную во лну со всеми вспомогательными волнами» К сожалению , при новом подходе исчезае т и непосредственное интуитивное представление о прямолинейном распространении света . Гюйгенс выдвигает объяснение , утверждая , что за п репятствием р аспространяющиеся там элементар ные волны не имеют огибающей и потому остаются незаметными , и делает вывод : «В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии». Однако это утверждение остается голословн ым , так что его можно с равным правом принять ил и отвергнуть. Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестя щим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения , преломления и полного внутреннего отражения – явлений , интерпретация которых вынуди ла Ньютона осложнять с вою теорию , нагромождая одну теорию на дру гую . По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках . Нова я теория обладала также тем преимуществом , что для объяснения преломления она в с оответствии со здравым смы с лом тр ебовала меньшей скорости в боле плотной с реде. 6. РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ВОЛНОВУЮ ПРИРОДУ СВЕТА . РАБОТЫ ФРЕНЕЛЯ. Молодой дорожный инженер Огюстен Френель (1788-1827), присоединившийся волонтером к роялистским войскам , которые должны были преградить дорогу Наполеону во время его возвращения с острова Эльба , в период Ста дней был уволен со службы и вынужден был удалиться в Матье , близ Каэне , посвятил себя исследованию дифракции , имея в своем распоряжении лишь случайное и примитивное экс периментальное оборудование . Два мемуара , представленных им 15 октября 1815 г . Парижской Ак адемии наук , были первым результатом этих трудов . Френель был приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благопри ятных условиях. Френель начал исследовать тени , отбрасыв аемые небольшими препятствиями на пути лучей , и обнаружил образование полос не только снаружи , но и внутри тени , что до него уже наблюдал Гримальди и о чем умолчал Ньютон . Исследование тени , образуе мой тонкой проволокой , привело Френеля к в торичному откры т ию принципа интерфере нции . Его поразило , что , если край экрана был расположен вдоль одной стороны проволо ки , внутренние полосы исчезали . Итак , подумал он сразу , раз прерывание света от одног о из краев проволоки приводит к исчезнове нию внутренних полос , зн а чит для их образования необходимо совместное действи е лучей , приходящих с обеих сторон проволо ки. «Внутренние каемки не могут образовыватьс я от простого смешения этих лучей , потому что каждая сторона проволоки в отдельнос ти направляет тень только на непрер ыв ный поток света ; следовательно , каемки образую тся в результате перекрещивания этих лучей . Этот вывод , который представляет собой , так сказать , перевод явления на понятный язык , полностью противоречит гипотезе Ньютона и подтверждает теорию колебаний . Лег к о можно догадаться , что колебания двух луч ей , которые скрещиваются под очень малым у глом , могут действовать в противоположные сто роны в тех случаях , когда узлы одних в олн соответствуют пучностям других». В Париже Френель узнал об опытах Юнга с двумя отверс тиями , которые по его мнению , были вполне подходящими для иллюстрации волновой природы света . Тем не менее , для исключения всякой возможности истолкования этого явления как действия кр аев отверстий Френель придумал известный «опы т с двумя зеркалами» , о к о торо м он сообщает в 1816г ., а затем в 1819 г . «опыт с бипризмой» , ставший с тех пор классическим методом демонстрации принципа и нтерференции. Взяв на вооружение принцип интерференции , волновая теория располагала теперь тремя принципами : принципом элементар ных волн , принципом огибающей и принципом интерференции . Это были три отдельных принципа , которые Френель гениально решил слить воедино . Та ким образом , для Френеля огибающая волн не просто геометрическое понятие , как для Гю йгенса . В произвольной точке вол н ы полный эффект представляет собой алгебраичес кую сумму импульсов , создаваемых каждой элеме нтарной волной ; полная сумма всех этих имп ульсов , складывающихся согласно принципу интерфер енции , может быть , в частности равна нулю . Френель произвел такой расчет, хо тя и не вполне строгим способом , и при шел к выводу , что влияние сферической волн ы во внешней точке сводится к влиянию небольшого сегмента волны , центр которой на ходится на линии , соединяющей источник света с освещенной точкой ; остальная часть волн ы дает в сумме нулевой эффект в рассматриваемой точке. Тем самым было определено препятствие , стоявшее в течение веков на пути утвер ждения волновой теории – согласование прямол инейного распространения света с его волновым механизмом . Каждая точка вне волны получа ет свет лишь от очень небольшой е е области , прилегающей к точке , ближайшей к рассматриваемой ; все происходит так , как если бы свет распространялся по прямой ли нии от источника к освещенной точке . Дейст вительно , волны должны огибать препятствия , но это утв е рждение не следует п онимать грубо качественно , поскольку отклонение волны за препятствием зависит от длины волны . Зная длину волны , можно рассчитать , как и насколько отклонится свет за препят ствием . Рассматривая явление дифракции , Френель произвел такой р а счет , и его результаты прекрасно совпали с экспериментальн ыми данными. После нескольких лет перерыва в иссле дованиях Френель вновь излагает свою теорию в обширном мемуаре о дифракции , представл енном в 1818 г . на конкурс Парижской Академии наук . Этот мемуар рассматривался комисс ией , состоявшей из Лапласа , Био , Пуассона , А раго и Гей-Люссака . Трое первых были убежд енные ньютонианцы , Араго был настроен в по льзу Френеля , а Гей-Люссак , по существу , не был компетентен в рассматриваемом вопросе , но был известен св о ей честност ью . Пуассон заметил , что из теории Френеля можно вывести следствия , находящиеся как будто в явном противоречии со здравым смы слом , поскольку из расчета следует , что в центре геометрической тени непрозрачного дис ка надлежащих размеров должно наб л юдаться светлое пятно , а в центре конической проекции небольшого круглого отверсти я на определенном расстоянии легко вычисляемо м расстоянии должно наблюдаться темное пятно . Комиссия предложила Френелю доказать экспер иментально выводы из его теории , и Френ е ль блестяще это выполнил , доказав , что «здравый смысл» в этом случае ош ибается . После этого по единодушному предложе нию комиссии Академия наук присудила ему премию , а в 1823 г . он был избран ее чл еном. После установления теории дифракции Френе ль перешел к исследованию явления поляр изации . Корпускулярная теория вынужденная для интерпретации многочисленных явлений , открытых в первое пятнадцатилетие XIX века , вводить одну за другой различные гипотезы , совершенно необ основанные и порой противоречивые , к этому в ремени невообразимо усложнилась . В сво ем опыте с двумя зеркалами , расположенными под углом , Френель получил с помощью од ного источника света два мнимых источника , всегда строго когерентных . Он попытался так же видоизменить этот прибор , используя два луча , п олучающихся при двойном лу чепреломлении одного луча , и компенсируя надл ежащим образом разносить оптических путей обо их лучей . Однако ему никак не удавалось добиться интерференции этих поляризованных луч ей. Тот факт , что луч , поляризованный при отражении , о бладает двумя плоскостями симметрии , ортогональными друг другу и прох одящими через луч , мог натолкнуть на мысль о том , что колебания эфира происходят в этих плоскостях перпендикулярно направлению луча . Эта идея была высказана Френелю Ампером еще в 1815 г., но Френель не воспользовался ею . Юнгу , едва лишь он уз нал об опытах Френеля и Араго с поляр изованным светом , тоже пришла мысль о попе речных колебаниях , однако то ли из-за неув еренности , то ли благоразумия он говорил о б этом как о «воображаемом поперечном движении» , т.е . как о понятии чисто фантастическом , - столь бессмысленными с механичес кой точки зрения представлялись ученым того времени поперечные колебания эфира. После того как в течение многих л ет Френель пользовался языком теории продольн ых колебаний , в 1821 году он , не найдя другого пути интерпретации поляризованных явле ний , решился принять теорию поперечности коле баний . В том же году он пишет : «Лишь несколько месяцев тому назад , ра змышляя с большим вниманием по этому пово ду , я признал весьма вероят ным , что колебательные движения световых волн осуществл яются только в плоскости волн , как для простого , так и для поляризованного света… Я постараюсь показать , что гипотеза , кото рую я представляю , не содержит ничего физи чески невозможного и что она уже не может служить для объяснения осно вных свойств поляризованного света». То , что эта гипотеза может объяснить основные свойства поляризованного света , был о детально показано Френелем ; что же касае тся того , что в этой гипотезе нет ниче го физически невозможног о , - это уже со всем другое дело . Из поперечности колебаний следовало , что эфир , будучи тончайшим и невесомым флюидом , должен одновременно быть н аитвердейшим телом , тверже стали , ибо только твердые передают поперечные колебания . Эта гипотеза представлялась исключительно сме лой , почти безумной . Араго , физик явно не склонный к предрассудкам , тот самый Араго , который был другом , защитником Френеля во всех случаях , не нашел возможным разделит ь ответственность за эту странную гипотезу и отказался подписать предс т авленн ую Френелем статью. Таким образом , с 1821 г . Френель продолжал свой путь в одиночку , и это был п уть , полный побед . Гипотеза о поперечности колебаний позволила ему построить свою механ ическую модель света . Основой ее является эфир , заполняющий всю Все ленную и прон изывающий все тела , причем эти тела вызыва ют изменение механических характеристик эфира . Из-за этих изменений , когда упругая волна переходит из свободного эфира в эфир , с одержащийся в веществе , на поверхности раздел а часть волны поворачивает обратно , а часть проникает в вещество . Тем самым было дано механическое объяснение явления частичного отражения , остававшегося в течение нескольких веков тайной для физиков . Выв еденные Френелем формулы , носящие теперь его имя , сохранили свой вид до наших дней . Скорость распространения колебаний в среде зависит от длины волны , а при заданной длине волны тем меньше , чем более преломляющей является среда . Отсюда выт екают как следствие преломление света и е го дисперсия . В изотропных средах волны им еют сферич е скую форму с центром в точечном источнике излучения ; в анизотроп ных средах форма волны описывается , вообще говоря , поверхностью четвертого порядка . В т еории Френеля все сложнейшие явления поляриза ции интерпретируются в удивительном согласии с эксперимента л ьными данными и пр едстают как частные случаи общего закона сложения и разложения скоростей. 7. ЭЛЕКТРОМА ГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА. РАБОТЫ ФАРАДЕЯ И МАКСВЕЛЛА. То , что все физические явления предста вляют собой лишь различные проявления одной и той же сущност и , или идея « единства физических сил» , было основной филос офской предпосылкой физики прошлого века . Сис тематическое применение этого принципа мы пос тоянно находим в работах одного из самых проницательных исследователей всех времен – Майкла Фарадея (1791-1 8 67). Какова связь между электричеством и магнетизмом ? Можно ли превратить одно в другое ? Другие физики тоже ставили перед собо й эту проблему , которая соответствовала общей тенденции науки того времени , тяготевшей к унифицирующим теориям . Еще в 1812 г . Дом енико Морикили (1773-1836) и в 1826 г . Гюнтер К ристи ошибочно считали , что им удалось доб иться намагничивания под воздействием света . Но Фарадея убедили не опыты Морикини , кото рый продемонстрировал их специально в 1814 г . в Риме , когда Фарадей , сопровожда я Дэви , путешествовал по Италии . Большое влиян ие на него оказали идеи Джона Гершеля , который в отклонении магнитной стрелки под действием тока видел спиралевидную симметрию , аналогичную вращению плоскости поляризации светового луча при его прохождении чере з некоторые тела . Однако проведенные Фарадеем в 1834 г . и повторенные в 1838 г . опыты с целью обнаружения действия электри ческого поля на свет не дали желаемого результата . Оставив эти попытки электрооптическ их исследований , Фарадей в 1845 г . приступил к м а гнитооптическим опытам . После п ервых неудач , которые его , однако , не обеск уражили , он обнаружил новое явление . Параллеле пипед из тяжелого стекла (фингласа ) был по мещен между полюсами электромагнита и через него пропускался поляризованный луч света паралле л ьно силовым линиями поля . При возбуждении электромагнита плоскость поляр изации света поворачивалась. Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г . в девятнадцатой серии своих «Экспериментальных исследований по электричеству» , озаглавленной «Намагничива ние света и освещение магнитных силовых линий» . Еще до появления в печати этой статьи ее загл авие было многими раскритиковано , особенно из- за выражения «освещение магнитных силовых лин ий» . Поэтому уже в корректуре Фарадей доба вил примечание , чтобы пояснит ь и оправдать это выражение : «Я полагаю , что в опытах , описываемых мною в настоящей статье , свет испытал на магнитное действие , то есть что магн итному действию подвергалось то , что является магнитным в силах материи , а последнее в свою очередь воздействова ло на т о , что является подлинно магнитным в силе света» Иначе говоря , Фарадей считал , что в свете присутствует некий магнетизм . Эти сло ва тогда , в 1845 г ., казались физикам еще б олее непонятными , чем то выражение , которое они должны были пояснить , ибо по т еории Френеля , которая тогда глубоко у коренилась , свет не имел ничего общего с магнетизмом. Максвелл придерживался взглядов Фарадея о тносительно природы света. «В различных местах этого трактата , - п ишет Максвелл , приступая в ХХ главе четвер той части свое го «трактата о электрич естве и магнетизме» к изложению электромагнит ной теории света , - делалась попытка объяснения электромагнитных явлений при помощи механиче ского действия , передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды , занимающе й простра н ство между этими телами . Волновая теория света также допускает су ществование какой-то среды . Мы должны теперь показать , что свойства электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды… Мы можем получить численное значение некоторых свойств с реды , таких , как ск орость , с которой возмущение распространяется через нее , которая может быть вычислена и з электромагнитных опытов , а также наблюдена непосредственно в случае света . Если бы было найдено , что скорость распространения электромагнитных возм у щений такова же , как и скорость света , не только в воздухе , но и в других прозрачных ср едах , мы получили бы серьезное основание д ля того , чтобы считать свет электромагнитным явлением , и тогда сочетание оптической и электромагнитной очевидности даст такое ж е доказательство реальности среды , какое мы получаем в случае других форм материи на основании совокупности свидетельс тв наших органов чувств». Максвелл исходит из своих уравнений и после ряда преобразований приходит к выв оду , что в пустоте поперечные токи с мещения распространяются с той же скоростью , что и свет , что и «представляет собой подтверждение электромагнитной теории света» , - уверенно заявляет Максвелл . Затем Максвелл изучает более детально свойства электромагнитн ых возмущений и приходит к вывод а м , сегодня уже хорошо известным : колеб лющийся электрический заряд создает переменное электрическое поле , неразрывно связанное с переменным магнитным полем . Уравнения Максвелла позволяют проследить изменения поля во вре мени в любой точке пространства возни к ают электрические и магнитные колебания , т.е . интенсивность электрического и магнитног о полей периодически изменяется ; эти поля неотделимы друг от друга и поляризованы взаимно перпендикулярно . Эти колебания распростра няются в пространстве с определенной с коростью и образуют поперечную электромаг нитную волну : электрические и магнитные колеб ания в каждой точке происходят перпендикулярн о направлению распространения волны. 8. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА. В 1884 г . Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистент Ге льмгольца , приступил к изучению теории Максвелла . В 1887 г . он повт орил опыты Гельмгольца с двумя индукционными катушками . После нескольких попыток ему у далось поставить свои классические опыты , хор ошо известные сейчас . С помощью «генератора» и «резонатор а » Герц эксперимента льно доказал (способом , который сегодня описыв ают во всех учебниках ), что колебательный разряд вызывает в пространстве волны , состоящ ие из двух колебаний – электрического и магнитного , поляризованных перпендикулярно друг другу . Герц уст а новил также о тражение преломление и интерференцию этих вол н , показав , что все опыты полностью объясн имы теорией Максвелла. По пути , открытому Герцем , устремились многие экспериментаторы , но им не удалось многого прибавить у уяснению сходства светов ых и эле ктрических волны , которую брал Герц (около 66 см .), они наталкивались на явления дифракции , затемнявшие все другие э ффекты . Чтобы избежать этого , нужны были у становки таких больших размеров , которые прак тически в те времена были нереализуемы . Бо льшой шаг вперед сделал Аугусто Ри ги (1850-1920), которому с помощью созданного им но вого типа генератора удалось возбудить волны длиной несколько сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см .). Таким образом , Риги удалось воспроизвести все опт ически е явления с помощью приспособ лений , которые в основном являются аналогами соответствующих оптических приборов . В частн ости , Риги первому удалось получить двойное преломление электромагнитных волн . Работы Риги начатые в 1893 г . и время от времени описывавши е ся им в заметках и статьях , публиковавшихся в научных журналах , были затем объединены и дополнены в те перь уже ставшей классической книге «Оптика электрических колебаний» , вышедшей в 1897 г ., одно лишь название которой выражает содержани е целой эпохи в ис т ории физик и. В 1891 г . русский ученый П.Н . Лебедев н ачал работать в Московском университете в должности лаборанта . Но у Петра Николаевича был уже большой план научной работы. Основные физические идеи этого плана были напечатаны П.Н . Лебедевым в Москве , в н ебольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел» . Начиналась она словами : «Максвелл показал , что световой или тепловой луч , падая на поглощающее тело , производит на него давление в направлени и падения…» Исследование светового давления с тало делом всей , к сожалению корот кой , жизни П.Н . Лебедева : последняя незаконченна я работа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлению света. Из теории Максвелла следовало , что све товое давление на тело равно плотности эн ергии электромагнитного поля . (При полном отражении давление будет в два раза бо льше .) Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность . Во-первых , дав ление очень мало и нужен чрезвычайно тонк ий эксперимент для его обнаружения , не гов оря уже о его изме р ении . И Лебедев создает свою знаменитую установку – систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе . Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью . Во-вторых , серьезной помехой был радиометрическ ий эффект : при падении света на тело ( тонкие диски в опытах Лебедева ), оно нагревается . Температура освещенной сторон ы будет больше , чем температура теневой . В озникает дополнительная отдача , направленная в ту же сторону , что и световое давление , но во много раз превосходящая его . Кр оме того , п ри наличии разности т емператур возникаю конвекционные потоки газа . Все это надо было устранить . П.Н . Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего э кспериментатора преодолевает эти трудности . Плати новые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0 ,01 мм , что приводило к быстром у выравниванию температуры обеих сторон . Вся установка была помещена в наивысший дост ижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт . ст .). П.Н . Лебедев сумел сделать это очень остроумно . В стеклянном баллоне , где находилась у становка , Лебедев помещ ал каплю ртути и слегка подогревал ее . Ртутные пары вытесняли воздух , откачиваемый насосом . А после этого температура в ба ллоне понижалась и давление оставшихся ртутны х паров резко уменьшалось (ртутные пары , к ак говорят , замораживал и сь ). Кропотливый труд увенчался успехом . Предв арительное сообщение о давление света было сделано Лебедевым в 1899 г ., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г . в Париже на Всемирном конгрессе физиков , а в 1901 г . в немецком журнале «Анналы физики» была напечатана его работа «Опытное исследо вание светового давления» . Работа получила вы сочайшую оценку ученых и стала новым , блес тящим экспериментальным подтверждением теории Ма ксвелла . В . Томсон , например , узнав о резуль татах опытов Лебедева , в беседе с К.А, Тимирязевым сказал : «Вы , может быт ь , знаете , что я всю жизнь воевал с Максвеллом , не признавая светового давления , и вот ваш Лебедев заставил меня сдатьс я перед его опытами» . Ф . Пашен писал Ле бедеву : «Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений ф и зики за последние годы». К впечатляющим словам этих физиков мо жно добавить еще то , что доказательство су ществования светового давления имело огромное философское и мировоззренческое значение . Ведь из факта существования давления электромагни тных волн следо вал очень важный вывод о том , что они обладают механическим импульсом , а значит , и массой . Итак , электро магнитное поле обладает импульсом и массой , т.е . оно материально , значит , материя существ ует не только в форме вещества , но и в форме поля. 9. ПОЛЯРИЗ АЦИЯ. В свободно распространяющихся электромагнитных волнах происходят как электри ческие , так и магнитные колебания . Колебания всегда направлены строго перпендикулярно лучу , указывающему направление распространения волны . В свою очередь векторы электричес ког о и магнитного полей перпендикулярны друг другу . Таким образом , электромагнитные волны являются волнами поперечными . Во всех случа ях первоначальное направление колебаний сохраняе тся неизменным для всего цуга волн . Образн о выражаясь , электрическая компо н ента волны как бы «прибита» к стенке , кото рая перемещается в пространстве параллельно с амой себе со скоростью света . Ввиду наличи я строго определенного и неизменного направле ния колебаний такие волны называют линейно поляризованными . Однако говорить о пол я ризации имеет смысл лишь в случае поперечных волн . Например , в воздушных звуко вых волнах , где частицы движутся лишь вдол ь направления распространения , возможно лишь одно-единственное направление колебаний. Сегодня ясен механизм возникновения попер ечных вол н и связанное с ним явле ние поляризации , но раньше все это предста вляло очень серьезную проблему . Особенно долг о ученые ломали голову над явлением поляр изации света , и только открытия Максвелла и Герца дали ему соответствующее объяснение . Причина заложена в природе любог о реального источника света . Начиная с Сол нца и заканчивая современными ртутными лампам и высокого давления , все без исключения ис точники света содержат бесчисленное множество совершенно беспорядочно колеблющихся друг отно сительно друга атом о в . Согласно из ложенной выше теории , свет , излучаемый каждым отдельным атомом , строго поляризован . Однако в целом направления векторов поляризации света от всех атомов определяется чисто случайными причинами и потому не имеют выделенной ориентации в простр а нстве . В плоскости , перпендикулярной лучу , они о бразуют друг с другом всевозможные углы . Т аким образом , луч можно уподобить нити , со стоящей из множества свитых волнистых волокон . Если мы хотим поляризовать световой л уч , мы должны внести порядок в этот ха о с . Для нити с этой целью можно было бы использовать гребень ; для доказател ьства наличия поляризации исследуемых им вол н Генрих Герц использовал решетку из пара ллельных проволочек . Если , как это теперь общепринято , под направлением поляризации понимат ь на п равление колебаний именно эл ектрического вектора волны , то волна лишь тогда пройдет сквозь решетку , если колебания происходят перпендикулярно проволочкам ; в пр отивном случае волна отразится. В настоящее время для исследования св ета применяется преимуществе нно поляризованн ые фильтры . По строению составляющих их мо лекул они принадлежат к группе так называ емых веществ с двойным лучепреломлением (к их числу относятся , например , естественные к ристаллы исландского шпата , кварца и др .). п ринцип действия этих филь т ров осн ован на том , что произвольно ориентированный вектор колебаний в световой волне можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты . В двоякопреломляющем кристалле кажд ая из двух взаимно перпендикулярных компонент имеет свой показатель прелом л ени я , а следовательно , и свою скорость распро странения . В некоторых веществах (в частности , в уже упоминавшихся фильтрах ) одна из компонент полностью поглощается и пропускается лишь вторая , которая оказывается таким об разом поляризованной в строго определ е нном направлении. При входе в кристалл оба компоненты находятся в одинаковой фазе , однако по мере продвижения по кристаллу они все бол ее сдвигаются относительно друг друга . Выйдя с противоположной стороны кристалла , волны снова приобретают прежнюю дину , со ответ ствующую воздуху , однако возникший сдвиг фаз сохраняется . Таким образом , совершенно незаме тно для человеческого глаза свет внутри к ристалла существенно изменяется. В любой точке луча две взаимно пе рпендикулярные компоненты дают результирующую . Несмот ря на такое серьезное отлич ие от обычного света , циркулярно поляризованн ый свет при прохождении через кристалл не обнаруживает никаких особенностей . Вектор эл ектрической напряженности вращается с частотой света , то есть с такой скоростью , что заметить это вращение простым глазо м невозможно. 10. КВ АНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. Несмотря на блестящие успехи электродинам ики Максвелла - Герца , в конце прошлого сто летия оставалась неразрешенной еще одна пробл ема . Речь идет об излучении , испускаемом н агретым телом , - мы можем наблюдать его , например находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа не останавливаясь на частностях , связанных со свойствами мате риалов , рассмотрим тепловое излучение черного тела . Под этим термином понимают тело , пол ностью поглощающе е все длины волн падающего на него излучения . Однако черное тело обладает также способностью к самос тоятельному излучению . Как и любое другое тело (и даже в большей степени ), оно ис пускает в окружающее пространство непрерывный спектр волн , определяемый тем п ерату рой тела . Абсолютно черное тело обладает т акже наибольшей по сравнению со всеми дру гими телами излучательной способностью. Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от его температуры . Однако , не останавливаясь на этом , мы по ставим сл едующий вопрос : каким образом при данной температуре распределяется интенсив ность излучения черного тела между волнами различной длины ? Это можно исследовать с помощью спектрального прибора , который разлагае т излучение на отдельные линии . Излучение в кажд о й узкой области спектра направляют на чувствительный приемник и из меряют его интенсивность . Оказывается , что каж дая область длин волн характеризуется определ енной интенсивностью , причем для каждой темпе ратуры наблюдается свое особое распределение . Графиче с ки оно выглядит как коло колообразная асимметричная кривая и напоминает картину распределения молекул газа по скор остям . Сходство между кривыми столь велико , что следует ожидать аналогии и в форму лах , описывающих эти кривые. К этой мысли пришли два английск их ученых – Джон В . Рэлей (1842-1919) и Джеймс Джинс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубич еской формы с «зеркальными» внутренними стенк ами , в который через отверстие впускается небольшое количество лучистой энергии любой д лины волны . Внутри ящика это из л учение начинает «метаться» , отражаясь то от одной стенки ; при этом возникают с тоячие электромагнитные волны . С помощью допо лнительного «хитрого трюка» подобный мысленный эксперимент можно сделать очень интересным , если поместить в ящик Джинса небольшой ку с очек угля , который практически является абсолютно черным телом и поэтому жадно поглощает падающее на него излучен ие , а затем , нагреваясь , излучает сам . Излуч ение этого уголька состоит из волн различ ной длины ; в конце концов устанавливается равновесие межд у волнами , допустимыми в кубическом ящике , и излучением черного тела , моделируемого кусочком угля. Какие же длины волн могут «существова ть» в ящике ? Какую энергию они несут ? Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию , приходящуюся на определенный интервал час тот , они получили неожиданный резуль тат : плотность энергии излучения полости долж на возрастать пропорционально квадрату частоты . Но в этом случае заключенная в ящике Джинса энергия должна была бы почти по лностью сосредоточиться в коротковолновой части спе к тра . Тогда любая комнатная печь , которая с физической точки зрения достаточно точно моделируется ящиком Джинса , была бы накопителем смертоносного коротковолно вого излучения . Мимолетного взгляда в приоткр ытую дверцу печи было бы достаточно , чтобы излишне л ю бознательный отправился бы к праотцам : он попал бы под дейс твие опасных для жизини ультрафиолетовых , рен тгеновских и г - лучей . Разумеется , подобный этому вывод резко противоречит всему жизненному опыту . Он и по сей день носит название «ультрафиолетовой кат астрофы» и служит напоминанием о фиаско , которое потерпела наука , признававшаяся всеми физиками того вре мени совершенно непоколебимой. Но вот положение изменилось : это произ ошло после того достопамятного дня 14 декабря 1900 г ., когда Макс Планк выступил на собрании Немецкого общества выдвинул совершенно новую идею . Он рассматривал внутренние ст енки излучающей полости как содержащие бесчис ленное множество крошечных «осцилляторов» , которы е действуют как источники излучения . Однако в отличие , например , от кол е блющ егося маятника , который может иметь любые возможные значения энергии , подобный элементарный осциллятор может обладать лишь энергией , строго равной целому числу квантов ; если число квантов энергии равно нулю , осциллятор покоится. Каждый квант представл яет собой , т аким образом , как бы элементарный пакет , д ающий строго определенный вклад в энергию. Энергия квантов излучения , введенных План ком , зависит только от одной величины – частоты осциллятора (точнее , частоты испускае мого им излучения ). Вычислить ее можно по простой формуле E=hf Где под h п онимается введенная Планком постоянная (квант действия ), равная h =6,626 х 10^-34 Вт х с ^2. Постоянная План ка относится к числу фундаментальных физическ их констант . На основе своей гипотезы План ку удалось вынести искомую функцию расп ределения , столь долго «не дававшуюся в ру ки» . Если , согласно закону Рэлея – Джинса , интенсивность излучения с ростом частоты неограниченно возрастает , то кривая , полученная Планком по достижении максимума , загибается вниз , принимая , т а ким образом , колоколообразную форму , точно совпадающую с э кспериментальной кривой. Если бы усп ех новой идеи сводился только к этому , вряд ли стоило бы придавать ей особое значение . Она была бы гипотезой , предложе нной только для объяснения одного явления . Н о гипотеза квантов все же привела к единственно правильному решению очень важной проблемы и сразу попала в «горячую точку» дискуссий . Однако никто уже не удивился , когда на смену этой идеи приш ла новая , более общая. Для окончательного решения проблемы необ ходимо было получить прямое доказательств о существования квантов и установить численно е значение постоянной Планка другими методами . В 1905 г . Эйнштейн опубликовал свои три знаменитые работы ; одна из них относилась к внешнему фотоэлектрическому эффекту (к р атко – фотоэффект ) – явлению , которо е ему удалось убедительно объяснить на ос нове гипотезы квантов. Работа , необходимая для удаления электрон а из атома калия , без труда определяется из экспериментов другого типа ; она равна 2,24 эВ , или 3,6 х 10^19 Вт х с . однако на поперечное сечение атома приходятся ежесек ундно всего лишь две миллионных необходимой энергии ! Для того чтобы приобрести достат очную энергию , атом должен был бы накаплив ать ее в течение полумиллиона секунд . Таки м образом , должно миновать шесть д н ей , прежде чем фотоэлемент «выдаст» пе рвые электроны , и весьма сомнительно , чтобы при таких условиях вообще удалось открыть фотоэффект. Как же объяснить , что в действительнос ти фотоэффект наблюдается спустя не более 10^-7с после действия облучения ? Если че ловек зарабатывает 200 марок в месяц и в один прекрасный день выкладывает на прилавок 8000 марок на покупку автомашины , то здесь все более или менее ясно . Он мог копить эту сумму в течение долгих ме сяцев или одолжить ее у щедрого дядюшки . Обе возможности н е так просто вообразить себе , если речь идет об атом ах . Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том , что волновая теория в этом случа е «отказывает» . Ее следует заменить квантовой теорией . Энергия излучения распространяется не непрерывным потоком , а отдельн ы ми дискретными порциями . Подобно каплям града , бомбардируют они атом калия . Если такая частица попадает точно в атом и если она обладает достаточной энергией , то из атома выбивается электрон . Энергию такой частицы легко подсчитать с помощью соотношени я E = hf . Для зеленого света с длиной волны 540 нм Е = 3,68 х 10^19 Вт х с , или 2 эВ . Остается даже небольшой избыток энергии , который эми ттированный электрон уносит с собой в вид е кинетической энергии. Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объ яснения характерного для абсолютного черного тела распределения излучения . Он был достаточно осторожен и не стремился распространить ее на другие явления. 11. ФОТОНЫ Именно Эйнштейн впервые высказал мысль о том , что световое излучение всегда имеет кв антовую структуру ; он впервые применил термин фотоны . На съезде физиков в 1909 г . Эйнштейн выразил существо своей тео рии в следующих словах : «И все же пока мне представляется естественным , что электро магнитные поля света так же возникают в отдельных точка х пространства , как и электростатические поля , согласно электронной теории . Не исключено , что в подобной т еории полная энергия электромагнитного поля м ожет рассматриваться как всецело локализованная в этих дискретных точках». Как показывает уравнение E = hf , существуют не фотоны вообще , а высоко - и низкоэне ргетические фотоны – соответственно частоте света . И только одно невозможно : существование половины (или какой-либо другой дробной ч асти ) фотона . Каждый фотон представляет собой единое и неделимое целое . Ст а новится понятным еще одно явление , необъясним ое на основе волновой теории . Если частота излучения меньше определенного порогового зн ачения , энергия фотона оказывается недостаточной для ионизации атома . Произойдет фотоэффект или нет , зависит лишь от частот ы отельного фотона , но совершенно не зависит от числа световых квантов. Кванты света относятся к бозонам (подч иняются статистике Бозе ); отличительной чертой этой группы частиц являются целочисленные значения их спина , он равен ± 1 (h/2 р ). Это свойство приве ло Ферми к мысли , что статисти ка Бозе не распространяется на электронный газ. Наш глаз не в состоянии заметить ни малейшего признака какой-либо выделенной о риентации спина (или поляризации ) в естественн ом свете. Если в обычном свете все спины ор иентированы хаотически , то в циркулярно поляризованном свете они имеют некоторое выде ленное направление . Пусть такой циркулярно по ляризованный свет падает на атом металла , тогда происходит тот же самый фотоэлектрическ ий эффект . Это означает , что спин кванта никак не связан с его энергией . Что же происходит со спином , когда кв ант света исчезает ? На этот вопрос нетрудн о ответить : согласно закону сохранения момент а импульса , орбитальный момент импульса эмитт ируемого электрона изменяется на h/2 р ( например , электрон п ерех одит из состояния 2s в состояние 2p. П ри этом , по-видимому , спин эмиттируемого электр она не изменяется. Однако необходимо учитывать , что орбиталь ный момент импульса и спин атомных электр онов связаны друг с другом . Взаимодействие со спином поляризованного кванта света приводит к важному результату : большая част ь эмиттируемых электронов имеет преобладающую ориентацию спина вправо или влево в за висимости от длины волны света . Этот эффек т был предсказан в 1969 г . итальянским физико м Фано , а годом позднее он п олучил экспериментальное подтверждение. Циркулярно поляризованный свет падает на пары атомов цезия , на которых происходит фотоэффект . Эмиттированные электроны выводятся в одну сторону и ускоряются напряжением в 120 кВ . затем они попадают на анализатор из т онкой золотой фольги , где пуч ок электронов расщепляется на два пучка , к оторые в зависимости от своей поляризации расходятся в разные стороны . В благоприятно м случае поляризация может достигать 100 %; это означает , что таким способом можно получить пучок э л ектронов с одной ори ентацией спина. 14. ЗАКЛЮЧЕНИ Е. Ранее неизменно считали , что как свет , так и весь остальной спектр излучения представляют собой электромагнитные волны . Однако оказыва ется , что электромагнитное излучение с равным успехом можно трактов ать в терминах фотонов , то есть дискретных неделимых час тиц и в ряде случаев излучение выступает только в такой форме . На примере одно го и того же луча света можно без труда последовательно продемонстрировать оба ука занных проявления . Но тогда с необходим о стью возникает довольно острый в опрос : не является ли одна из теорий – волновая или корпускулярная – ложной ? Существует ли компромисс между этими двумя теориями ? Может быть , одна из них устаре ла , тогда как другая является более соврем енной ? Если принимать факты , как он и есть , то нам следует говорить о дуал изме света . К сожалению , это общеупотребительн ое выражение ничего не проясняет , и как тут не вспомнить саркастическое замечание Мефистофеля : «Слове чко громкое всегда из затрудненья нас выводит !» первоп рич ина указанной дилеммы уходит корнями далеко вглубь ; она лежит не в самом физическом объекте , но в традиционном спосо бе нашего мышления . В процессе жизни у нас складывается прочная система представлений , например о свойствах твердых тел и ж идкостей , о хара к тере волнового дв ижения и т.п . Короче говоря , все наше м ышление , формируясь под влиянием внешней сред ы , постепенно складывается в картину мира , называемую «классической» . И человеку нелегко отойти от этой картины . Как говорил Пес талоцци , наблюдение – это ф ундамент познания , и потому по сей день нагляд ность является одним из ведущих принципов педагогики и лучшим способом познания зако нов физики. Однако оказывается , что представления , раз витые на основе чувственного восприятия мира , неприменимы в области микр офизики , и бо теперь предстоит иметь дело с объектам и и процессами , которые принципиально невозмо жно ни увидеть , ни ощутить . Сведения о них мы получаем лишь косвенно , с помощью специальной аппаратуры . С некоторыми из н аших приборов они взаимодействуют так, как будто они волны , с другими – подобно частицам . Это , однако , не означает , что указанные объекты являются волнами и ли частицами . Вообще объектам , не имеющим наглядных моделей , не следует приписывать как их-либо свойств на несоответствующем им языке нагл я дности , которая не принадлеж ит к числу необходимых характерных свойств объектов. Все эти мысли постоянно встречаются в работах ведущих физиков и философов . Их можно резюмировать примерно следующими слова ми : в настоящее время новые теории возника ют уже не т олько на основе систем атизации наглядных наблюдений . Современные матема тические понятия , философские выводы , аналогии и т.п . могут давать начало плодотворным гипотезам . Теоретические выводы из этих гипот ез допускают проверку экспериментом. Поскольку с помо щью измерительного прибора человек воздействует на объект , вза имосвязь теории и объекта ее изучения опи сывается с помощью гипотез , моделей и анал огий . И здесь сразу обнаруживается , как сл ожны структуры объектов и взаимоотношения меж ду ними. Сколь привлекат ельной ни казалась бы нам привычная наглядность предметов в окружающей нас природе , теперь нам придется отказаться от нее . Понятия и представлени я , вынесенные нами из мира , воспринимаемого чувствами , оказываются недостаточными , и их можно употреблять лишь с соответствую щими оговорками . Это может разочаровать нас , так как именно свету мы во многом обязаны нашим физическим знанием . Но , положа руку на сердце , кому удавалось увидеть луч света со стороны ? Речь идет не о пыльной комнате , в которой путь луча об оз н ачен рассеянием света на бесчи сленных крошечных пылинках , а об абсолютном вакууме ! Там мы не в состоянии увидеть ни малейшего следа света . Только тогда , когда луч падает на сетчатку глаза , мы воспринимаем его действие . При этом проис ходит чисто квантомех а нический процес с , а именно прямое взаимодействие обладающего энергией фотона со сложной молекулой зри тельного пигмента . Это процесс можно сравнить с процессом , происходящим в фотоэлементе. Итак , в конечном итоге мы приходим к следующему : свет является реал ьным физическим объектом , который не сводится ни к волне , ни к частице в обычном с мысле . Эти понятия дают лишь приближенный способ описания объектов с более общими с войствами , которые для удобства называют кван тами . Все физики сходятся сейчас на том , что в олны и частицы представляют собой лишь две формы , в которых прояв ляется одна и та же физическая сущность. 14. СПИСОК ИСПОЛЬ ЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Данин Д . Неизбежность странного мира , М ., изд-во «мо лодая гвардия» , 1996 2. Ландсберг Г.С . Элементарны й учебник физики в 3 т омах , М ., изд-во «Наука» , 1971 – 1975. 3. Орир Дж ., Популярная физика , М ., изд-во «Мир» , 1969 4. Линдер Г ., Картины современной физики , М , изд-во «Ми р» , 1977 5. Льоцци Марио ., История физики , М ., изд-во «Мир» , 1970.
© Рефератбанк, 2002 - 2018