Меню

Приведите примеры явлений подтверждающих волновую теорию природы света



Волновая природа света

О том, что луч света резко меняет направление, когда попадает из одной прозрачной среды в другую (например, из воздуха в воду), знали еще в Древней Греции. Тем не менее четко описать это явление и сформулировать его законы первым сумел голландский астроном эпохи Возрождения Виллеброрд Снелл ван Ройен, или Снеллиус (1580—1626).

Так, именно Снеллиус одной формулой доказал: если умножить показатель преломления (отношение скорости света в вакууме к скорости в заданной среде) на синус угла между лучом и воображаемым перпендикуляром к линии раздела, мы получим постоянную величину. Другими словами, ученый выявил, что синус угла падения луча и синус его преломления в конкретной субстанции пропорциональны, и их соотношение определенным образом характеризует две пограничные среды.

Интересно, что французский ученый Рене Декарт (1596—1650) сформулировал этот закон одновременно со Снеллиусом — а помимо того экспериментальным путем объяснил явление радуги. В трактате «Рассуждение о методе» ученый посвятил этому оптическому явлению целую главу, в начале которой описал наблюдение, что радуга возникает не только в небе, а в любом месте, где есть водные капли, освещенные лучами солнца. Это означает, заключил Декарт, что радугу создает именно свет, который определенным образом проходит сквозь капли — попадая внутрь, преломляется, отражается от стенок, снова преломляется и выходит наружу, возвращаясь к наблюдателю.

В подтверждение своей теории ученый налил воды в прозрачный круглый сосуд, чтобы получилась увеличенная версия капли, затем встал спиной к солнцу и расположил сосуд на некотором расстоянии впереди, напротив светила. В итоге нижняя часть «капли» окрасилась в ярко-красный цвет и оставалась такой даже тогда, когда Декарт приближался к сосуду, двигал его из стороны в сторону или вращал. Измерения показали, что между наблюдателем, каплей и солнцем образуется угол 42°. При увеличении угла красный цвет исчезал, а при уменьшении разделялся на желтый, зеленый и другие цвета.

Проанализировав все данные, ученый выяснил: большинство лучей, которые дважды преломились в капле и один раз отразились, при возвращении к наблюдателю отклоняются от первоначального направления на 41—42°; небольшая часть преломленных лучей падает под меньшим углом, но под большим — ни одного. Если же луч и отразился, и преломился в капле дважды (именно такие капли составляют «вторичную радугу»), то, скорее всего, он отклонится от исходного на 51—52° или больше.

Всего Декарт исследовал 10 тысяч лучей, преломляющихся в каплях воды, и сделал вывод, что примерно 8,5 тысячи из них возвращаются к наблюдателю под углом 41,5° к исходящему от источника-солнца лучу. Из капель, через которые прошли эти лучи, и складывается первичная, яркая радуга.

Уже после смерти Декарта, а именно в 1672 г., английский ученый Исаак Ньютон (1643—1727) в процессе усовершенствования оптической техники открыл явление дисперсии — разложения светового потока на отдельные лучи. Ньютон направил на призму пучок света, и тот, пройдя через преломляющую среду, превратился в разноцветную радугу. Впоследствии было доказано, что подобным способом можно соединить в единый белый поток лучи с разной длиной волны.

На основе своих экспериментов Ньютон написал труд «Оптика», дополнив выводы Декарта объяснением, что тот или иной цвет радуги напрямую зависит от угла преломления луча. Кроме того, ученый решил точно определить цвета спектра и сначала насчитал всего пять: красный, желтый, зеленый, синий, пурпурный. Потом ему открылся еще и шестой — оранжевый, но поскольку 6 для Ньютона было «дьявольским числом», он упорно взялся искать седьмой цвет. И нашел! Это был фиолетовый — или, по терминологии самого ученого, индиго. Все цвета расположены в порядке возрастания угла преломления: красный изгибается под наименьшим углом, а фиолетовый — под наибольшим. Так, благодаря Ньютону радуга официально была признана такой, какой мы ее знаем с самого детства.

Читайте также:  Мягкий свет от светодиодов

Между тем датский физик Эразм Бартолин (1625—1698) обнаружил, что в кристалле исландского шпата поток света раскладывается на два луча, которые при вращении кристалла тоже поворачиваются. Поскольку один из лучей не нарушал закона преломления света, а другой изгибался под каким-то странным углом, ученый назвал их соответственно обыкновенным и необыкновенным, а само явление — двойным преломлением. Впрочем, поэкспериментировав, Бартолин выявил, что при определенном направлении световой поток в кристалле не распадается.

Почему так происходит, выяснил нидерландский физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629—1695). Как оказалось, свойства кристалла в разных направлениях неодинаковы, и если луч не раздвоился, то он прошел вдоль так называемой оптической оси. Кристаллы с одной осью (кварц, турмалин, шпат) Гюйгенс назвал одноосными, а с двумя (слюда, гипс) — двуосными. В направлениях, расположенных под одним углом к оси, свойства одноосного кристалла не меняются. Плоскость, на которой лежат ось и луч, называется главным сечением кристалла.

Данные выводы вплотную приблизили Гюйгенса к открытию поляризации света. Как выяснилось в ходе дальнейших наблюдений, обыкновенный луч распространяет свои колебания перпендикулярно главному сечению, а у необыкновенного плоскость колебаний совпадает с плоскостью сечения. Выйдя из кристалла, лучи направляются в одну сторону, но их поляризация (то самое направление колебаний) остается разной.

Несмотря на все эти наблюдения, многие ученые XVIII в. были приверженцами корпускулярной теории света, согласно которой световой поток представляет собой прямолинейное движение частиц-корпускул. Впрочем, данная теория не могла объяснить таких явлений, как поляризация, интерференция и дифракция, потому ученым в конце концов просто пришлось вспомнить подзабытую концепцию световых волн.

Первым раскритиковать корпускулярную теорию рискнул английский ученый широкого профиля Томас Юнг (1773—1829). Особый акцент он сделал на том, что данная концепция не объясняет, почему из слабых и мощных источников частицы света вылетают на одной скорости и почему на границе двух разных сред одни лучи преломляются, а другие отражаются.

Дабы устранить эти противоречия, Юнг предложил альтернативную концепцию: мол, свет — не что иное, как колебание частиц в упругом и разреженном эфире, заполняющем собой всю Вселенную. Ради доказательства своей точки зрения ученый показал, как происходит интерференция света: напротив окна он установил экран с двумя близко расположенными отверстиями, а за этим экраном поставил еще один. Падая из окна на первый экран, поток света проходил через отверстия в виде двух отдельных пучков и двумя перекрывающимися конусами «врезался» во второй экран, образуя на нем интерференционные полосы.

Стоило Юнгу закрыть одно из отверстий в первом экране, как вместо полос появлялись дифракционные кольца. Это явление ученый объяснил тем, что световая волна, прошедшая сквозь отверстие, наложилась на собственное отражение от экрана. Юнгу даже удалось вычислить длины волн каждого цвета — для этого он попросту измерил промежутки между кольцами.

Позицию Юнга поддержал французский физик О. Ж. Френель (1788—1827), который сам поставил целую серию оптических опытов, а выводы изложил в труде, посвященном дифракции. Работа попала на конкурс Французской АН, и судить ее взялись маститые академики Д. Ф. Араго, П. С. Лаплас, Ж. Л. Гей-Люссак и пр., которые придерживались традиционной идеи корпускул. Поначалу, конечно, коллегию немало удивило: как посередине тени от экрана может появиться светлое пятно? Однако опыт показал, что именно так и есть, и ученые вынуждены были признать волновую теорию Френеля.

Последняя точка в споре адептов волн и корпускул была поставлена в середине XIX в., когда француз Ж. Б. Фуко с помощью вращающегося зеркала измерил скорость световых лучей в воде, сравнил ее со скоростью в воздухе и продемонстрировал, что более плотная среда (вода) замедляет потоки света. Это означало одно: свет имеет волновую природу, ведь если бы он состоял из частиц, то в оптически плотной среде — как утверждала корпускулярная теория — должен был бы ускориться.

Читайте также:  Закон малюса для неполяризованного света

Теория Френеля вполне соответствовала как закону Снеллиуса, так и принципу наименьшего времени Ферма: для «путешествия» из пункта А в пункт В (даже если эти точки лежат в разных средах) луч всегда выбирает путь, наименее затратный по времени, то есть минимальной оптической длины. Об этом писал еще античный ученый Птолемей Александрийский, который прославился работами в области оптики. Можно сказать, греки и были теми, кто впервые открыл, что свет — это волна.

Источник

Волновая теория света

  • Волнова́я тео́рия све́та — одна из теорий, объясняющих природу света. Основное положение теории заключается в том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна, от длины которой зависит цвет видимого нами света.

Теория подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция и интерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.

Теория берёт своё начало от Гюйгенса. Она рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты — как результат интерференции этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвав в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете как волне позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Основные положения статистической интерпретации волновой функции были сформулированы М. Борном в 1926 году, как только было опубликовано волновое уравнение Шрёдингера. В отличие от интерпретации Шрёдингера, представляющей электрон в атоме в виде волнового пакета, интерпретация М.Борна рассматривала электрон в атоме как отрицательно заряженную элементарную частицу и сохраняла структуру электрона. Но при этом законы движения электрона в атоме приобретают вероятностный характер, определяемый волновой.

Источник

Приведите примеры явлений подтверждающих волновую теорию природы света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:

где – скорость света в вакууме, – скорость распространения света в среде. Так как , из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов . Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений.

Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса , согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 3.6.1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.

Читайте также:  Выкл с регулировкой света
Рисунок 3.6.1.

Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:

Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу: , тогда как согласно корпускулярной теории .

Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение .

Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.

В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт.

Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (). Таким путем было найдено значение

превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет , но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис. 3.6.2. дает представление о шкале электромагнитных волн.

Рисунок 3.6.2.

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

Видимый свет занимает диапазон приблизительно от до или от до .

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба , возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений (см. гл. 5). Наука вновь вернулась к идее корпускул – световых квантов. Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что свет имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.

Источник

Свет и его значения © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.