mozok.click » Фізика » Природа світла
Інформація про новину
  • Переглядів: 10
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 21:40
12-02-2018, 21:40

Природа світла

Категорія: Фізика

Розвиток уявлень про природу світла. Століттями тривали між вченими суперечки про природу світла. Світло стало для них одним з «найміцні-ших горішків», його навіть називали «темною плямою у фізиці»! У 1678 р. голландський астроном і фізик Християн Гюйгенс запропонував хвильову теорію світла, згідно з якою світло - це хвилі, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі - ефірі, який заповнює увесь простір і проникає всередину всіх тіл. Ця теорія добре пояснювала низку оптичних явищ, зокрема перетинання світлових потоків, коли вони вільно проходять один крізь одного, не здійснюючи взаємного впливу, так само, як будь-яка кількість звукових хвиль може одночасно поширюватися в повітрі, не перешкоджаючи одна одній. Теорія Гюйгенса добре пояснювала й такі хвильові процеси, як відбивання і заломлення хвиль, явища дифракції та інтерференції. Основний недолік теорії полягав у тому, що вона ґрунтувалась на уявленні про світло як про механічну поперечну хвилю, для поширення якої необхідна наявність певного середовища - ефіру.

У 1704 р. І. Ньютон висунув іншу, так звану корпускулярну теорію світла, згідно з якою світло - це потік частинок (Ньютон назвав їх корпускулами), що рухаються за законами класичної механіки: у вільному просторі прямолінійно з постійною швидкістю (за інерцією) тобто як повинні рухатися частинки за відсутності взаємодії згідно з першим законом Ньютона. Якщо ж на шляху світла зустрічається перешкода, то під час взаємодії з нею світлові частинки змінюють свій імпульс згідно з другим законом Ньютона, що й спричинює огинання перешкод. Теорія Ньютона пояснювала прямо

лінійне поширення світла, утворення за предметами різких тіней. Але перетинання світлових потоків пояснити не могла. Адже гіпотетичні світлові частинки повинні зіштовхуватися. Крім того, досить проблематичним з позицій корпускулярної теорії було пояснення явища заломлення світла.

Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Незважаючи на досить вагомі успіхи механіки у вивченні багатьох природних явищ, за допомогою механічних уявлень не вдавалося підійти до розкриття таємниці природи світла. Загадкове світло на відмінну від інших фізичних об’єктів не має розмірів, форми, якогось певного положення в просторі.



Нарешті у другій половині XIX століття, у 1865 р., англійський фізик Дж. Максвелл висловив припущення про електромагнітну природу світла і переконливо показав, що світло є окремим випадком елек громагнітних'хвиль.

Але на початку XX ст. знову довелося повернутися до уявлення про корпускулярну природу світла. У 1905 р. А. Ейнштейн, пояснюючи явище фотоефекту, довів, що під час випромінювання і поглинання світло поводить себе подібно до потоку частинок (квантів енергії), які дістали назву фото нів. У процесі ж поширення світла виявляються його хвильові властивості.

Прояв у поведінці одного і того самого об’єкта залежно. від умов експерименту як корпускулярних, так і хвильових властивостей, було названо корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

Класична фізика завжди чітко розрізняла об’єкти, що мають хвильову природу, та об’єкти з дискретною корпускулярною структурою. Сучасна квантова фізика довела, що протиставлення хвильових і квантрвих властивостей матеріальних об’єктів помилкове та є наслідком наших обмежених можливостей опису природних явищ. Одним з найвагоміших досягнень сучасної фізики є поєднання, на перший погляд, несумісних теорій — хвильової і корпускулярної - та доведення того, що корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий обом видам матерії. Корпускулярно-хвильовий дуалізм є універсальною властивістю не тільки світла, а й будь яких матеріальних об’єктів.

Оперуючи поняттям «світло* у розділі «Оптика», ми вважатимемо що світло — це електромагнітні хвилі у діапазоні частот коливань від ФІО11 до 7,5-Ю11 Гц (оптичний діапазон). У цьому інтервалі кожній частоті відповідає свій колір випромінювання. У вакуумі світлове випромінювання має довжини хвиль від 400 нм (фіолетовий колір) до 760 нм (червоний).

Зазначимо, що під час переходу світлового випромінювання з одного середовища в інше його колір зберігається, оскільки зберігається його частота, а довжина хвилі змінюється внаслідок зміни швидкості поширення світлової хвилі.


Джерела й приймачі світла. Можна навести безліч прикладів різних джерел світла: Сонце, зорі, лампи розжарювання, світлодіоди, газосвітні трубки тощо. За механізмом випромінювання розрізняють теплові та лю мінесцентні джерела світла. У перших — світіння досягається за рахунок внутрішньої енергії, збільшеної під час нагрівання до високої температури (наприклад, лампа розжарювання, Сонце). У других - світло випромінюють атоми чи молекули газів або твердих тіл за рахунок енергії, отриманої від потоку електронів, електричного поля, струму, хімічної реакції тощо (наприклад, неонова, дугова, ртутна, галогенна лампи, лампа денного світла).

Взагалі джерелом світла є будь-яке тіло або пристрій, що перетворює будь-який вид енергії в електромагнітну енергію оптичного діапазону.

Приймачами світла називають пристрої, призначені для виявлення або ж вимірювання світлового (оптичного) випромінювання.

Принцип дії приймачів полягає у перетворенні енергії випромінювання в інші види енергії, зручніші для безпосереднього вимірювання (теплову, механічну, електричну). Приймачами світла є термоелементи, фотоелементи, фотодіо-ди й, звичайно, очі живих істот.

Поглинання і відбивання світла. Розглянемо тонкий світловий пучок, що падає з повітря на поверхню води (мал. 199). Як ми уже знаємо, для світлових хвиль (як і хвиль будь-якої природи) на межі поділу двох середовищ спостерігаються явища відбивання і заломлення, які описуються відповідними законами.

У точці падіння частина світлового пучка відбивається - повертається у повітря, а частина проникає у воду і при цьому заломлюється. Із закону збереження енергії випливає, що одну частину енергії випромінювання W, яка надходить за деякий час у точку О. забирають відбиті промені W^, іншу W - заломлені, при цьому W = WbU+


Зменшення енергії світлової хвилі, яке відбувається в міру проникнення її вглиб речовини, називають поглинанням світла.

Оскільки всяке середовище (крім вакууму) поглинає енергію, рівність енергій виконується лише у невеликому околі точки О. Якщо світлове випромінювання проходить у середовищі значні відстані, мало ослаблюючись, то середовище називають прозорим (наприклад, скло, вода, спирт тощо).

Кожне середовище у тій чи іншій мірі відбиває і поглинає світлові промені. Ступінь поглинання та відбивання залежить від роду речовини, стану поверхні, складу випромінювання, кута падіння променів та інших причин. Зокрема, зі збільшенням кута падіння променів а частина відбитого світла збільшується, а заломленого - зменшується. Залежність частки відбивання і поглинання від частоти коливань найчастіше має вибірковий характер, тобто коливання з однією частотою речовина відбиває або поглинає добре, а з іншою - погано. Наприклад, атмосфера Землі добре поглинає короткі хвилі видимого спектра і значно слабше - його довгі хвилі.

Метали сильно поглинають світлове випромінювання, яке проникає в них, тобто вони непрозорі для нього. З великим поглинанням світла всередині металів тісно зв’язаний їх великий коефіцієнт відбивання. Якщо для скла коефіцієнт відбивання від поверхні дорівнює 4%, то для металів він досягає 80-90%.

Показник заломлення. Вивчаючи електромагнітні хвилі, ми неодноразово згадували про показник заломлення.

Абсолютний показник заломлення середовища п, це - фізична величина, що показує у скільки разів швидкість поширення світла у вакуумі с більша

ніж у середовищі о,

Абсолютний показник заломлення середовища має глибокий фізичний зміст. Він пов’язаний зі швидкістю поширення світла в даному середовищі, яка залежить від його фізичного стану (температури, густини тощо). Крім того, показник заломлення залежить від властивостей світла: для червоного світла він менший, ніж для зеленого, а для зеленого менший, ніж для фіолетового. Для будь-якого середовища абсолютний показник заломлення п > 1.

З двох прозорих середовищ оптично більш густим називають середовище з більшим показником заломлення, тобто в якому швидкість поширення світла менша. Потрапляючи в більш густе середовище промінь відхиляється в бік перпендикуляра, проведеного до межі поділу середовищ у точку падіння променя (мал. 199). Навпаки, якщо відбувається перехід променя з середовища оптично більш густого в оптично менш густе, кут заломлення є більшим за кут падіння. Скориставшись визначенням абсолютного показника заломлення, формулу закону заломлення світла можна записати так:

Абсолютний показник заломлення повітря для жовтого світла за нормальних умов дорівнює приблизно п = 1,000292. Таблицю показників заломлення деяких речовин відносно повітря наведено в додатку.

Дайте відповіді на запитання

1. Назвіть факти, які доводять правильність корпускулярної теорії Ньютона: які доводять її хибність.

2. Які факти підтверджують правильність хвильової теорії Гюйгенса? Які доводять її хибність?

3. Яке припущення про природу світла висловив Максвелл?

4. Що називають корпускулярно-хвильовим дуалізмом?

5. Які оптичні явища спостерігаються на межі поділу двох прозорих середовищ?



^