Современная точка зрения на природу света

Световые волны

Диаграмма направленности излучения диполя

Интенсивность дипольного гармонического излучения

Электрическое поле диполя, колеблющегося по гармоническому закону

Пусть , тогда:

Для E из (16.4.2) имеем:

— это графическое изображение в полярной системе координат зависимости интенсивности излучения I, (16.4.2.2), от угла θ.

На рисунке дана половина пространственного изображения диаграммы направленности. Полная диаграмма похожа на бублик без дырки.

Световая волна — это электромагнитная волна с длиной волны в вакууме:

Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом. Частота световой волны (15.1.8.), (16.1.2.1.):

По современным представлениям свет — это поток фотонов, т.е. элементарных частиц, имеющих нулевую массу, двигающихся со скоростью м/с. Каждый фотон (квант света) обладает энергией:

,

где v — частота электромагнитной волны, — постоянная Планка. (М. Planck — немецкий физик, получивший в 1900 году на основе выдвинутой им гипотезы квантов, закон распределения в спектре излучения абсолютно черного тела).

Импульс каждого фотона:

,

где — волновой вектор (15.2.4), модуль волнового вектора (см. 15.2.4.1).

.

Дата добавления: 2013-12-12 ; Просмотров: 1496 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Развитие взглядов на природу света

В природе существует только два способа передачи взаимодействий между телами: 1-ый — путем переноса вещества и 2-ой — путем изменения состояния физической среды.

В физике долгое время существовали две теории о природе света: 1-ая — корпускулярная (основоположник-И. Ньютон); 2-ая — волновая (основоположник — Х. Гюйгенс).

По Ньютону свет — это поток частиц, летящих в пространстве от источника света во все стороны по инерции и подчиняющихся законам классической механики. Свет — это перенос частиц (корпускул) от источника к приемнику.

По Гюйгенсу свет — это волны, распространяющиеся от источника во все стороны в особой среде — эфире. Эфир пронизывает все мировое пространство, он невидим, никак не ощущается, в нем отсутствует трение. Свет — это волна, изменяющая состояние некой среды — мирового эфира.

Обе теории появились почти одновременно в XVII в. и существовали параллельно. Большинство физиков отдавали предпочтение корпускулярной теории, в основном, благодаря непререкаемому научному авторитету Ньютона. Его теория очень просто объясняла прямолинейное распространение света и образование теней на основе инерции, которой обладают все материальные тела. Волновая теория Гюйгенса объяснить этого не могла. Однако, теория Ньютона также никак не могла объяснить тот факт, что световые лучи, пересекаясь, никак не влияют друг на друга. Они должны рассеиваться. По волновой теории это объяснялось просто — именно так ведут себя волны на поверхности воды.

Такое положение в физике просуществовало до середины XIX в., пока не были открыты дифракция и интерференция света. Эти явления присущи только волновым процессам, и объяснить их корпускулярная теория не могла никак. Казалось, что полностью восторжествовала волновая теория. Уверенность в ее правоте тем более окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX в. теоретически показал, что свет — это обычная ЭМВ определенной частоты и длины. Работы Максвелла заложили основы электромагнитной теории света, а после опытов Герца, которые доказали существование ЭМВ, уже не возникало никаких сомнений в том, что свет при распространении ведет себя как волна.

Однако, к концу XIX в. накопилось достаточно экспериментальных данных о том, что свет излучается и поглощается прерывисто (дискретно) и происходит это микроскопическими порциями энергии — квантами. Исходя из этого предположения, немецкий физик Макс Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Альберт Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света.

Согласно этой теории, свет представляет собой поток световых частиц — фотонов.

Фотоны существенно отличаются от обычных частиц: они существуют только в движении (со скоростью света) и имеют конечную массу. Фотон не может существовать в состоянии покоя. Фотоны поглощаются атомами, отдавая им свою энергию, и могут излучаться атомами.

В соответствии с современными представлениями, свет — это совокупность ЭМВ в диапазоне от 400 нм

(фиолетовый) до 800 нм (красный) или, соответственно, от 750 ТГц до 375 ТГц. Волновая

(электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теории не исключают друг друга, а взаимно дополняют.

Свет обладает дуализмом — двойственностью свойств. Фотон — это одновременно и частица, и волна.

Призмы

Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Особый интерес представляет ход луча в призме:

Поскольку угол преломления зависит от скорости света в среде, а скорость света связана с длиной световой волны (частотой), то свет разного цвета (разной длинны волны или частоты) должен преломляться по-разному. Впервые это эффект обнаружил Ньютон, пропуская тонкий солнечный луч через трехгранную призму: белый свет, проходя через призму, распадался на радужную полоску, которую принято называть спектром. В спектре выделяют семь основных цветов, однако границы между ними размыты, поэтому полутонов там очень много. Если под одним и тем же углом направить на призму красный и синий лучи, то невооруженным глазом легко заметить, что красный луч преломляется в призме значительно меньше, чем синий. Скорость красного света в веществе больше, чем синего, поэтому таков результат преломления. И именно поэтому призма разлагает белый свет на составляющие.

Дисперсией называется зависимость показателя преломления света от длины волны (частоты). Дисперсионная картина, которая возникает на экране при прохождении белого света через призму, называется спектром. Спектр солнечного света, да и вообще любого источника, который излучает свет в результате нагревания, сплошной.

На границе раздела двух сред происходит также частичное отражение падающего луча.

Большое практическое значение имеет эффект полного отражения, когда угол преломления равен 90, и преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. Это возможно, если луч падающий попадает на границу раздела двух срез из более плотной среды, например, из воды в воздух.

В геометрической оптике скорость света не имеет значения. Тем не менее, первые способы измерения скорости света были основаны именно на методах геометрической оптики.

Датский астроном Рёмер в 1676 году сделал попытку измерить скорость света по задержке времени выхода спутника Ио из тени планеты — Юпитера. Естественно, точного значения он не получил, но смог оценить порядок: примерно 215 000 км/с. Это колоссальная скорость!

В 1849 году французский физик Физо с помощью лабораторной установки, которая имела специальный источник света, вращающийся диск с прорезями, полупрозрачное зеркало и обычное зеркало, находящееся на расстоянии 8,6 км, более точно определил величину скорости света: примерно 313 000 км/с.

В 1926 году американский физик Майкельсон измерил скорость света с помощью установки, расположенной на двух горных вершинах на расстоянии 35,4 км и содержащей вращающееся зеркало. Значение скорости света, полученное в этом эксперименте, составило 299 796 км/с.

Наиболее точное значение скорости света было получено в 1972 году: 299 792 456,2 м/с.

В настоящее время принято, что скорость света в вакууме составляет 299 792 458 м/с

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 8923 — | 6985 — или читать все.

193.124.117.139 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

33. Развитие взглядов на природу света. Форму па Планка

В истории науки существовали две точки зрения на природу света. Одна из них, поддерживаемая авторитетом И. Ньютона, рассматривала свет как поток упругих корпускул. Вторая точка зрения, отстаиваемая Р. Декартом, а. впоследствии X. Гюйген­сом, рассматривала свет как механическую волну, распростра­няющуюся в упругой среде — эфире. До начала XIX в. а господ­ство удерживала первая точка зрения. Однако с 1801 г. ситуа­ция резко изменилась в связи с установлением Т. Юнгом явления интерференции на двух щелях. Опыты Юнга были продолжены Френелем, который дал объяснение явлениям интерференции и дифракции исходя из представлений о волновой природе све­та. Таким образом, к середине XIX в. не было никаких сомне­ний по поводу того, что свет является волной. Открытие Макс­веллом электромагнитной природы света только укрепило эту уверенность. Специальная теория относительности не подвер­гала критическому пересмотру эту точку зрения. Отметим, что классическая физика исходит из коренного различия между по­нятиями частицы и волны. Считается, что частица обладает конечным числом степеней свободы, строгой траекторией дви­жения, отсутствием интерференции и дифракции. Волна же обладает бесконечным числом степеней свободы, бестраекторностью, ибо каждая точка пространства, куда приходит воз­буждение, сама становится источником вторичных волн. Явле­ние интерференции и дифракции — не что иное, как наложе­ние друг на друга когерентных волн; то есть эти явления отражают волновую природу конкретных материальных объектов.

Вся классическая физика строится исходя из представле­ния о непрерывной природе пространства, времени, движе­ния, непрерывного характера изменения всех физических величин. Гениальная гипотеза, высказанная М. Планком в связи с разрешением кризисной ситуации, которая сложилась в физике в конце XIX в. при исследовании законов излучения абсолютно черного тела, постулирует, что вещество не мо­жет излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта)

где v — частота излучения, a h — универсальная константа, полу­чившая название постоянной Планка, или элементарного кванта действия.

Постоянная Планка — универсальная константа, что оз­начает: через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два объекта, один из которых является микрообъектом.

Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в кото­рых свет проявляет свои волновые свойства. Но при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярной при­роде света. Таким образом, заговорили о корпускулярно-вол­новом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна; а в других ситуациях свет ведет себя как поток частиц (фотонов).

34. Фотон и его характеристики

фотон обладает энергией Е — hv. Согласно теории относи­тельности, частица с энергией Е обладает массой т = Е/С². фотон — частица, движущаяся со скоростью света С. При движении фотона его масса, как видно из приведенных фор­мул, конечна. Однако подстановка в формулы специальной теории относительности значения скорости движущегося объекта V=С приведет к равенству нулю массы покоя фотона. То есть фотон существенно отличается от обычных известных к тому времени в физике частиц, так как не имеет массы покоя и может существовать только в движении. Из равен­ства вышеприведенных формул получим

hv = тС² . Импульс фотона Р — тС и, следовательно, равен

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.

Open Library — открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Энергетика Современная точка зрения на природу света

Световые волны

Диаграмма направленности излучения диполя

Интенсивность дипольного гармонического излучения

Электрическое поле диполя, колеблющегося по гармоническому закону

Пусть , тогда:

Для E из (16.4.2) имеем:

— это графическое изображение в полярной системе координат зависимости интенсивности излучения I, (16.4.2.2), от угла θ.

На рисунке дана половина пространственного изображения диаграммы направленности. Полная диаграмма похожа на бублик без дырки.

Световая волна — это электромагнитная волна с длиной волны в вакууме:

Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом. Частота световой волны (15.1.8.), (16.1.2.1.):

По современным представлениям свет — это поток фотонов, ᴛ.ᴇ. элементарных частиц, имеющих нулевую массу, двигающихся со скоростью м/с. Каждый фотон (квант света) обладает энергией:

,

где v — частота электромагнитной волны, — постоянная Планка. (М. Planck — немецкий физик, получивший в 1900 году на основе выдвинутой им гипотезы квантов, закон распределœения в спектре излучения абсолютно черного тела).

Импульс каждого фотона:

,

где — волновой вектор (15.2.4), модуль волнового вектора (см. 15.2.4.1).

.

Читайте также

Световые волны Диаграмма направленности излучения диполя Интенсивность дипольного гармонического излучения Электрическое поле диполя, колеблющегося по гармоническому закону Пусть . [читать подробенее]

Природа света

Первые теории о природе света — корпускулярная и волновая — появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон.

Согласно волновой теории свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство — светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса.
Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира.

Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга.

Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало. что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории.

Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет — электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).

Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других — свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.

Первые представления о природе света, возникшие у древних греков и египтян, в дальнейшем, по мере изобретения и усовершенствования различных оптических приборов, развивались и трансформировались.

В средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами. В 1590 г. З. Янсен построил первый микроскоп, в 1609 г. Г. Галилей изобрел телескоп. Количественный закон преломления света при прохождении границы раздела двух сред установил в 1620 г. В. Снеллиус. Математическая запись этого закона в виде , принадлежит Р. Декарту (1637 г.) Он же попытался объяснить этот закон исходя из корпускулярной теории. Впоследствии формулировкой принципа Ферма (1660 г.) был завершен фундамент построения геометрической оптики.

Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди, 1665 г.), двойного лучепреломления (Э. Бартолин, 1669 г.) и с работами И. Ньютона, Р. Гука, Х. Гюйгенса.

В конце XVII века на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две мощные теории света – корпускулярная (Ньютон – Декарт) и волновая (Гук – Гюйгенс).

Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет – корпускулы, испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. К анализу движения световых корпускул Ньютон, естественно, применил сформулированные им законы механики. Из этих представлений он легко вывел законы отражения и преломления света (рис. 7.11):

Однако из рассуждений Ньютона следовало, что скорость света в веществе больше скорости света в вакууме: .

Кроме того, в 1666 г. Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», каждый из которых характеризуется своей преломляемостью (рис. 7.12), т.е. дал понятие дисперсии света. Эта особенность была объяснена различием масс корпускул.

В то же время в XVII в. (наряду с концепцией Декарта – Ньютона) развивалась противоположная, волновая теория Гука – Гюйгенса о том, что свет есть процесс распространения продольных деформаций в некоторой среде, пронизывающей все тело, – в мировом эфире.

К концу XVII в. в оптике сложилось весьма своеобразное положение. И та и другая теории объясняли основные оптические закономерности: прямолинейность распространения, законы отражения и преломления. Дальнейшие попытки более полного объяснения наблюдаемых фактов приводили к затруднению в обеих теориях.

Гюйгенс не смог объяснить физической причины наличия различных цветов и механизм изменения скорости распространения света в эфире, пронизывающем различные среды.

Ньютону трудно было объяснить, почему при падении на границу двух сред происходит частичное и отражение, и преломление, а также интерференцию и дисперсию света. Однако огромный авторитет Ньютона и незавершенность волновой теории привели к тому, что весь XVIII в. прошел под знаком корпускулярной теории.

Начало XIX в. характеризуется интенсивным развитием математической теории колебаний и волн и ее приложением к объяснению ряда оптических явлений. В связи с работами Т. Юнга и О. Френеля победа временно перешла к волновой оптике.

· 1801 г. Т. Юнг формулирует принцип интерференции и объяснет цвета тонких пленок.

· 1818 г. О. Френель объясняет явление дифракции.

· 1840 г. О. Френель и Д. Арго исследуют интерференцию поляризованного света и доказывают поперечность световых колебаний.

· 1841 г. О. Френель строит теорию кристаллооптических колебаний.

· 1849 г. А. Физо измерил скорость света и рассчитал по волновой теории коэффициент преломления воды , что совпало с экспериментом.

· 1848 г. М. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).

· 1860 г. Дж. Максвелл, основываясь на открытии Фарадея, пришел к выводу, что свет есть электромагнитные волны, а не упругие.

· 1888 г. Г. Герц экспериментально подтвердил, что электромагнитное поле распространяется со скоростью света с.

· 1899 г. П.Н. Лебедев измерил давление света.

Казалось, что спор полностью решен в пользу волновой теории света, так как в середине XIX в. были обнаружены факты, указывающие на связь и аналогию оптических и электрических явлений. Фарадеем, Максвеллом и другими учеными было показано, что свет – частный случай электромагнитной волны с . Только этот интервал длин волн оказывает воздействие на наш глаз и является собственно светом. Но и более длинные и более короткие волны имеют одну и ту же природу, что и свет.

Однако, несмотря на огромные успехи в электромагнитной теории света, к концу XIX в. начали накапливаться новые факты, противоречащие волновой теории света. Волновая теория не смогла объяснить распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела и явление фотоэффекта, которое в 1890 г. исследовал А.Г. Столетов.

В 1900 г. Макс Планк показал, что излучение абсолютно черного тела можно объяснить, если предложить, что свет излучается не непрерывно, а порциями, квантами с энергией , где ν – частота, h – постоянная Планка.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта на основе представления о световых частицах – «квантах» света, «фотонах», масса которых

.

Это соотношение связывает корпускулярные характеристики излучения, массу и энергию кванта, с волновыми – частотой и длиной волны.

Работы Планка и Эйнштейна явились началом развития квантовой физики.

Итак, обе теории – и волновая, и квантовая – одновременно развивались, имея свои несомненные достоинства и недостатки, и как бы дополняли друг друга. Ученые уже начали приходить к мнению, что свет является одновременно и волнами, и корпускулами. И вот в 1922 г. А. Комптон окончательно доказал, что рентгеновские электромагнитные волны – одновременно и корпускулы (фотоны, кванты), и волны.

Таким образом, длительный путь исследований привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света.

Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 80 % информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие как интерференция, дифракция, поляризация и др., в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики, благодаря их предметной наглядности и точности теоретических представлений.

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика, как наука, закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях.

Наиболее важное событие в современной оптике – экспериментальное обнаружение методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул – создание оптического квантового генератора (лазера) (А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ч. Таунс, 1954 г.).

В современной физической оптике квантовые представления не противоречат волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики.