Меню Рубрики

Что такое свет с точки зрения квантовой теории света

8. Что такое свет с точки зрения данной теории?

В настоящее время в научном мире физическая сущность света остается пока до конца невыясненной. Долгое время в науке господствовало понятие о корпускулярной природе света. Эту мысль в свое время высказал И. Ньютон. Однако это понятие о корпускулярной природе света вошло в противоречие с такими явлениями, как интерференция, дифракция света. Эти явления объясняются с точки зрения волной природы света. Поэтому, в настоящее время в науке утвердилось понятие о природе света как о корпускулярно-волновой природе света этого явления. Это двойственность вынуждена по причине отсутствия правильного понятия о природе света, пока это явление природы недостаточно изучено.

В теории «Квантовый мир» дается новое понятие о природе света. При описании этого явления, необходимо обратить внимание, на так называемый, элементарный квант действия в среде матричного вакуума или то же самое элементарной фотон. Носителем этого кванта является лишняя частица среды вакуума. Она аналогична по всем параметрам, т.е. массе, объему и циклу расширения и сжатия во времени, обычной частице среды вакуума. Отличается эта лишняя частица среды вакуума от обычной частицы вакуума тем, что цикл расширения и сжатия ее во времени протекает не в свободном объеме для частицы среды матричного вакуума в этой среде, а между частицами среды вакуума, по причине отсутствия свободного объема для нее. Поэтому лишняя частица вакуума располагается между частицами среды матричного вакуума. Эта частица своим объемом сжимает окружающие ее частицы среды. И эта лишняя частица вакуума получает равную по силе ответную реакцию со стороны среды матричного вакуума, т.е. эта лишняя частица сжимается окружающей ее средой вакуума. В результате этого процесса в среде возникают два напряженных объема. Один закрытый объем, т.е. лишняя частица среды вакуума, другой открытый объем, т.е. напряженная объемлющая оболочка из частиц матричного вакуума. Согласно данной теории эта объемлющая оболочка аналогична по размерам волне де Бройля элементарной частице вещества среды вакуума. Таким образом, эта лишняя частица приобрела свойства ощущать силу гравитации в среде вакуума, так же как и элементарная частица вещества. При перемещении в матричном вакууме эти лишние частицы, т.е. фотоны, искривляют свою траекторию в сторону массивных тел из вещества среды вакуума, т.е. ощущают силу гравитации этих тел. По этой причине в науке принята корпускулярно-волновая природа света.

Согласно данной теории, гипотетически было принято, что лишние частицы среды в среду матричного вакуума внедряла среда тонкой структуры. Среда матричного вакуума очень плотная среда. При внедрении этой частицы в среду вакуума, средой тонкой структуры была затрачена энергия, равная, энергии элементарного кванта действия 6,626·10 –34 Дж·сек.

Таким образом, эта лишняя частица среды матричного вакуума приобрела наружную энергию и стала перемещаться в вакууме со скоростью света согласно выше описанному принципу природы перемещения материальных тел в среде вакуума. Может возникнуть вопрос.

Если лишние частицы среды вакуума приобрели свойство ощущать силу гравитации, то какие могут возникать взаимодействия между этими частицами? Лишние частицы среды матричного вакуума, которые находятся друг от друга на близком расстоянии, окружающая среда вакуума прижимает их друг другу. По этой причине возникают пучки из этих лишних частиц среды вакуума. Опишем природу и процесс возникновения пучков из лишних частиц среды матричного вакуума. В науке эти, так называемые пучки, определяются как фотоны той или иной длины волны.

Атомы вещества химических элементов состоят из ядра и окружающих это ядро электронов, которые вращаются по соответствующим орбитам. Наружные электронные оболочки атома контактируют с окружающей средой, и электроны этой оболочки обмениваются с этой средой энергиями. Электроны наружной оболочки при движении вокруг ядра атома сталкиваются по всем направлениям с лишними частицами среды вакуума в форме различных пучков. Если эти столкновения протекают по направлению движения электрона вокруг ядра атома, то эти лишние частицы среды вакуума входят в структуру массы электрона. При вхождении этих частиц в структуру массы электрона, они утрачивают свою световую скорость относительно этого электрона до нулевой скорости. Кинетическая энергия лишних частиц среды матричного вакуума переходит в структуру массы электрона. Таким образом, электрон, получив дополнительное количество движения, отходит от ядра атома. При своем удалении от ядра от атома электрон производит в среде вакуума работу. Израсходовав, таким образом, кинетическую энергию на произведенную работу в среде матричного вакуума, ответной реакцией среды вакуума электрон прижимается на первоначальную орбиту атома. В процессе прижатия электрона к ядру, согласно данной теории, восстанавливается энергия лишних частиц среды матричного вакуума, и они покидают электрон. Но диаметр электрона очень мал и лишние частицы среды вакуума располагаются по этой причине на близком расстоянии друг от друга и среда матричного вакуума своей упругостью, т.е. силой гравитации плотно прижимает их друг другу. И эти лишние частицы среды вакуума покидают массу электрона уже в форме пучков этих лишних частиц, т.е. фотонов той или иной длины волны.

Этот пучок из лишних частиц среды вакуума представляет собой очень плотную и прочную структуру на порядок выше структуры ядерного вещества. Форма этого пучка из лишних частиц среды матричного вакуума представляет собой шар. Величина диаметра этого шара зависит от количества лишних частиц среды вакуума, которые входят в структуру этого шара.

Как уже указывалось, что лишняя частица матричного вакуума или пучок из этих частиц создает вокруг себя напряженную оболочку из обыкновенных частиц среды вакуума. При движении пучка лишних частиц, перемещается вместе с ним и напряженная оболочка, но частицы, составляющие эту оболочку, стоят на месте. И если мысленно поглядеть на этот пучок со стороны, то возникает иллюзия движущейся волны.

Рис. 8.1. а) природа электромагнитных колебаний, иллюзия движущейся волны: 1 – лишняя частица среды вакуума, 2 – напряженный объем;
б) перемещение частицы в среде вакуума: 1– частица вещества среды вакуума, 2 – волна де Бройля, 3 – направление воздействия частицы на среду вакуума

С точки зрения данной теории цвета света возникают около наружных электронных оболочек атомов, в науке об этом принято говорить как о длине волны (рис. 8.1). Чем больше в пучке фотонов, тем мощнее около его, так называемая атмосфера из частиц вакуума, тем длиннее волна, тем больше заложено в нем энергии.

Количество колебаний в секунду фотона равно количеству лишних частиц среды матричного вакуума, которые могут располагаться на пути в 300 000 км. В основу расчета, при определении количества колебаний в 1 секунду фотоном, положена фундаментальная константа Планка, радиус частицы среды матричного вакуума

где Rм.в. – радиус частицы среды матричного вакуума (ее расчет указан в следующей главе),
L – путь, пройденный лучом света за 1 секунду.

Это количество колебаний относится ко всем фотонам той или иной длины волны.

Фотоэлектрический эффект

Генрихом Герцем было обнаружено, что при освещении отрицательного катода ультрафиолетовым светом электрический разряд происходил при меньшем напряжении, чем, при отсутствии освещения. Этот процесс вырывания электронов светом из металла был назван внешним фотоэффектом. Рассмотрим это явление с точки зрения данной теории.

Известно, диаметры атомов металлов по величине значительно больше диаметров атомов металлоидов. По этой причине у атомов металлов и отталкивающие моменты между атомами металлов значительно слабее.

Агрегатное состояние токопроводящих тел, в основном это металлы, представляет собой кристаллическую решетку, т.е. кристаллы. Согласно данной теории все атомы, независимо от принадлежности к тому или иному химическому элементу, имеют крутящие моменты. В кристаллических решетках атомы соединяются друг с другом в точках с наименьшим отталкивающим моментом. Это соединение осуществляется окружающей средой матричного вакуума. Объем кристалла состоит из объемов атомов, которые и входят в его структуру и свободного объема. Свободный объем намного превосходит объем из атомов. По этой причине в свободном объёме кристалла возникает своеобразная газовая среда из свободных и слабо связанных с ядром атома электронов.

Описание механизма возникновения электрического тока в токопроводящем объеме при воздействии на него электромагнитного излучения, сточки зрения данной теории выглядит следующим образом.

При встрече пучка фотонов с материальным токопроводящим объектом этот пучок отдает свою кинетическую энергию слабосвязанным электронам. Они в свою очередь, таким образом, увеличивают энергию и отходят от ядер атомов. Эти вылетевшие электроны ускоряются электрическим полем и образуют фототок.

Так же с этих позиций объясняются законы фотоэффекта.

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от длины волны фотона, т.е. зависит от массы фотона. Фотоны, проникая в структуру кристалла, контактируя со слабо связанными электронами, передают ему недостающие количество движения. Это недостаточное количество движения не дает возможности оторваться от ядра атома. Эта величина количества движения соответствует наименьшей частоте света, которая называется красной границей фотоэффекта.

Количество фотонов, которое при перемещении в кристалле своеобразного газа из электронов, контактируют с ними и передают им свою кинетическую энергию. И чем больше это количество фотонов, тем больше контактов с электронами. Таким образом, возникает фототок насыщения.

Необходимо дать понятие, с точки зрения данной теории, и о других свойствах света. Например, природа движения пучков импульсов, которые суммарно формируют луч лазера, заключается в том, что эти пучки от источника этих импульсов движутся параллельно друг от друга. В этом случае, окружающая среда вакуума стремится прижать их друг другу. Этим достигается их параллельность при перемещении в среде матричного вакуума, и сила гравитации препятствует их разбеганию в разные стороны.

Значительно труднее объяснить природу красного смещения света. Известно, что каждый атом того или иного элемента дает свой спектр. При удалении источника света от наблюдателя линии спектра начинают смещаться в красную сторону, т.е. оранжевый свет превращается в красный цвет и т.д.

С точки зрения данной теории, это явление объясняется иначе. Для того чтобы пучок импульсов оранжевого света смещался красный, нужны дополнительные импульсы. Механизм этого явления заключается в том, что движение электронов вместе с атомом, которые испускают вместо оранжевого красный свет, направленный в сторону основной массой объекта, являющегося источником элементарных фотонов. И электрон приобретает необходимые лишние импульсы по инерции, т.е. наскакивает на эти фотоны.

В результате, вместо оранжевого пучка импульсов среда матричного вакуума при прижатии этого электрона на первоначальную орбиту, выдавливает из него уже пучок красного света. И чем быстрее движение объекта, тем ярче проявляется красное движение.

Так же необходимо напомнить понятие об искривлении луча света около массивных тел. Раннее уже было описано, что элементарный фотон, перемещаясь в среде матричного вакуума, прерывисто приобретает свойства ощущать силу гравитации и вследствие этого около массивных тел наиболее заметно искривление траектории его движения.

Лишняя частица как возбужденный домен вакуума

Выше указывалось, что фотон представляет собой волну. Выразим элементарный фотон математически через волновую функцию. Рассмотрим с точки зрения матричного вакуума элементарный, плоский, невозбужденный домен, а именно матрицу, т.е. объём вакуума, где в каждый момент времени может оказаться фотон.

где Aik представляют собой объемные гармонические осцилляторы стационарных частиц матричного вакуума.

где Am – максимальный радиус частицы стационарного вакуума;
w – Частота осцилляций;
φik – начальный сдвиг фазы цикла расширения и сжатия частицы матричного вакуума.

Каждая частица Аik – находится в изотропном пространстве с упругостью равной K.

В результате пульсаций Аik и разности фаз φik , например А11А12А13 , частицы А13 получит некоторый сдвиг право. Таким образом, мы получаем кипящий физический вакуум с точки зрения современной квантовой теории.

Рассмотрим случай возбужденного (деформированного) домена матричного вакуума.

В данном случае матрица домена запишется в виде:

А в ik – возбужденные частицы матричного вакуума, сместившиеся относительно положений Аik на некоторое расстояние и перешедшие в состояние с некоторой приобретенной потенциальной энергией U(x, t).

а22 – элементарный фотон, деформировавший состояние ||Аik||.

Энергия элементарного фотона равна:

h – постоянная Планка; wсч – частота поперечных колебаний стационарных частиц, возникающих при прохождении элементарного фотона через домен матричного вакуума.

Исходя из данной теории прямолинейного равномерного движения элементарного фотона со скоростью равной скорости света и структуры домена матричного вакуума, можно сделать вывод, что функция U(x, t) изменяется по синусоидальному закону.

В силу изотропности матричного вакуума, без учета Аik как объемных гармонических осцилляторов, следует, что энергия элементарного фотона равномерно распределяется по состояниям А в ik, перешедших в состояния с потенциальной энергией Uik(x, t). Для функции Uik(x, t) частиц Аik введем условия нормировки:

Исходя из условия нормировки, запишем матрицу max возбужденного домена

Решение для Аik будем искать в виде:

обусловленное движением элементарного фотона вдоль оси x.

Физический смысл ξ-функции заключается в том, что движение элементарного фотона, в рассматриваемом варианте вдоль оси X, возбуждает деформацию в матрице ||А в ik|| – поперечную волну. Т.е. перевод частиц стационарного вакуума из состояний с нормированной потенциальной энергией Uik(x, t) = 0 до состояния Uik(x, t) = wсч·h/8. Частицы стационарного вакуума совершают поперечные колебания относительно оси Х при прохождении элементарного фотона через домен матричного вакуума.

Указанный физический смысл ξ-функции строго согласуется с общепринятой концепцией корпускулярно-волнового дуализма. Элементарной фотон является корпускулой, о поперечные колебания матричного вакуума представляют поперечную волну.

Читайте также:  Урок глаза орган зрения 3 класс

Запишем выражение для ξ(x, t) = Вm·e в комплексном виде.

Вm – максимальная величина изменяющейся по гармоническому закону потенциальной энергии U(x, t) любого элемента Аik.

Учитывая установленные закономерности квантовой физики, запишем их с учетом точки зрения данной теории:

Где Eсч – полная энергия стационарных частиц матричного вакуума;
Pсч – импульс стационарных частиц, проявляющийся во время деформации домена матричного вакуума.

Тогда ξ-функция примет вид:

Найдем дифференциальное уравнение волновой функции –ξ, используя соотношение:

Данное выражение заменим Eсч = Eсч / mсч , так как элементарный фотон обладает только кинетической энергией в силу его природного существования в пространстве.

Таким образом, мы получаем волновую функцию –ξ энергетического состояния стационарных частиц в результате прохождения элементарного фотона через домен матричного вакуума без учета Аik как объёмных гармонических осцилляторов.

Фотон и его свойства

Фотон — материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона

  1. Является частицей электромагнитного поля.
  2. Движется со скоростью света.
  3. Существует только в движении.
  4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Энергия фотона:.

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда — масса фотона.

Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Давление света

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие(благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v — направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).

Это давление оказалось

4 . 10 -6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н.Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.

Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом

Эффект Комптона (1923)

А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения, что опытом не подтверждается.

При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А. Комптона можно объяснить следующим образом.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон — электрон:

где mc 2 — энергия неподвижного электрона; hv энергия фотона до столкновения; hv энергия фотона после столкноВЕНИЯ, P и p’ — импульсы фотона до и после столкновения; mv импульс электрона после столкновения с фотоном.

Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах:

где — так называемая комптоновская длина волны.

Корпускулярно-волновой дуализм

Конец XIX в.: фотоэффект и эффект Комптона подтвердили теорию Ньютона, а явления дифракции, интерференции света подтвердили теорию Гюйгенса.

Таким образом, многие физики в начале XX в. пришли к выводу, что свет обладает двумя свойствами:

  1. При распространении он проявляет волновые свойства.
  2. При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Его свойства не сводятся ни к волнам, ни к частицам.

Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства света и менее — волновые.

Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон — как волна или как частица,—зависит от характера проводимого над ним исследования.

Что такое свет с точки зрения физики?

На протяжении всей жизни нас окружают удивительные вещи, предметы, места. Мы видим их, но вовсе не потому, что они существуют, а благодаря свету.

Если бы не свет, то у живых существ не было бы зрения как инструмента, и нам пришлось бы довольствоваться другими органами чувств. Как кроты, проживающие под землей, довольствуются слухом. Что же представляет собой свет? Что это за понятие с точки зрения физики и какое значение он имеет для жизни на Земле?

Что такое свет?

Тайну света люди пытались раскрыть в течение многих столетий, однако приблизиться к разгадке удалось только в XVIII веке. Сначала датский физик Ганс Эрстеда выяснил, что электроток способен оказывать влияние на стрелку в магнитном компасе, а затем британский математик Джеймс Максвелл сумел доказать, что магнитные и электрические поля существуют в виде волн, распространяющихся со скоростью света.

Из этого ученые дали определение света как формы электромагнитного излучения, которое воспринимается глазом человека.

Какова природа света?

Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами.

По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн, при этом возникающие в природе оптические эффекты становятся результатом сложения данных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.

Какие характеристики имеет свет?

Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.

Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена».

Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.

Какова скорость света?

Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве скорость света является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.

Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.

В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.

Как свет воспринимается глазом?

Как говорилось выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. При этом мы не смогли бы воспринимать электромагнитные излучения, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, которые реагируют на данное излучение. Глазная сетчатка человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые высоко чувствительны к освещению, поэтому могут работать только при низкой освещенности, то есть отвечают за ночное зрение. При этом они демонстрируют мир исключительно в черно-белых цветах.

Колбочки обладают пониженной чувствительностью к свету и обеспечивают дневное зрение, позволяющее видеть цветное изображение. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах существуют 3 вида колбочек, которые различаются между собой распределением чувствительности.

Кванты света

Рассмотрим стенку, построенную вдоль морского берега. Морские волны непрерывно ударяются о стенку, каждый раз что-то смывая с ее поверхности, и отступают, предоставляя свободный путь для приходящих волн. Масса стенки уменьшается, и мы можем спросить, как велика часть, смытая, скажем, за год. А теперь обрисуем другой процесс. Мы хотим уменьшить массу стенки на то же самое количество, как и раньше, но другим путем. Мы стреляем в стенку, разбивая ее в тех местах, куда попадают пули. Масса стенки будет уменьшаться, и мы легко можем представить себе, что в обоих случаях достигается одно и то же уменьшение массы. Но по виду стенки мы легко могли бы обнаружить, действовали ли на стенку непрерывные морские волны или прерывный ливень пуль. Для понимания явлений, которые мы здесь описываем, полезно учесть это различие между морскими волнами и ливнем пуль.

Мы указывали раньше, что раскаленная проволока испускает электроны. Здесь мы введем другой путь выбивания электронов из металла. Пусть на металлическую поверхность падает однородный свет, например фиолетовый, имеющий, как мы знаем, определенную длину волны. Свет выбивает из металла электроны. Электроны вырываются из металла, и ливень их устремляется вперед с определенной скоростью. Основываясь на законе сохранения энергии, мы можем сказать: энергия света частично превращается в кинетическую энергию вырванных электронов. Современная экспериментальная техника позволяет нам подсчитать число этих электронов-снарядов, определить их скорость, а стало быть, их энергию. Это вырывание электронов падающим на металл светом называется фотоэлектрическим эффектом.

Мы рассматриваем действие однородной световой волны с некоторой определенной интенсивностью. Как и в каждом эксперименте, мы должны теперь изменять условия эксперимента, чтобы посмотреть, будет ли это иметь какое-либо влияние на рассматриваемый эффект.

Начнем с изменения интенсивности однородного фиолетового света, падающего на металлическую пластинку, и заметим, в какой степени энергия испускаемых электронов зависит от интенсивности света. Попробуем найти ответ с помощью рассуждения, а не эксперимента. Мы могли бы рассуждать так: в фотоэлектрическом эффекте известная определенная порция энергии излучения превращается в энергию движения электронов. Если мы снова осветим металл светом той же длины волны, но от более мощного источника, то энергия испускаемых электронов должна быть больше, так как излучение богаче энергией. Поэтому мы должны ожидать, что скорость испускаемых электронов возрастет, если возрастет интенсивность света. Но эксперимент противоречит нашему предсказанию. Мы еще раз видим, что законы природы не таковы, какими мы хотели бы их видеть. Мы столкнулись с одним из экспериментов, который противоречит нашим предсказаниям и тем самым подрывает теорию, на которой они основывались. С точки зрения волновой теории результат реального эксперимента удивителен. Все наблюдаемые электроны имеют одинаковую скорость, одинаковую энергию, которая не изменяется при возрастании интенсивности света.

Волновая теория не могла предсказать результат эксперимента. Здесь опять новая теория возникает из конфликта старой теории с экспериментом.

Будем намеренно несправедливы к волновой теории света, забывая ее великие достижения, ее блестящее объяснение искривления луча около весьма малых препятствий (дифракция света). Сосредоточив внимание на фотоэлектрическом эффекте, потребуем от волновой теории соответствующего объяснения его. Очевидно, что из волновой теории мы не можем вывести независимость энергии электронов от интенсивности света, которым они извлекаются из металлической пластинки. Поэтому мы испробуем другую теорию. Вспомним, что корпускулярная теория Ньютона, объяснившая многие наблюдаемые явления, потерпела крах при объяснении дифракции света — явления, которым мы сейчас намеренно пренебрегаем. Во времена Ньютона понятия энергии не существовало. По Ньютону, световые корпускулы были невесомы. Каждый цвет сохранял свой собственный субстанциональный характер. Позднее, когда было создано понятие энергии и признано, что свет несет энергию, никто не думал применять эти понятия к корпускулярной теории света. Теория Ньютона умерла, и до нашего века о ее возрождении никто серьезно не помышлял.

Чтобы сохранить принципиальную идею теории Ньютона, мы должны предположить, что однородный свет состоит из зерен энергии, и заменить старые световые корпускулы световыми квантами, т. е. небольшими порциями энергии, несущимися в пустом пространстве со скоростью света. Мы будем называть эти световые кванты фотонами. Возрождение теории Ньютона в этой новой форме приводит к квантовой теории света. Не только вещество и электрический заряд, но и энергия излучения имеет зернистую структуру, т. е. состоит из световых квантов. Наряду с квантами вещества и квантами электричества существуют также и кванты энергии.

Идея квантов энергии была впервые высказана Планком в начале этого столетия для того, чтобы объяснить некоторые эффекты гораздо более сложного характера, чем фотоэлектрический. Но фотоэффект яснее и проще показывает необходимость изменения наших старых понятий.

Сразу ясно, что квантовая теория света дает объяснение фотоэлектрическому эффекту. Поток фотонов падает на металлическую пластинку. Взаимодействие между излучением и веществом состоит здесь из очень многих элементарных процессов, в которых фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Эти элементарные процессы подобны друг другу, и вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую энергию. Нам становится понятным, что увеличение интенсивности света на нашем новом языке означает увеличение числа падающих фотонов. В этом случае из металлической пластинки было бы вырвано большее число электронов, но энергия каждого отдельного электрона не изменилась бы. Итак, мы видим, что эта теория находится в полном согласии с результатами наблюдения.

Читайте также:  На каком расстоянии проверяется зрение по таблице сивцева

Что произойдет, если пучок однородного света другого цвета, скажем красного вместо фиолетового, упадет на металлическую поверхность? Предоставим эксперименту ответить на этот вопрос. Энергию испускаемых электронов можно измерить и сравнить с энергией электронов, выбиваемых фиолетовым светом. Энергия электронов, выбиваемая красным светом, оказывается меньшей, чем энергия электронов, вырываемых фиолетовым светом. Это означает, что энергия световых квантов различна для лучей различных цветов. Энергия фотонов красного луча вдвое меньше энергии фотонов фиолетового луча. Или, более строго: энергия светового кванта однородного луча уменьшается пропорционально увеличению длины волны. Это существенное различие между квантом энергии и квантом электричества. Световые кванты различны для каждой длины волны, между тем как кванты электричества всегда одинаковы. Если бы мы захотели применить одну из наших прежних аналогий, мы сравнили бы световой квант с наименьшим квантом денег, который для каждой страны различен.

Продолжим критику волновой теории света и предположим, что структура света зерниста и образована световыми квантами, т. е. фотонами, проносящимися через пространство со скоростью света. Таким образом, в нашей новой картине свет есть ливень фотонов, а фотон есть элементарный квант световой энергии. Однако, если волновая теория отбрасывается, понятие длины волны исчезает. Какое новое понятие занимает его место? Энергия световых квантов! Утверждения, выраженные в терминологии волновой теории, можно перевести в утверждения квантовой теории излучения.

Терминология волновой теории

Однородный свет имеет определенную длину волны. Длина волны красного конца спектра вдвое больше длины волны фиолетового конца.

Терминология квантовой теории

Однородный свет состоит из фотонов определенной энергии. Энергия фотона для красного конца спектра вдвое меньше энергии фотона фиолетового конца.

Положение дел можно подытожить следующим образом: существуют явления, которые можно объяснить только квантовой теорией, а не волновой. Примером такого явления служит фотоэффект; известны и другие примеры того же рода. Существуют явления, которые можно объяснить только волновой теорией, а не квантовой. Типичным примером является дифракция света. Наконец, существуют явления, которые можно одинаково хорошо объяснить как квантовой, так и волновой теориями света, например прямолинейность распространения света.

Но что такое свет в действительности? Волны или поток фотонов? Мы уже задавали раньше аналогичный вопрос: что такое свет — волны или поток световых корпускул? В то время было полное основание отбросить корпускулярную теорию и принять волновую, объяснявшую все явления. Однако теперь проблема гораздо сложнее. По-видимому, нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий. Положение таково, что мы должны применять иногда одну теорию, а иногда — другую, а время от времени — и ту и другую. Мы встретились с трудностью нового рода. Налицо две противоречивые картины реальности, но ни одна из них в отдельности не объясняет всех световых явлений, а совместно они их объясняют!

Как можно соединить обе эти картины? Как понять обе эти совершенно различные стороны света? Нелегко разрешить эту новую трудность. Опять мы встречаемся с фундаментальными проблемами.

Примем сейчас фотонную теорию света и постараемся с ее помощью понять факты, до сих пор объяснявшиеся волновой теорией. Этим самым мы подчеркнем трудности, которые на первый взгляд делают обе теории несовместимыми.

Как мы помним, луч однородного света, проходящий через маленькое отверстие, образует светлые и темные кольца. Как понять это явление с точки зрения квантовой теории света? Пусть фотон проходит через отверстие. Мы могли бы ожидать, что экран должен оказаться светлым, если фотон проходит сквозь отверстие, и темным — если он не проходит. Вместо этого мы обнаруживаем светлые и темные кольца. Мы могли бы попробовать рассуждать следующим образом: возможно, что между краем отверстия и фотоном существует некое взаимодействие, которое и служит причиной появления дифракционных колец. Правда, это положение едва ли можно признать за объяснение. В лучшем случае оно намечает программу объяснения, создавая, по крайней мере, некоторую надежду объяснения дифракции в будущем через взаимодействие вещества и фотонов.

Но даже эта слабая надежда разбивается нашим прежним обсуждением других экспериментальных фактов. Возьмем два маленьких отверстия. Однородный свет, проходя через оба отверстия, образует на экране светлые и темные полосы. Как следует понимать этот эффект с точки зрения квантовой теории света? Мы могли бы рассуждать так: фотон проходит сквозь какое-либо одно из отверстий. Если фотон однородного света представляет собой элементарную световую частицу, мы едва ли можем представить себе, как он может разделиться и пройти сквозь оба отверстия. Но в таком случае эффект должен бы быть совершенно таким же, как и в первом случае: светлые и темные кольца, а не светлые и темные полосы. Почему же наличие второго отверстия совершенно изменяет эффект? Очевидно, отверстие, сквозь которое фотон не проходит, даже если оно находится на большом расстоянии от другого, превращает кольца в полосы. Если фотон ведет себя подобно корпускуле в классической физике, он должен пройти только через одно из двух отверстий. Но в этом случае явления дифракции кажутся совершенно непонятными.

Наука вынуждает нас создавать новые понятия, новые теории. Их задача — разрушить стену противоречий, которая часто преграждает дорогу научному прогрессу. Все существенные идеи в науке родились в драматическом конфликте между реальностью и нашими попытками ее понять. Здесь мы снова имеем дело с проблемой, для решения которой нужны новые принципы. Прежде чем мы рассмотрим попытки современной физики объяснить противоречие между квантовым и волновым аспектом света, мы покажем, что те же самые трудности возникают и в том случае, когда мы имеем дело с квантами вещества вместо квантов света.

Что такое свет? Развитие двух теорий света

История развития представлений о природе света, развитие оптики. Теория И. Ньютона: корпускулярная теория цвета. Теория Х. Гюйгенса: волновая теория света. Опыты Т. Юнга и последующие открытия. Электромагнитная теория света. Природа света XX века.

Рубрика Физика и энергетика
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 15.12.2015
Размер файла 27,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

по дисциплине «Основы физики»

на тему: «Что такое свет? Развитие двух теорий света»

Исполнитель: студентка группы

1. История развития представлений о природе света

1.1 Древние времена

1.2 Развитие оптики

1.3 Развитие истории природы света

2. Теории XVII века

2.1 Теория И. Ньютона. Корпускулярная теория цвета

2.2Теория Х. Гюйгенса. Волновая теория света

3. XVIII — XIX век

3.1 Дальнейшее развитие волновой оптики

3.2 Опыты Томаса Юнга и последующие открытия

3.3 Электромагнитная теория света

4. Природа света XX века

Список использованной литературы

Задача: проследить историческое развитие природы света; рассмотреть две теории света.

Размышлять о природе света начали еще в древние времена. Первые гипотезы были наивны и туманны.

Свет — чрезвычайно важный вид энергии. Жизнь на земле зависит от солнечного света. Кроме того, свет — это излучение, которое дает нам зрительные ощущения. Мы видим предметы, когда свет от них достигает наших глаз. Эти предметы либо сами излучают свет, либо отражают свет излучаемый другими предметами, либо пропускают его через себя.

Интерференция — физическое явление перераспределения волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн.

Поляризация — физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне.

Дисперсия — зависимость показателя преломления вещества от длинны волны падающего излучения.

Дифракция (результат интерференции) — физическое явление нарушения прямолинейного распространения волн в неоднородных средах.

Фотоэффект — явление вырывания электронов с поверхности тел под действием света.

Эффект Комптона — явление изменения длины волны излучения при его рассеивании

природа свет корпускулярный юнг

1. История развития представлений о природе света

1.1 Древние времена

Жизнь на Земле возникла и существует благодаря солнечному свету. Благодаря ему мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете.

Основы теории света были заложены еще в глубокой древности.

Евклид и Аристотель (300-250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Так же Аристотелю приписывают утверждение, что свет есть нечто, исходящее из глаз. Лучи света как бы ощупывают предметы, доставляя наблюдателю информацию об их форме и качестве. Естественно, возникал вопрос, почему же в таком случае человек не видит в темноте?

В школе Пифагора утверждали, что лучи Солнца «проникают через густой и холодный эфир». Впервые появляется мысль о том, что свет каким-то образом передается материальной средой — эфиром.

Греческий философ Платон (427-327 г. до н.э.) создал одну из первых теорий света. Он понял, что именно солнце — истинная причина всех видимых вещей.

Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.

1.2 Развитие оптики

Независимо от гипотез о происхождении света развивалась геометрическая оптика.

До второй половины XVII в. оптика представляла, по существу, один из разделов геометрии. Световой луч — прямая линия и светящаяся точка — начало этой линии. Далее были установлены законы отражения и преломления света. Первый был известен еще в Древней Греции. Закон преломления света открыли независимо друг от друга голландский ученый Виллеброд Снеллиус (1591—1626) и французский ученый Рене Декарт (1596—1650).

В эпоху Возрождения оптика входит в практику, становится жизненно важной областью физики в связи с созданием подзорной трубы (1609) и микроскопа (1637).

Усовершенствованием оптических приборов занимаются естествоиспытатели разнообразных научных направлений, Создание рациональных конструкций оптических приборов требовало устранения сферических и хроматических аберраций. Исследование последних и явилось началом развития физической оптики.

Сравнение расчетов оптических приборов с опытом ясно показало недостаточность принципов геометрической оптики для правильного описания и объяснения распространения света.

Первой проблемой физической оптики была проблема цветности световых лучей. До XVII в. естествоиспытатели, следуя традиции Аристотеля, считали, что цвета являются результатом смешения света с темнотой в разных пропорциях. Были также известны призматические цвета. Появление их относили или за счет каких-то особенностей источника света, или за счет особых свойств тела, имеющего данный цвет. Чешский естествоиспытатель Мариус Марци де Кронланд указал, что проблему можно решить, разгадав происхождение призматических цветов. Он впервые высказал правильную мысль, что «различные виды призматических цветов являются частями с различными преломлениями», однако дальше он не пошел.

Еще более трудная проблема физической оптики возникает во второй половине XVII в. В 1655 г. в Болонье был напечатан трактат иезуита Франческо Мария Гримальди, в котором было впервые описано явление дифракции света. В темную комнату сквозь узкое отверстие был пропущен солнечный свет. В световой конус Гримальди поместил, палку и наблюдал характер тени на белом экране. Образовалась картина, которая свидетельствовала о том, что лучи света могут отклоняться от прямолинейного распространения. Варьируя условия опыта, Гримальди нашел, что это новое физическое явление, и назвал его дифракцией.

Проблема цвета, связанная с ней проблема совершенствования оптических инструментов, необходимость объяснения явления дифракции — все это настоятельно требовало создания действенной системы оптических представлений, определенных гипотез о природе света. Назрела необходимость построения физической основы оптики.

1.3 Развитие истории природы света

В XVII веке датский астроном Ремер (1644-1710) измерил скорость распространения света.

Итальянский физик Гримальди (1618-1663) открыл явление дифракции.

Гениальный английский ученый И.Ньютон (1642-1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции.

Э.Бартолин (1625-1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики.

Гюйгенс (1629-1695) положил начало волновой теории света.

2. Теории XVII века

2.1 Теория И. Ньютона. Корпускулярная теория цвета

В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений.

Фундамент учения о свете заложил Исаак Ньютон. В 1672 г. Ньютон прислал секретарю Лондонского Королевского общества Ольденбургу письмо, в котором высказал намерение сделать сообщение на еженедельном заседании Общества «Об одном философском открытии». Письмо кончалось так. «По моему суждению, это страннейшее, если не самое значительное открытие, которое когда-либо делалось в отношении действий природы».

Читайте также:  Употребление тыквы в сыром виде с точки зрения медицинских показателей

Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц — корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно.

1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник.

2) Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие — фиолетового.

3) Белый цвет — смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.

5) Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения.

6) Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет — смесь разнообразных корпускул — испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломления обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Они наибольшие для фиолетового и наименьшие для красного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи.

7) Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают «различными сторонами» — особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.

Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и вскоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. Цвета тонких пластинок, ньютоновские кольца, дифракционные явления требовали признания волнового элемента в световых лучах. Одна корпускулярная гипотеза не давала возможности интерпретировать эти явления. В то же время и волновая гипотеза не справлялась с целым рядом фактов (прямолинейность распространения, поляризация), приходилось прибегать к корпускулярным представлениям.

Принимая ту и другую гипотезу, Ньютон одновременно подчеркивал недостаточность гипотез вообще, их подчиненное положение по отношению к опытным фактам.

2.2 Теория Х. Гюйгенса. Волновая теория света

Фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в «Оптику» оказали большое влияние на современников. Мышление Гюйгенса находится под воздействием этих работ.

Действительно, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к выводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма». Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате.

С точки зрения волновой теории света, основоположником которой и является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде — эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.

1) Свет — это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе.

2) Эфир — гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью.

3) Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность — фронт волны (принцип Гюйгенса).

Чем дальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится.

Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения. Принцип Гюйгенса легко доказывает, что световые лучи в однородной среде распространяются прямолинейно.

«Скорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютного показателя среды» доказывал Гюйгенс. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теории Ньютона. Невысокий уровень экспериментальной техники XVII века исключал возможность установить, какая из теорий верна. Многие сомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодических колебаний, распространяющихся в эфире.

3. XVIII — XIX век

3.1 Дальнейшее развитие волновой оптики

В области оптики после Ньютона не происходит больших событий вплоть до конца XVIII в. Исследователи заняты в основном освоением наследства, оставленного Ньютоном и совершенствованием инструментальной оптики. Следует отметить лишь, что в середине века трудами П. Бугера и И.Г. Ламберта создается фотометрия.

В оптических воззрениях XVIII в. господствует корпускулярная гипотеза. Однако имеется и сильная оппозиция ньютоновским тенденциям. М. В. Ломоносов и Л. Эйлер подвергают резкой критике корпускулярную гипотезу.

Развивая воззрения Гюйгенса и Гука, Эйлер последовательно проводит аналогию между светом и звуком: звук распространяется в воздухе, свет — в эфире продольными волнами. Однако в отличие от Гюйгенса, Эйлер вводит в волновую оптику ее важнейший элемент — представление о периодичности света.

Цветность светового луча, по Эйлеру, определяется длиной его волны. Цвета тел являются результатом вибрации частиц тела под действием падающего света. Опираясь на эти представления, Эйлер развивает качественную теорию оптических явлений.

Наряду с теоретическими конструкциями к концу XVIII в. появляются экспериментальные факты, тесно связанные с решением вопроса о природе света. В 1791 г. аббат Прево устанавливает общность свойств тепловых и световых лучей, Вильям Гершель (1738—1822) в 1800 г. открывает инфракрасные лучи по их тепловым действиям, а Иоганн Риттер — ультрафиолетовые лучи по их химическим действиям. Далее выясняется, что невидимые излучения по своим свойствам тождественны свету.

К этому времени уже известны тепловые и световые действия электричества. Обнажаются, таким образом, поразительные связи явлений. Они заставляют естествоиспытателей размышлять об общности тепла, света и электричества.

В конце XVIII в. А. Лавуазье высказал гипотезу, что в «природе существует особое вещество, производящее то явление, которое мы называем светом», и приписал это вещество к числу химических элементов.

Однако корпускулярная гипотеза не давала пищи для таких размышлений. В то же время гипотеза эфира давала простор для теоретических построений, способных учесть связи между физическими явлениями. Не случайно физики снова обращаются к идее связи света и электричества.

3.2 Опыты Томаса Юнга и последующие открытия

В 1801 г. Томас Юнг (1773—1829) формулирует гипотезу о том, что светящееся тело возбуждает колебательные движения в эфире; ощущение цветов зависит от частоты колебаний, возбужденных светом на сетчатке.

Юнг вводит понятия частоты колебаний и длины волны, устанавливает соотношение между ними и скоростью распространения волны.

Юнг ставит серию экспериментов для утверждения принципа интерференции. Трудно было изменить привычным корпускулярным представлениям. «Вот бесспорно самая странная из гипотез! — писал Араго.— Неожиданностью было видеть ночь среди ясного дня в точках, которых свободно достигали солнечные лучи, но кто бы мог подумать, что свет, слагаясь со светом, может вызвать мрак».

Юнг убедительно продемонстрировал эффективность принципа интерференции в объяснении оптических явлений.

Введение представления о поперечности световых волн. В 1818 г. французский физик Огюстен Френель (1788—1827) представил во Французскую академию «Мемуар о дифракции света», в котором высказал плодотворную идею соединить принцип интерференции Юнга с принципом Гюйгенса. Эта идея позволила построить первую количественную теорию дифракционных явлений. Однако начиная еще с 1808 г. развиваются события, которые заставляют усомниться в преимуществе волновой теории по сравнению с корпускулярной.

В конце 1808 г. Малюс открывает новый оптический факт — поляризацию света при отражении. Араго в 1811 г, устанавливает возможность вращения плоскости поляризации, а Био в 1813 г. описывает явление хроматической поляризации. Наконец, Френель в 1816 г. ставит ряд экспериментов, обнаруживающих, в частности, что интерференция поляризованных лучей происходит только при параллельном расположении плоскостей поляризации. Эти факты никак не укладывались в рамки волновой теории, в которой волны в эфире предполагались аналогичными звуковым, т. е. продольными. Особенно явно противоречил этому представлению последний факт, установленный Френелем. Действительно, для осуществления интерференции поляризованных лучей нужно, чтобы колебания эфира совершались в одном и тем же направлении, но это противоречит самому существу интерференции,

Поляризационные явления вели к гипотезе о поперечности световых волн. К концу XIX в. кристаллизовалось представление о свете, как поперечных электромагнитных волнах.

3.3 Электромагнитная теория света

Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831-1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.

Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.

Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света.

Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний — электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.

4. Природа света XX века

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Было доказано, что вещество излучает или поглощает энергию конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой или поглощаемой частоте. Энергия одного кванта E=h v, где v — частота излучения, a h — универсальная константа, названная постоянной М. Планка. Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.

Теория квантов М. Планка совершила подлинную революцию в физике. Она стала основой для атомной теории, поскольку в 1913 г. Н. Бор применил ее к строению атома, а также объяснила движение электронов в твердых телах и дала начало квантовой физике. За открытие кванта М. Планк стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1918 г.

Квантовая теория вновь обострила противоречия, связанные с природой света. В 1923 г. Л. де Бройль выдвинул и обосновал гипотезу об универсальности дуализма в микромире. Он распространил идею А. Эйнштейна, высказанную в 1905 г., о двойственности природы света и вещества, т.е. каждой частице материи, в частности, электрону, должна соответствовать волна. Воспользовавшись теорий относительности, де Бройль вывел формулу, связывающую длину волны движущейся частицы с ее импульсом: Х= h/P, где h — постоянная М. Планка. За открытие волновой природы электронов де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике, а его теория легла в основу волновой механики. Открытие дифракционных (волновых) свойств микрочастиц привели к разработке новых методов исследования структуры веществ, в частности электронно-оптических методов.

В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться.

С физической точки зрения свет представляет собой сочетание электромагнитных волн с разными значениями длины и частоты. Глаз человека воспринимает не любой свет, а только лишь тот, длина волн которого колеблется от 380 до 760 нм. Остальные разновидности остаются для нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.

Исаак Ньютон представлял свет как направленный поток самых мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. Это подтверждается всем известным явлением фотоэффекта. Выходит, что световой поток имеет двоякую природу.

Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную. Результаты исследований, полученные в том или ином случае, не исключают, а дополняют друг друга. То есть световые волны имеют характерные особенности и частиц и волн одновременно.

Проводятся опыты, подтверждающие обе теории. Пока нет ответа на вопрос, что же такое свет.

Источники:
  • http://www.eduspb.com/node/1998
  • http://www.vseznaika.org/fizika/chto-takoe-svet-s-tochki-zreniya-fiziki/
  • http://fis.wikireading.ru/486
  • http://revolution.allbest.ru/physics/00626151_0.html