Корпускулярно – волновой дуализм света
К концу XVII в. возникают две теории света: корпускулярная, предложенная И. Ньютоном, согласно которой свет представляет собой поток частиц, и волновая, предложенная Х. Гюйгенсом, в которой свет рассматривался как упругая волна.
К началу XIX в. были объяснены явления интерференции и дифракции света, в которых свет проявляет волновые свойства. Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух или нескольких световых волн происходит перераспределение энергии в пространстве. Для наблюдения устойчивой картины интерференции (чередование светлых и темных полос на экране) необходимо соблюдение условия когерентности волн, т.е. самосогласованного протекания колебательных и волновых процессов. Дифракция света состоит в явлении отклонения света от прямолинейного распространения на различных препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны. Поляризация света проявляет себя в изменении интенсивности света в зависимости от взаимной ориентации кристаллов при пропускании света через них. Это явление объясняется на основе предположения о поперечности световых волн.
Исследование явлений интерференции, дифракции, поляризации света, построение электромагнитной теории Максвелла привели к утверждению волновой теории света.
Однако в конце XIX – начале XX вв. был обнаружен ряд эффектов, которые оказалось невозможным объяснить на основе волновых представлений. Одной из проблем, стоящей перед физиками конца XIX в., была проблема излучения черного тела, т.е. тела, поглощающего всю падающую на него энергию. Попытки объяснить излучение черного тела и его закономерности были предприняты Вильгельмом Вином (1864–1927) и Джоном Уильямом Рэлеем (1842–1919). Из классической теории следовало, что раскаленное тело с течением времени должно отдавать все больше тепла в окружающее пространство и яркость его свечения должна все больше возрастать («ультрафиолетовая катастрофа»). Проблема излучения черного тела была решена немецким физиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком (1858–1947). 14 декабря 1900 г. М. Планк докладывает Берлинскому физическому обществу о своей знаменитой гипотезе и новой формуле излучения. Согласно гипотезе Планка, излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия Е которых определяется частотой n:
E = hn,
где h = 6,63 10-34 Дж · с – постоянная Планка, еще одна фундаментальная постоянная посредством которой связаны энергия и частота. На основе этой гипотезы удалось полностью объяснить тепловое излучение черного тела.
В 1905 г. А. Эйнштейн на основе предположения о том, что свет не только испускается отдельными порциями, но и поглощается в виде отдельных порций, объяснил все закономерности явления фотоэффекта открытого в 1887 г. Г. Герцем.
Явление фотоэффекта состоит в испускании электронов веществом под действием света. Количественные закономерности фотоэффекта были экспериментально установлены Александром Григорьевичем Столетовым (1839–1896): 1) количество вырываемых с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) пропорционально интенсивности падающего на поверхность тела излучения; 2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности светового излучения; 3) если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты (красная граница фотоэффекта), то фотоэффект не наблюдается; 4) фотоэффект протекает практически мгновенно.
На основе волновой теории удавалось объяснить только первый из четырех законов фотоэффекта.
Итак, в ряде экспериментов свет обнаруживает наряду с волновыми свойствами и свойства частиц – фотонов, обладающих энергией и импульсом. Фотон – частица, обладающая нулевой массой, но имеющая определенную энергию и импульс. (Фотон движется всегда со скоростью света и не существует в покое, существование безмассовых частиц предсказывает СТО; говорить о массе покоя вообще не имеет смысла в силу инвариантности массы и отсутствия в природе покоящихся фотонов) Энергия фотона определяется через его частоту, которая характеризует наличие у фотона-частицы волновых свойств.
Итак, изучение свойств распространения света и его взаимодействия с веществом привели к корпускулярно-волновому дуализму света: свет способен проявлять как свойства волны, так и свойства частиц. Заметим, что природа света едина (!) – электромагнитная, а свойства его носят двойственный характер.
Строение атомов.