Хвильові і корпускулярні властивості світла

Зміст

Зміст. 1
Введення. 2
1. Хвильові властивості світла. 3
1.1 Дисперсія. 3
1.2 Інтерференція. 5
1.3 Дифракція. Досвід Юнга. 6
1.4 Поляризація. 8
2. Квантові властивості світла. 9
2.1 Фотоефект. 9
2.2 Ефект Комптона. 10
Висновок. 11
Список використаної літератури .. 11

Введення

Перші уявлення давніх учених про те, що таке світло, були досить наївні. Існувало кілька точок зору. Одні вважали, що з очей виходять особливі тонкі щупальця і ​​зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Ця точка зору мала велике число послідовників, серед яких був Евклід, Птолемей і багато інших вчених і філософи. Інші, навпаки, вважали, що проміння випускається світиться тілом і, досягаючи людського ока, несуть на собі відбиток світиться предмета. Такої точки зору дотримувалися Лукрецій, Демокріт.
У цей же час Евклід був сформульований закон прямолінійного поширення світла. Він писав: "Генеровані очима промені поширюються по прямій колії".
Однак пізніше, вже в середні століття, таке уявлення про природу світла втрачає своє значення. Все менше стає вчених, котрі слідують цим поглядам. І до початку XVII ст. ці точки зору можна вважати вже забутими.
У 17 столітті майже одночасно виникли і почали розвиватися дві зовсім різні теорії про те, що таке світло і яка його природа.
Одна з цих теорій пов'язана з ім'ям Ньютона, а інша - з ім'ям Гюйгенса.
Ньютон дотримувався так званої корпускулярної теорії світла, згідно якої світло - це потік частинок, що йдуть від джерела в усі боки (перенесення речовини).
Згідно ж уявленням Гюйгенса, світло - це потік хвиль, що розповсюджуються в особливій, гіпотетичної середовищі - ефірі, що заповнює весь простір і проникає всередину всіх тіл.
Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Лише авторитет Ньютона змушував більшість вчених віддавати перевагу нової теорії. Відомі в той час з досвіду закони поширення світла більш-менш успішно пояснювались обома теоріями.
На основі корпускулярної теорії було важко пояснити, чому світлові пучки, перетинаючись у просторі, ніяк не діють один на одного. Адже світлові частинки повинні стикатися і розсіюватися.
Хвильова ж теорія це легко пояснювала. Хвилі, наприклад на поверхні води, вільно проходять один крізь одного, не надаючи взаємного впливу.
Однак прямолінійне поширення світла, що приводить до утворення за предметами різких тіней, важко пояснити, виходячи з хвильової теорії. При корпускулярної ж теорії прямолінійне поширення світла є просто наслідком закону інерції.
Таке невизначене становище щодо природи світла зберігалося до початку XIX століття, коли були відкриті явища дифракції світла (огибания світлом перешкод) і інтерференція світла (посилення або ослаблення освітленості при накладенні світлових пучків один на одного). Ці явища властиво виключно хвильовому руху. Пояснити їх за допомогою нової теорії не можна. Тому здавалося, що хвильова теорія здобула остаточну і повну перемогу.
Така впевненість особливо зміцніла, коли Максвелл у другій половині XIX століття показав, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль. Роботами Максвелла були закладені основи електромагнітної теорії світла.
Після експериментального виявлення електромагнітних хвиль Герцем ніяких сумнівів в тому, що при поширенні світло поводиться як хвиля, не залишилося.
Проте в нале XIX століття уявлення про природу світла почали докорінно змінюватися. Несподівано з'ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все-таки має відношення до дійсності.
При випромінюванні і поглинанні світло поводиться подібно до потоку частинок.
Були виявлені переривчасті, або, як кажуть, квантові, властивості світла. Виникла незвичайна ситуація: явища інтерференції і дифракції, як і раніше можна пояснити, вважаючи світло хвилею, а явища випромінювання і поглинання - вважаючи світло потоком частинок. Ці два, здавалося б, несумісних один з одним уявлення про природу світла в 30-х роках XX століття вдалося несуперечливим чином об'єднати в новій видатної фізичної теорії - квантової електродинаміки.

1. Хвильові властивості світла

1.1 Дисперсія
Займаючись удосконаленням телескопів, Ньютон звернув увагу на те що, що зображення, що дається об'єктивом, по краях пофарбовано. Він зацікавився цим і перший «досліджував різноманітність світлових променів і пов'язані з нею особливості квітів, яких до того ніхто навіть не» (слова з напису на могилі Ньютона) Основний досвід Ньютона був геніально простий. Ньютон догадався направити на призму світловий пучок малого поперечного перерізу. Пучок сонячного світла проходив у затемнену кімнату через маленький отвір у віконниці. Падаючи на скляну призму, він переломлювався і давав на протилежній стіні подовжене зображення з райдужним чергуванням квітів. Дотримуючись багатовікової традиції, згідно з якою веселка вважалася складається із семи основних кольорів, Ньютон також виділив сім кольорів: фіолетовий, синій, блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий і червоний. Саму райдужну смужку Ньютон назвав спектром.
Закриваючи отвір червоним склом, Ньютон спостерігав на стіні тільки червона пляма, закриваючи синім-синє і т.д. Звідси випливало, що не призма забарвлює білий світ, як передбачалося раніше. Призма не змінює кольору, а лише розкладає його на складові частини. Біле світло має складну структуру. З нього можна виділити пучки різних квітів, і лише спільне їх дія викликає в нас враження білого кольору. У самому справі, якщо за допомогою другої призми, поверненої на 180 градусів відносно першої. Зібрати всі пучки спектра, то знову вийде біле світло. Виділивши ж яку-небудь частину спектра, наприклад зелену, і змусивши світло пройти ще через одну призму, ми вже не отримаємо подальшої зміни забарвлення.
Інший важливий висновок, якого дійшов Ньютон, був сформульований їм у трактаті по «Оптиці» наступним чином: «Світлові пучки, що відрізняються за кольором, відрізняються за ступенем преломляемости» Найбільш сильно переломлюються фіолетові промені, менше за інших - червоні. Залежність показника заломлення світла від його кольору носить назву дисперсії (від латинського слова Dispergo-розкидаю).
Надалі Ньютон удосконалив свої спостереження спектра, щоб отримати більш чисті кольори. Адже круглі кольорові плями світлового пучка, що пройшов через призму, частково перекривали один одного. Замість круглого отвору використовувалася вузька щілина (А), освітлена яскравим джерелом. За щілиною розташовувалася лінза (B), яка дає на екрані (D) зображення у вигляді вузької білої смужки. Якщо на шляху променів помістити призму (C), то зображення щілини розтягнеться в спектр, забарвлену смужку, переходи кольорів, в якій від червоного до фіолетового подібні піднаглядним у веселці. Досвід Ньютона зображений на рис.1
SHAPE \ * MERGEFORMAT

А

B

C

D

Рис.1
Якщо прикрити щілину кольоровим склом, тобто якщо направляти на призму замість білого світла кольоровий, зображення щілини зведеться до кольорового прямокутника, має в своєму розпорядженні на відповідному місці спектра, тобто в залежності від кольору світло буде відхилятися на різні кути від початкового зображення. Описане спостереження показує, що промені різного кольору різному переломлюються призмою.
Це важливий висновок Ньютон перевірив багатьма дослідами. Найважливіший з них полягав у визначенні та показника заломлення променів різного кольору, виділених із спектру. Для цієї мети в екрані, на якому виходить спектр, прорізалося отвір; переміщаючи екран, можна було випустити через отвір вузький пучок променів того чи іншого кольору. Такий спосіб виділення однорідних променів більш досконалий, ніж виділення за допомогою кольорового скла. Досліди виявили, що такий виділений пучок, заломлюючись у другій призмі, вже не розтягує смужку. Такому пучку відповідає певний показник заломлення, значення якого залежить від кольору виділеного пучка.
Таким чином, в основних дослідах Ньютона полягали дві важливі відкриття:
1.Свет різного кольору характеризується різними показниками заломлення в даному речовині (дисперсія).
2. Білий колір є сукупність простих квітів.
Знаючи, що біле світло має складну структуру, можна пояснити дивовижне розмаїття барв у природі. Якщо предмет, наприклад, лист паперу, відображає всі падаючі на нього промені різних кольорів, то він буде здаватися білим. Покриваючи папір шаром фарби, ми не створюємо при цьому світла нового кольору, але затримуємо на аркуші деяку частину наявного. Відбиватися тепер будуть лише червоні промені, решта поглинеться шаром фарби. Трава і листя дерев здаються нам зеленими тому, що з усіх падаючих на них сонячних променів вони відбивають лише зелені, поглинаючи інші. Якщо подивитися на траву через червоне скло, що пропускає лише червоні промені, то вона буде здаватися майже чорної.
Ми знаємо в даний час, що різним квітам відповідають різні довжини світлових хвиль. Тому перше відкриття Ньютона можна сформулювати наступним чином: показник заломлення речовини залежить від довжини світлової хвилі. Зазвичай він збільшується в міру зменшення довжини хвилі.
1.2 Інтерференція
Інтерференцію світла спостерігали дуже давно, але тільки не віддавали собі в цьому звіт. Багато хто бачив інтерференційну картину, коли в дитинстві розважалися пускання мильних бульбашок або спостерігали за райдужним переливом кольорів тонкої плівки гасу на поверхні води. Саме інтерференція світла робить мильний міхур настільки гідним захоплення.
Англійський вчений Томас Юнг першим прийшов до геніальної думки про можливість пояснення кольорів тонких плівок складанням двох хвиль, одна з яких (А) відбивається від зовнішньої поверхні плівки, а друга (В) - від внутрішньої (рис.2)

У

А

Рис.2
При цьому відбувається інтерференція світлових хвиль - складання двох хвиль, внаслідок якого спостерігається посилення або ослаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору. Результат інтерференції (посилення або ослаблення результуючих коливань) залежить від товщини плівки і довжини хвилі. Посилення світла відбудеться в тому випадку, якщо переломлена хвиля 2 (що відбивається від внутрішньої поверхні плівки) відстане від хвилі 1 (відбивається від зовнішньої поверхні плівки) на ціле число довжин хвиль. Якщо ж друга хвиля відстане від першої на половину довжини хвилі або на непарне число півхвиль, то відбудеться послаблення світла.
Для того щоб при додаванні хвиль утворилася стійка інтерференційна картина, хвилі повинні бути когерентними, тобто повинні мати однакову довжини хвилі і постійну різницю фаз. Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої і внутрішньої поверхні плівки, забезпечується тим, що обидві вони є частинами одного світлового пучка. Хвилі ж, випущені двома звичайними незалежними джерелами, не дають інтерференційної картини з-за того, що різниця фаз двох хвиль від таких джерел не постійна.
Юнг також зрозумів, що різниця в кольорі пов'язано з відмінностями в довжині хвилі (або частоті світлових хвиль). Світловим потокам різного кольору відповідають хвилі різної довжини. Для взаємного посилення хвиль, відрізняються один від одного довжиною, потрібно різна товщина плівки. Отже, якщо плівка має неоднакову товщину, то при висвітленні її білим світлом повинні з'явитися різні кольори.
1.3 Дифракція. Досвід Юнга
Дифракція світла у вузькому сенсі - явище огибания світлом перешкод і потрапляння світла в область геометричної тіні; в широкому сенсі - будь-яке відхилення при поширенні світла від законів геометричної оптики.
Визначення Зоммерфельда: під дифракцією світла розуміють будь-яке відхилення від прямолінійного розповсюдження, якщо воно не може бути пояснено як результат відображення, заломлення або згинання світлових променів в середовищах з безперервно мінливим показником заломлення.
У 1802р. Юнг, який відкрив інтерференцію світла, поставив класичний досвід по дифракції (рис.3).

Рис.3
У непрозорою ширмі, він проколов шпилькою два маленьких отвори B і C, на невеликій відстані один від одного. Ці отвори висвітлювалися вузьким світловим пучком, що пройшли в свою чергу через малий отвір А в іншій ширмі. Саме ця деталь, до якої дуже важко було додуматися в той час, вирішила успіх досвіду. Інтерферують тільки когерентні хвилі. Виникла у відповідності з принципом Гюйгенса сферична хвиля від отвори А порушувала в отворах В і С когерентні коливання. У слідстві дифракції з отворів В і С виходили два світлових конуса, які частково перекривалися. У результаті інтерференції світлових хвиль на екрані з'являлися чергуються світлі й темні смуги. Закриваючи один з отворів, Юнг виявляв, що інтерференційні смуги зникали. Саме за допомогою цього досвіду вперше Юнгом були виміряні довжини хвиль, що відповідають світловим променям різного кольору, причому досить точно.
Дослідження дифракції отримало своє завершення в роботах Френеля. Він детально досліджував різні функції дифракції на дослідах і побудував кількісну теорію дифракції, яка дозволяє розрахувати дифракційну картину, яка виникає при огибания світлом будь-яких перешкод.
За допомогою теорії дифракції вирішують такі проблеми, як захист від шумів за допомогою акустичних екранів, поширення радіохвиль над поверхнею Землі, робота оптичних приладів (так як зображення, що дається об'єктивом, - завжди дифракційна картина), вимірювання якості поверхні, вивчення будови речовини і багато інших .
1.4 Поляризація
Нові властивості про характер світлових хвиль показує досвід над проходженням світла через кристали, зокрема через турмалін.
Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки турмаліну, вирізані так, що одна зі сторін прямокутника збігається з певним напрямом усередині кристала, що носить назву оптичної осі. Накладемо одну платівку на іншу так, щоб їхні осі збігалися по напрямку, і пропустимо через складену пару платівок вузький пучок світла від ліхтаря чи сонця. Турмалін являє собою кристал буро - зеленого кольору, слід минулого пучка на екрані представиться у вигляді темно - зеленого плямочки. Почнемо повертати одну з платівок навколо пучка, залишаючи другий нерухомою. Ми виявимо, що слід пучка стає слабкішим, і коли платівка повернеться на 90 ^0, він зовсім зникне. При подальшому обертанні пластинки проходить пучок знову почне посилюватися і дійде до колишньої інтенсивності, коли платівка повернеться на 180 ^0, тобто коли оптичні осі платівок знову розташуються паралельно. При подальшому обертанні турмаліну пучок знову слабшає.
З даних явищ можна зробити наступні висновки:
1. Світлові коливання в пучку спрямовані перпендикулярно до лінії поширення світла (світлові хвилі поперечними).
2. Турмалін здатний пропускати світлові коливання тільки в тому випадку, коли вони спрямовані належним чином щодо його осі.
3. У світлі ліхтаря (сонця) представлені поперечні коливання будь-якого напряму і при тому в однаковій частці, так що ні один напрям не є переважним.
Висновок 3 пояснює, чому природне світло в однаковій мірі проходить через турмалін за будь-якої його орієнтації, хоча турмалін, згідно висновку 2, здатний пропускати світлові коливання тільки певного напряму. Проходження природного світла через турмалін призводить до того, що з поперечних коливань відбираються тільки ті, які можуть пропускатися турмаліном. Тому світло, що пройшло через турмалін, буде представляти собою сукупність поперечних коливань одного напрямку, що визначається орієнтацією осі турмаліну. Таке світло ми будемо називати лінійно поляризованим, а площина, що містить напрямок коливань і вісь світлового пучка, - площиною поляризації.
Тепер стає зрозумілим досвід з проходженням світла через дві послідовно поставлені платівки турмаліну. Перша платівка поляризує проходить через неї пучок світла, залишаючи в ньому коливання тільки одного напрямку. Ці коливання можуть пройти через другий турмалін повністю тільки в тому випадку, коли напрямок їх збігається з напрямком коливань, пропускаються другий турмаліном, тобто коли його вісь паралельна осі першого. Якщо ж напрямок коливань в поляризованому світлі перпендикулярно до напрямку коливань, пропускаються другий турмаліном, то світло буде повністю затриманий. Якщо напрямок коливань в поляризованому світлі становить гострий кут з напрямком, що пропускається турмаліном, то коливання будуть пропущені лише частково.

2. Квантові властивості світла

2.1 Фотоефект
У 1887р. німецький фізик Герц пояснив явище фотоефекту. Основою цього послужила Гіпотеза Планка про кванти.
Явище фотоефекту виявляється при висвітленні цинкової пластини, з'єднаної зі стрижнем електрометра. Якщо пластині і стрижня переданий позитивний заряд, то електрометрії не розряджається при висвітленні пластини. При повідомленні пластині негативного електричного заряду електрометрії розряджається, як тільки на пластину потрапляє ультрафіолетове випромінювання. Цей досвід доводить, що з поверхні металевої пластини під дією світла можуть звільнятися негативні електричні заряди. Вимірювання заряду і маси частинок, що вириваються світлом, показало, що ці частки - електрони.
Були зроблені спроби пояснити закономірності зовнішнього фотоефекту на основі хвильових уявлень про світло. Згідно з цими уявленнями, механізм фотоефекту виглядає так. На метал падає світлова хвиля. Електрони, що знаходяться в його поверхневому шарі, поглинають енергію цієї хвилі, і їх енергія поступово збільшується. Коли вона стає більше роботи виходу, електрони починають вилітати з металу. Таким чином, хвильова теорія світла нібито здатна якісно пояснити явище фотоефекту.
Проте розрахунки показали, що при такому поясненні час між початком освітлення металу і початком вильоту електронів повинно бути близько десяти секунд. Між тим з досвіду випливає, що t <10-9c. Отже, хвильова теорія світла не пояснює безінерційними фотоефекту. Не може вона пояснити і інші закони фотоефекту.
Згідно хвильової теорії кінетична енергія фотоелектронів повинна зростати зі збільшенням інтенсивності світла, падаючого на метал. А інтенсивність хвилі визначається амплітудою коливань напруженості Е, а не частотою світла. (Від інтенсивності падаючого світла залежить лише число вибивається електрон і сила струму насичення).
З хвильової теорії випливає, що енергію, необхідну для виривання електронів з металу, здатне дати випромінювання будь-якої довжини хвилі, якщо його інтенсивність досить велика, тобто що фотоефект може викликатися будь-яким світловим випромінюванням. Однак існує червона межа фотоефекту, тобто одержувана електронами енергія залежить не від амплітуди хвилі, а від її частоти.
Таким чином, спроби пояснити закономірності фотоефекту на основі хвильових уявлень про світло виявилися неспроможними.
2.2 Ефект Комптона
Ефектом Комптона називається зміна частоти або довжини хвилі фотонів при їх розсіянні електронами і нуклонами. Цей ефект не вкладається в рамки хвильової теорії, згідно якої довжина хвилі при розсіюванні змінюватися не повинна: ​​під дією періодичного поля світлової хвилі електрон коливається з частотою поля і тому випромінює розсіяні хвилі тієї ж частоти.
Ефект Комптона відрізняється від фотоефекту тим, що фотон передає частинкам речовини свою енергію не повністю. Окремим випадком ефекту Комптона є розсіювання рентгенівських променів на електронних оболонках атомів та розсіювання гамма-променів на атомних ядрах. У найпростішому випадку ефект Комптона є розсіювання монохроматичних рентгенівських променів легкими речовинами (графіт, парафін та ін) і при теоретичному розгляді цього ефекту в цьому випадку електрон вважається вільним.
Пояснення ефекту Комптона дано на основі квантових уявлень про природу світла. Якщо вважати, як це робить квантова теорія, що випромінювання має корпускулярну природу.
Ефект Комптона спостерігається не тільки на електронах, а й на інших заряджених частинках, наприклад протонах, проте через велику маси протона його віддача «взнаки» лише при розсіянні фотонів дуже високих енергій.
Як ефект Комптона, так і фотоефект на основі квантових уявлень обумовлені взаємодією фотонів з електронами. У першому випадку фотон розсіюється, у другому - поглинається. Розсіювання відбувається при взаємодії фотона з вільними електронами, а фотоефект - з пов'язаними електронами. Можна показати, що при зіткненні фотона з вільними електронами не може відбутися поглинання фотона, тому що це знаходиться в протиріччі з законами збереження імпульсу і енергії. Тому при взаємодії фотонів з вільними електронами може спостерігатися тільки їх розсіювання, тобто ефект Комптона.

Висновок

Явища інтерференції, дифракції, поляризації світла від звичайних джерел світла незаперечно свідчить про хвильових властивості світла. Однак і в цих явищах при відповідних умовах світло проявляє корпускулярні властивості. У свою чергу, закономірності теплового випромінювання тіл, фотоелектричного ефекту та інших незаперечно свідчать, що світло веде себе не як безперервна, протяжна хвиля, а як потік «згустків» (порцій, квантів) енергії, тобто як потік частинок - фотонів.
Таким чином, світло поєднує в собі безперервність хвиль і дискретність частинок. Якщо врахуємо, що фотони існують тільки при русі (зі швидкістю с), то приходимо до висновку, що світла одночасно властиві як хвильові, так і корпускулярні властивості. Але в деяких явищах за певних умов основну роль грають чи хвильові, або корпускулярні властивості і світло можна розглядати або як хвилю, або як частки (корпускули).

Список використаної літератури

1. Яворський Б.М. Детлаф А.А. Довідник з фізики. - М.: Наука 2002.
2. Трофімова Т.І. Курс фізики - М.: Вища школа 2001.
3. Гурський І.П. Елементарна фізика під ред. І.В. Савельєва - М.: Просвещение 1984
4. Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Фізика - М.: Просвещение 1982.