Корпускулярно - волновой дуализм

Введение

Почти одновременно были выдвинуты две теории света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.

Согласно корпускулярной теории, или теории истечения, выдвинутой Ньютоном в конце 17 века, светящиеся тела испускают мельчайшие частицы (корпускулы), которые летят прямолинейно по всем направления и, попадая в глаз, вызывают световое ощущение.

Согласно волновой теории светящееся тело вызывает заполняющей все мировое пространство особой среде – мировом эфире – упругие колебания, которые распространяются в эфире подобно звуковым волнам в воздухе.

Во времена Ньютона и Гюйгенса большинство ученых придерживалось корпускулярной теории Ньютона, которая достаточно удовлетворительно объясняла все известные к тому времени световые явления. Отражение света объяснялось аналогично отражению упругих тел при ударе о плоскость. Преломление света объяснялось действием на корпускулы больших сил притяжения со стороны более плотной среды. Под действием этих сил, проявляющихся, согласно теории Ньютона, при приближении к более плотной среде, световые корпускулы получали ускорение, направленные перпендикулярно к границе этой среды, вследствие чего они изменяли направление движения и одновременно увеличивали свою скорость. Аналогично объяснялись другие световые явления.

В дальнейшем появившиеся новые наблюдения не укладывались в рамки этой теории. В частности, несостоятельность этой теории обнаружилось, когда была измерена скорость распространения света в воде. Она оказалась не больше, а меньше, чем в воздухе.

В начале 19 века волновая теория Гюйгенса, не признанная современниками, была развита и усовершенствована Юнгом и Френелем и получила всеобщее признание. В 60–х годах прошлого столетия, после того как Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны. Таким образом, волновая механистическая теория света была заменена волновой электромагнитной теорией. Световые волны (видимый спектр) занимают в шкале электромагнитных волн диапазон 0,4–0,7мкм. Волновая теория света Максвелла, трактующая излучение как непрерывный процесс, оказалась не в состоянии объяснить некоторые из вновь открытых оптических явлений. Её дополнила квантовая теория света, согласно которой энергия световой волны излучается, распространяется и поглощается не непрерывно, а определенными порциями - квантами света, или фотонами, - которые зависят только от длины световой волны. Таким образом, по современным представлениям, свет обладает как волновыми так, и корпускулярными свойствами.

Интерференция света

Волны создающие в каждой точке пространства колебания с не изменяющейся со временем разностью фаз, называются когерентными. Разность фаз в этом случае имеет постоянное, но, вообще говоря, различное для разных точек пространства значение. Очевидно, что когерентными могут быть лишь волны одинаковой частоты.

При распространении в пространстве нескольких когерентных волн порождаемые этими волнами колебания в одних точках усиливают друг друга, в других – ослабляют. Это явление называется интерференцией волн. Интерферировать могут волны любой физической природы. Мы рассмотрим интерференцию световых волн.

Источники когерентных волн также называются когерентными. При освещении некоторой поверхности несколькими когерентными источниками света на этой поверхности возникают в общем случае чередующиеся светлые и темные полосы.

Два независимых источника света, например две электролампы, не когерентны. Излучаемые ими световые волны – это результат сложения большого количества волн, излучаемых отдельными атомами. Излучение волн атомами происходит беспорядочно, и поэтому нет каких - либо постоянных соотношений между фазами волн, излучаемых двумя источниками.

При освещении поверхности некогерентными источниками характерная для интерференции картина чередующихся светлых и темных полос не возникает. Освещенность в каждой точке оказывается равной сумме освещенностей, создаваемых каждым из источников в отдельности.

Когерентные волны получаются посредством разделения пучка света от одного источника на два или несколько отдельных пучков.

Интерференцию света можно наблюдать при освещении монохроматическими (одноцветными) лучами прозрачной пластинки переменной толщины, в частности клинообразной пластинки. В глаз наблюдателя будут попадать волны, отраженные как от передней, так и от задней поверхностей пластинки. Результат интерференции определяется разностью фаз тех и других волн, которая постепенно изменяется с изменением толщины п ластинки. Соответственно изменяется освещенность: если разность хода интерферирующих волн в некоторой точке поверхности пластинки равна четному числу полуволн, то в этой точке поверхность будет казаться светлой, при разности фаз в нечетное число полуволн – темной.

При освещении параллельным пучком плоскопараллельной пластинки разность фаз световых волн, отраженных от передней и задней её поверхностей, одна и та же во всех точках, - пластинка будет казаться освещенной равномерно.

Вокруг точки соприкосновения слегка выпуклого стекла с плоским при освещении монохроматическим светом наблюдаются темные и светлые кольца – так называемые кольца Ньютона. Здесь тончайшая прослойка воздуха между обоими стеклами играет роль отражающей пленки, имеющей постоянную толщину по концентрическим окружностям.

Дифракция света.

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.

Поляризация света

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.

1. Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

2. Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.

3. 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.

Дисперсия света

Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования телескопов. 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.

С ущностьоткрытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис.1) свет от фонаря освещает узкое отверстие S (щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника S`. Поместив на пути призму P, 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 S`. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN , 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.

Описанные 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. Сопоставляя подобные наблюдения, 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.

Гипотеза Планка

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения нагретого твёрдого тела, немецкий физик Макс Планк в 1900г. высказал гипотезу, которая положила начало подлинной эволюции в теоретической физике. Смысл этой гипотезы заключается в том, что запас энергии колебательной системы, находящейся в равновесии с электромагнитным излучением, не может принимать любые значения. Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, обязательно должна быть равна целому кратному некоторого определенного количества энергии.

Минимальное количество энергии, которое система может поглотить или излучить, называется квантом энергии. Энергия кванта Е должна быть пропорциональна частоте колебаний v:

Е=hv.

Коэффициент пропорциональности h в этом выражении носит название постоянной Планка. Постоянная Планка равна

6,6261937^.10^-34 Дж^. с

Постоянную Планка иногда называют квантом действия. Заметим, что размерность h совпадает с размерностью момента импульса.

Исходя из этой новой идеи, Планк получил закон распределения энергии в спектре, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Хорошее согласие теоретически предсказанного закона с экспериментом было основательным подтверждением квантовой гипотезы Планка.

Открытие фотоэффекта

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.

Законы фотоэффекта

Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839 – 1896) в 1888 – 1889гг. Используя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами (рис.2), он исследовал зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами и условий освещения электрода.

В вакуумном баллоне находятся два металлических электрода А и К, к которым прикладывают напряжение. Полярность электродов и приложенное к ним напряжение можно изменять с помощью потенциометра R с отводом от средней точки. Когда ползунок потенциометра находится слева от средней точки, на электрод А подают минус, а на электрод К – плюс. Напряжение, приложенное между электродами, измеряют вольтметром V. Электрод К через окно, закрытое кварцевым стеклом, облучают светом. Под его воздействием из этого электрода вырывают электроны (называемые фотоэлектронами), которые летят к электроду А и образуют фототок, регистрируемый миллиамперметром mA.

На описанной установке, используя электроды, изготовленные из разных металлов, для каждого освещаемого

вещества можно получить вольтамперные характеристики внешнего фотоэффекта(т.е. зависимости силы фототока I от напряжения U между электродами) при различных значениях потока энергии падающего света.

Две такие характеристики представлены на (рис.3).

Экспериментально установлены следующие закономерности и законы внешнего фотоэффекта.

1. При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля. Это значит, что фотоэлектроны обладают при вылете кинетической энергией.

2. По мере увеличения U фототок I постепенно возрастает, т.к. всё большее число фотоэлектронов достигает анода.

3. При достижении между электродами некоторого ускоряющего напряжения U_н все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода и сила фототока перестаёт зависеть от напряжения. Такой фототок, сила которого с увеличением напряжения не возрастает, называют фототоком насыщения. Если число фотоэлектронов, вылетающих из освещаемого металла в единицу времени, равно n_е, то сила фототока насыщения

I_н=Dq/Dt=Ne/Dt=n_e

Поэтому, измерив силу тока насыщения, можно определить число фотоэлектронов, вылетающих за одну секунду.

4. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна потоку энергии света, падающего на металл (первый закон фотоэффекта):

I_н=gФ

Здесь g - коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью вещества. Следовательно, число электронов, вырываемых за одну секунду из вещества, прямо пропорционально потоку энергии света, падающего на это вещество.

5. За счет начальной кинетической энергии электроны могут совершать работу против сил задерживающего электрического поля. Поэтому фототок существует и в области отрицательных напряжений от 0 до U₃ (электрод А соединен с «минусом» источника тока). Начиная с некоторого задерживающего напряжения U_3, фототок прекращается. При этом работа задерживающего электрического поля А_э=еU₃ равна максимальной начальной кинетической энергии фотоэлектронов W_к.м.=mv_м²/2:

А_э=W_к.м.; еU₃=mv_м²/2

отсюда

V_м= 2еU₃/m

Таким образом, измерив задерживающее напряжение U₃, можно определить максимальную начальную кинетическую энергию и максимальную начальную скорость фотоэлектронов.

6. Значение задерживающего напряжения, а следовательно максимальная кинетическая энергия и максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты (второй закон фотоэффекта).

7. Для каждого вещества существует определенное значение частоты v_к(и , следовательно, длины волны l_к), такое, что при частотах v падающего света меньших v_к (т.е. длинах волн света, больших l_к),фотоэффект не наблюдается (третий закон фотоэффекта ). Частоту v_к ( и длину волны l_к)называют красной границей фотоэффекта. Например, при облучении цинковой пластинки видимым светом даже очень большой интенсивности фотоэффекта не происходит, тогда как при её облучении ультрафиолетовым светом даже очень малой интенсивности фотоэффект наблюдается.

8. С начала облучения металла светом до начала вылета фотоэлектронов проходит время t<10^-9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v>v_к, то вылет фотоэлектронов происходит практически мгновенно. Если же v<v_к, то как бы долго не освещали металл, фотоэффект не наблюдается.

Фотоны

В релятивистской физике (в теории относительности) показывается, что масса m и энергия W взаимосвязаны:

W=mc²

Поэтому кванту энергии Wф=hv электромагнитного излучения соответствует масса

m_ф=W_ф/c²=hv/c²

Электромагнитное излучение, а следовательно и фотон, существует только при распространении со скоростью с. Это означает, что масса покоя фотона равна нулю.

Фотон, имея массу m_ф и двигаясь со скоростью с, обладает импульсом

p_ф=m_фc=hv/c

Фотон имеет также собственный момент импульса, называемый спином.

Lф=h/2p=h

Объект, обладающий энергией, массой, импульсом, моментом импульса ассоциируется, скорее всего, с частицей. Поэтому квант энергии электромагнитного излучения – фотон – является как бы частицей электромагнитного излучения, в частности света.

Из того, что электромагнитное излучение – это совокупность фотонов, следует, что электромагнитное поле частицы представляет собой совокупность фотонов, испускаемых и поглощаемых самой же частицей.

В рамках классической физики испускание переносчика взаимодействия свободной частицей запрещено законами сохранения энергии и импульса. Квантовая физика снимает указанное запрещение, используя соотношение неопределённостей энергии и времени. Более того, при этом устанавливается связь между массой переносчика взаимодействия и радиусом действия.

Такие процессы, которые идут как бы с нарушением закона сохранения энергии, принято называть виртуальными процессами, а частицы, которые переносят взаимодействие и не могут обладать энергией и импульсом, связанными так же, как в свободных частицах, - виртуальными частицами. Виртуальные обменные частицы, участвующие во взаимодействии, обнаружить невозможно. Но, увеличивая энергию излучающей частицы, например, ускоряя электроны, можно виртуальные фотоны превратить в действительные, свободные, которые могут регистрироваться. Это является процессом излучения реальных фотонов.

Такое представление электромагнитного поля приводит к пересмотру концепции взаимодействия электрически заряженных частиц посредством электромагнитного поля. Если от частицы окажется другая заряженная частица, то фотон, испущенный одной частицей, может поглотиться другой, и наоборот, в результате чего произойдет обмен фотонами, т.е. частицы начнут взаимодействовать. Таким образом, электромагнитное взаимодействие частиц происходит путем обмена фотонами. Этот механизм взаимодействия называется обменными распространяется на все взаимодействия. Любое поле – это совокупность квантов – переносчиков взаимодействий, испускаемых взаимодействующей частицей, а любое взаимодействие – это обмен переносчиками взаимодействия.

В заключении отметим, что фотон является одной из частиц из группы фундаментальных частиц.