Корпускулярно - волновой дуализм
ажных открытия:
1)Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления
в данном веществе (дисперсия).
2)Белый цвет есть совокупность простых цветов.
Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные
длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать
следующим образом:
Показатель преломления вещества зависит от длины световой волны.
Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.
1.2 Дифракция.
У световой волны не происходит изменения геометрической формы
фронта при распространении в однородной среде. Однако если распространение
света осуществляется в неоднородной среде, в которой, например, находятся
не прозрачные экраны, области пространства со сравнительно резким
изменением показателя преломления и т. п., то наблюдается искажение фронта
волны. В этом случае происходит перераспределение интенсивности световой
волны в пространстве. При освещении, например, непрозрачных экранов
точечным источником света на границе тени, где согласно законам
геометрической оптики должен был бы проходить скачкообразный переход от
тени к свету, наблюдается ряд тёмных и светлых полос, часть света проникает
в область геометрической тени. Эти явления относятся к дифракции света.
Итак, дифракция света в узком смысле - явление огибания светом контура
непрозрачных тел и попадание света в область геометрической тени; в широком
смысле - всякое отклонение при распространении света от законов
геометрической оптики.
Определение Зоммерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонение
от прямолинейного распространения, если оно не может быть объяснено как
результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с
непрерывно меняющимся показателем преломления.
Если в среде имеются мельчайшие частицы (туман) или показатель преломления
заметно меняется на расстояниях порядка длины волны, то в этих случаях
говорят о рассеянии света и термин «дифракция» не употребляется.
Различают два вида дифракции света. Изучая дифракционную картину в точке
наблюдения, находящейся на конечном расстоянии от препятствия, мы имеем
дело с дифракцией Френеля. Если точка наблюдения и источник света
расположены от препятствия так далеко, что лучи, падающие на препятствие, и
лучи, идущие в точку наблюдения, можно считать параллельными пучками, то
говорят о дифракции в параллельных лучах – дифракции Фраунгофера.
Теория дифракции рассматривает волновые процессы в тех случаях, когда на
пути распространения волны имеются какие – либо препятствия.
С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с
помощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхностью
Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое
объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества
поверхности, изучение строения вещества и многие другие.
1.3 Поляризация
Явления интерференции и дифракции, послужившие для обоснования волновой
природы света, не дают еще полного представления о характере световых волн.
Новые черты открывает нам опыт над прохождением света через кристаллы, в
частности через турмалин.
Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так,
что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением
внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку
на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через
сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Так как
турмалин представляет собой кристалл буро – зеленого цвета, то след
прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно – зеленого пятнышка.
Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую
неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда
пластинка повернётся на 900, он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении
пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней
интенсивности, когда пластинка повернется на 1800, т.е. когда оптические
оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении
турмалина пучок вновь слабеет.
Можно объяснить все наблюдающиеся явления, если сделать следующие выводы.
Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии
распространения света (световые волны поперечны).
Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда
они направлены определенным образом относительно его оси.
В свете фонаря(солнца) представлены поперечные колебания любого направления
и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является
преимущественным.
Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит
через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2,
способен пропускать световые колебания только определенного направления.
Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из
поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться
турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять
собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого
ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно
поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось
светового пучка, - плоскостью поляризации.
Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две
последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка
поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания
только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин
полностью только в том случае, когда направление их совпадает с
направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось
параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном
свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым
турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в
поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым
турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично.
Квантовые свойства света.
2.1 Фотоэффект.
Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления
фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887г. немецким физиком Генрихом
Герцем.
Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины,
соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан
положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины.
При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр
разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение.
Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под
действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды.
Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти
частицы – электроны.
Фотоэффекты бывают нескольких видов: внешний и внутренний фотоэффект,
вентильный фотоэффект и ряд других эффектов.
Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под
действием падающего на него света.
Внутренним фотоэффектом называют появление свободных электронов и дырок в
полупроводнике в результате разрыва связей между атомами за счет энергии
света, падающего на полупроводник.
Вентильным фотоэффектом называют возникновение под действием света
электродвижущей силы в системе, содержащей контакт двух различных
полупроводников или полупроводника и металла.
2.2 Эффект Комптона.
Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте
Комптона. Американский физик А. Комптон (1892-1962), исследуя в 1923 г.
Рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с лёгкими
атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения
наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более
длинноволновое излучение.
Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового
электромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-излучений) на
свободных(или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся
увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой
теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна:
под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с
частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.
Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых
представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая
теория, что излучение имеет корпускулярную природу.
Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на
других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы
протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень
высоких энергий.
Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых
представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом
случае фотон рассеивается, во втором- поглощается. Рассеяние происходит при
взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект – со
связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со
свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это
находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому
при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться
только их рассеяние, .т.е. эффект Комптона.
Заключение.
Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс,
масса и спин локализованы в фотонах, а не размыты в пространстве, но не в
том, что фотон может находиться в данном точно определенном месте
пространства. Свет ведет себя как волна в том смысле, что распространение и
распределение фотонов в пространстве носят вероятный характер
| |  скачать работу |
Корпускулярно - волновой дуализм |
