Корпускулярно волновой дуализм

1. Введение.

2. Единство  корпускулярных и волновых свойств  электромагнитного излучения.

3. Волновые  свойства света.

      а) Дисперсия.

      б) Дифракция.

      в) Поляризация

4. Квантовые  свойства света.

      а) Фотоэффект.

      б) Эффект Комптона.

5. Заключение.

6. Список  использованной литературы. 
 
 

                     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

    Непрерывность электромагнитного поля не является абсолютной, она тесно связана со своей противоположностью. В конце прошлого столетия встретились определенные теоретические затруднения при интерпретации экспериментальных фактов, связанных со свойствами теплового излучения – электромагнитного излучения, формирующегося за счет внутренней энергии тела. Это самая универсальная форма излучения во Вселенной.

    Большинство древних философов и ученых рассматривало свет, как лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. Они полагали, что лучи исходят из глаз человека, и как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид. Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы. Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой.

Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета.

Такой точки  зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.

    Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.

    Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

    К середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную мысль к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци.

Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 г., им открыто явление дисперсии света.

    В связи с развитием оптики в XVII в., вопрос о природе света стал вызывать все больший интерес. При этом постепенно происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.

Для развития корпускулярной теории света была более  благоприятная почва.

Действительно, для геометрической оптики представление  о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории.

   Общее  представление о строении вещества  также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В то время в основе взглядов на строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII в., было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. В это же время начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта. 
 

Единство  корпускулярных и волновых свойств  электромагнитного излучения. 

 Последующие изучения фотоэффекта и Комптон – эффекта квантовую гипотезу утвердили уже как научный факт. Таким образом, опытные данные о световых явлениях наглядно свидетельствует, что свет имеет сложную противоречивую природу, соединяя в себе континуальные и дискретные начала

квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов. Теоретические аспекты этого единства детально были проработаны А. Эйнштейном.

  С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света.

Наконец, давление и преломление света  объясняются как волновой, так  и квантовой теориями. Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств – непрерывных (волны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга.

   Более детальное рассмотрение оптических явлений приводит к выводу, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотона. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определённые закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование красной границы фотоэффекта). Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживается волновые свойства (например, волновые свойства (дифракция) рентгеновского излучения обнаружены лишь после применения в качестве дифракционной решётки кристаллов).

    Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами света можно объяснить, если использовать, как это делает квантовая оптика, статистический подход к рассмотрению закономерностей рассмотрения света. Например, дифракция света на щели состоит в том, что при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве. Так как вероятность попадания фотонов в различные точки экрана неодинакова, то и возникает дифракционная картина. Освещённость экрана пропорциональна вероятности попадания фотонов на единицу площади экрана. С другой стороны, по волновой теории, освещённость пропорциональна квадрату амплитуды световой волны  той же точке экрана. Следовательно, квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку. 

Волновые  свойства света. 

  1.1 Дисперсия. 

Показатель преломления не зависит от угла падения светового пучка, но он зависит от его цвета. Это было открыто Ньютоном. Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, Ньютон сделал свои величайшие оптические открытия.

       

 Сущность открытий Ньютона поясняется следующими опытами, свет от фонаря освещает узкое отверстие (щель). При помощи линзы изображение щели получается на экране в виде короткого белого прямоугольника.

Поместив  на пути призму, ребро которой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге.

Это радужное изображение Ньютон назвал спектром.

Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

Показатель  преломления зависит от скорости света ν в веществе.  Абсолютный показатель преломления,

                     ,

где n – относительный показатель преломления, с – скорость света в вакууме, ν – скорость света в среде. 

   Важнейший из многих опытов Ньютона состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

Такие опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким - то значением этого показателя. Подобными наблюдениями, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.

Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных 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.

   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.