История развития представлений о свете

Свет: частица или волна? История развития представлений и корпускулярно-волновой дуализм.

На протяжении истории человечество задумывалось о природе такого явления, как свет. С древних времен и до наших дней представления о нем менялись и совершенствовались. Наиболее популярные гипотезы склонялись к тому, что свет — это частица или волна. Раздел современной науки, изучающий природу и поведение света, называется оптикой.

История развития представлений о свете

Согласно представлениям древнегреческих философов, например, Аристотеля, свет – это лучи, исходящие из глаз человека. Через эфир, прозрачную субстанцию, заполняющую пространство, эти лучи распространяются, позволяя человеку видеть предметы.

Другой философ, Платон, высказал предположение, что источником света на Земле является Солнце.

Философ и математик Пифагор полагал, что из предметов вылетают крошечные частицы. Попадая в глаз человека, они дают нам представление о внешнем виде этих предметов.

Несмотря на кажущуюся наивность, данные гипотезы заложили основу для дальнейшего развития мысли.

Так, в XVII веке немецкий ученый Иоганн Кеплер высказал теорию, близкую к представлениям Платона и Пифагора. По его мнению, свет – частица, или точнее, поток частиц, распространяющийся от какого-либо источника.

Корпускулярная гипотеза Ньютона

Ученый Исаак Ньютон выдвинул теорию, объединившую до некоторой степени противоречивые представления о данном явлении.

Согласно гипотезе Ньютона, свет – частица, скорость перемещения которой очень велика. Корпускулы распространяются в однородной среде, двигаясь равномерно и прямолинейно от источника света. Если поток этих частиц попадает в глаз, то человек наблюдает его источник.

По мнению ученого, корпускулы имели неодинаковые размеры, давая ощущения различных цветов. Например, крупные частицы способствуют тому, что человек видит красный цвет. Явления отражения потока света он аргументировал отскоком частиц от твердой преграды.

Белый цвет ученый объяснил сочетанием всех цветов спектра. На этом заключении построена его теория дисперсии – явления, обнаруженного им в 1666 году.

Гипотезы Ньютона нашли большое признание среди его современников, объясняя многие оптические явления.

Волновая теория Гюйгенса

Другой ученый того же времени, Христиан Гюйгенс, не согласился с тем, что свет – частица. Он выдвинул волновую гипотезу природы света.

Гюйгенс полагал, что все пространство между предметами и в самих предметах заполнено эфиром, а световое излучение – это импульсы, волны, распространяющиеся в этом эфире. Каждый участок эфира, до которого доходит световая волна, становится источником, так называемых вторичных волн. Опыты по интерференции и дифракции света подтвердили возможность волнового объяснения природы света.

Теория Гюйгенса не получила большого признания в его время, так как большинство ученых склонны были считать свет частицей. Однако она была впоследствии принята и доработана многими учеными, например, Юнгом и Френелем.

Дальнейшее развитие представлений

Вопрос, что такое свет в физике, продолжал занимать умы ученых. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию, согласно которой световое излучение – это высокочастотные электромагнитные волны. Его представления основывались на факте, что скорость распространения света в вакууме равняется скорости распространения электромагнитных волн.

В 1900 году Макс Планк ввел в науку термин «квант», переводящийся как «порция», «небольшое количество». Согласно Планку, излучение электромагнитных волн происходит не непрерывно, а порционно, квантами.

Эти представления развил Альберт Эйнштейн. Он высказал мнение, что свет не только излучается, но также поглощается и распространяется частицами. Для их обозначения он использовал слово «фотоны» (термин впервые предложен Гилбертом Льюисом).

Корпускулярно-волновой дуализм

Современное объяснение природы света лежит в понятии корпускулярно-волнового дуализма. Суть данного явления состоит в том, что материи могут проявлять свойства и волны, и частицы. Свет является примером такой материи. Исследования ученых, пришедших к, казалось бы, противоположным мнениям, являются подтверждением двойственной природы света. В одно и то же время свет – частица и волна. Степень выраженности каждого из этих свойств зависит от конкретных физических условий. В определенных случаях свет проявляет свойства электромагнитной волны, подтверждая волновую теорию своего происхождения, в иных случаях, свет — это поток корпускул (фотонов). Это дает основания заявить, что свет – частица.

Читайте:  6 11 2 Господство над природой и власть над людьми

Свет стал первой материей в истории физики, у которой признали наличие корпускулярно-волнового дуализма. В дальнейшем это свойство было обнаружено еще у ряда материй, например, волновое поведение наблюдается у молекул и нуклонов.

Подводя итог, можно сказать, что свет – уникальное явление, история развития представлений о котором насчитывает более двух тысяч лет. Согласно современному понимаю данного явления, свет обладает двойственной природой, проявляя свойства и волн, и частиц.

Источник

Билет №21.

1. Волновые свойства света. Электромагнитная природа света.

Свет — это электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом, от 63∙10 14 Гц до 8∙10 14 Гц, т. е. длин волн в интервале 380 нм до 770 нм.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции.Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 1). Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода l, кратной целому числу длин волн, .

При разности хода, кратной нечетному числу полуволн, , наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики.
При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос. Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называютдифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Пусть на решетку (рис. 2) падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.

Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода , где dпериод дифракционной решетки– это расстояние между соответствующими краями соседних щелей, φ — угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При разности хода, равной целому числу длин волн, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны. Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла φ. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.

Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.

Читайте:  Приморский край особенности природы кратко

Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости — плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление – зависимость показателя преломления среды от частоты световой волны — называется дисперсией света.
На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет — это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.

Источник

Корпускулярно – волновой дуализм Явления, подтверждающие волновую природу света: интерференция, дифракция. интерференция дифракция Явления, подтверждающие. — презентация

Презентация на тему: » Корпускулярно – волновой дуализм Явления, подтверждающие волновую природу света: интерференция, дифракция. интерференция дифракция Явления, подтверждающие.» — Транскрипт:

1 Корпускулярно – волновой дуализм Явления, подтверждающие волновую природу света: интерференция, дифракция. интерференция дифракция Явления, подтверждающие корпускулярную природу света: фотоэффект. фотоэффект Далее:

2 Интерференция света. Интерференция – явление наложения волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства.

3 Дифракция света Дифракция – явление нарушения целостности фронта волны, вызванное резкими неоднородностями среды. Проявляется в нарушении прямолинейности распространения световых лучей, огибанием волнами препятствий, в проникновении света в область геометрической тени.

4 Фотоэффект Фотоэффект – явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света.

5 Фотон. Фотон – микрочастица, квант электромагнитного излучения. Энергия фотона: E = h· v. Фотон – электрически нейтральная частица. Скорость фотона равна скорости света. Масса покоя фотона равна нулю: Фотон обладает импульсом: Фотон – частица, обладающая волновыми свойствами. Дифракция отдельных фотонов:

6 Волновые свойства частиц. Корпускулярно – волновой дуализм является универсальным свойством любых материальных объектов, а не только света. Любой частице, обладающей импульсом P, соответствует длина волны де Бройля: В 1949 году группой советских ученых была обнаружена дифракция одиночных электронов, почему она возникает, также как и дифракция одиночных фотонов?

7 Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Произведение неопределенности координаты частицы на неопределенность ее импульса не меньше постоянной Планка. Нельзя независимо рассматривать корпускулярные и волновые характеристики микрочастиц: они взаимосвязаны. Одновременно точное определение положения и импульса частицы невозможно.

8 Задание на дом: Соотношение неопределенностей для энергии и времени. Физический смысл этого соотношения. § 76, в. 3 – 5, стр Конец.

Источник



«Волнатицы»: свет — это частицы или волны?

С античных времен философы задумывались о том, что такое свет и какова его природа. Аристотель, Платон, Пифагор и другие мыслители высказывали свои предположения, но их идеи в наше время кажутся просто наивными.

Как начали изучать свет?

Настоящее изучение структуры света началось с изобретения увеличительных линз и телескопов. В 17 веке крупные ученые того времени начали детально исследовать структуру света опираясь на открытия дифракции, дисперсии и интерференции.

Крупнейший ученый 17-18 веков Исаак Ньютон высказал предположение, что свет представляет собой поток мельчайших частиц (корпускул) распространяющихся с очень большой скоростью.

Его идея прекрасно описывала прямолинейное распространение света и его дисперсию. Он полагал, что частицы разного цвета имеют различные размеры — самыми большими являются красные, минимальные размеры у фиолетовых корпускул. Смешение различных частиц дает белый цвет, который можно разложить с помощью призмы. Отражение света Ньютон объяснял отскакиванием частиц от поверхности твердого тела. Ученый полностью не отвергал волновую природу света, но все же возражал против нее с помощью нехитрого аргумента — если свет волна, то почему он не проходит сквозь изогнутую трубку, как это успешно делают звуковые волны.

Читайте:  Рассказка о том как Ленка с сыном отдыхали на море

В то же время голландский ученый Христиан Гюйгенс и научный противник Ньютона англичанин Роберт Гук сходились во мнении, что свет имеет волновую природу и распространяется в особой универсальной среде именуемой эфиром. По мнению Гюйгенса, каждый участок эфира способен возбуждать вторичные световые волны, что прекрасно помогало описать такие явления как интерференция (перераспределение минимумов и максимумов освещенности) и дифракцию (отклонение движения луча света от прямой).

Корпускулы или волны?

Некоторое время корпускулярная и волновая теория боролись между собой, причем первая имела даже больше сторонников — сказывался почти непререкаемый авторитет Ньютона. Однако Юнг и Френель успешно дорабатывали положения волновой теории, которая стала завоевывать все больше сторонников.

В 60-70-х годах 19 века показалось, что корпускулярной теории света нанесен окончательный удар — англичанин Джеймс Максвелл создал систему уравнений описывающую электромагнетизм. Поскольку световые волны распространялись с той же скоростью, что и электромагнитные волны, было решено, что свет имеет исключительно волновую структуру.

До начала 20 века о ньютоновской теории практически никто и не вспоминал. Однако, в 1901 году Макс Планк вывел формулу описывающую излучение абсолютно черного тела, и он же предположил, что электромагнитные волны излучаются не постоянно, а дискретно (порциями), причем минимальная порция получила название «квант». Затем последовали работы Эйнштейна объясняющие явление фотоэффекта (за которую германский физик и получил Нобелевскую премию) и создание законов этого явления русским физиком Столетовым.

Ситуация перевернулась с ног на голову. Теперь свет явно вел себя как поток отдельных частиц и с этим ничего нельзя было поделать. Отдельный квант света получил название «фотон», а физики всего мира задумались как объяснить его непонятную природу.

Абсолютно неожиданным явилось изучение прохождение одиночного фотона через две узких щели расположенные рядом (двойную щель), используемую для изучения волновых свойств света.

На экране ошарашив экспериментаторов появилась интерференционная картина с ее минимумами и максимумами. Получалось невероятное — квант света перед двойной щелью распался на 2 части и прошел через обе щели. Но этого то и не могло быть ни в коем случае — фотон представляет собой единственный квант, который не делим по определению. А вот для волн проблемы с интерференционной картинкой при прохождении двойной щели не появляется — она просто обязана быть.

Корпускулярно-волновой дуализм

Поскольку противоречия между корпускулярной и волновой природой света оказались неразрешимы, оставалось признать, что он обладает как корпускулярной, так и волновой структурой. Название такой структуре дали корпускулярно-волновой дуализм света .

Самое оригинальное, что свои свойства свет проявляет в зависимости от проводимого эксперимента. В большинстве физических явлений он ведет себя как волна, а в фотоэффекте, эффекте Комптона и некоторых других физических явлениях он демонстрирует свои корпускулярные свойства.

Позднее было доказано, что не только фотоны, но и иные микрочастицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом. В 1948 году физик из СССР В. Фабрикант экспериментально подтвердил волновые свойства электрона. Позднее они были обнаружены у протонов, нейтронов и даже атомов. В 2013 году зафиксировали дифракцию (а это волновое свойство) молекулы содержащей больше 800 атомов.

Итак, кто же был прав — Ньютон или Гюйгенс с Гуком? Получается, что по своему правы были оба — и только объединение их теорий дает относительно полную картину природы света.

А сейчас ответим на вопрос вынесенный в заглавие статьи.

Ответ уже очевиден — свет является и частицей, и волной одновременно. Придумано даже несколько смешное слово описывающее структуру света — «волнатица» .

Источник