Электромагнитная природа света
В курсе физики 8 класса мы познакомились с оптикой — разделом, изучающим световые явления. Мы узнали, что свет распространяется прямолинейно в однородных средах, сформулировали законы отражения и преломления (рисунок 1).
А при изучении электромагнитного поля мы говорили, что видимое излучение (свет) — это электромагнитные волны определенного диапазона (рисунок 2).
К этому выводу во второй половине XIX века пришел Джеймс Максвелл. Но вопрос о природе света интересовал ученых еще с глубокой древности. Например, древнегреческий философ Эмпедокл говорил, что «свет есть движение». Птолемей и Евклид считали, что «из глаз выходят чувствительные нити, которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения». И только в конце XVII — начале XVIII веков были сформированы две основные теории о природе света: волновая и корпускулярная. На данном уроке мы познакомимся с этими теориями и узнаем, как они постепенно развивались, что на их основе были сформулированы современные представления о природе света.
Волновая теория природы света
Волновую теорию света разработал голландский ученый Христиан Гюйгенс. Он заявил, что свет представляет собой механическую упругую волну, подобную звуку. Здесь стоит отметить, что Максвелл разработал электромагнитную теорию намного позже. То есть ученые того времени обладали знаниями только о механических волнах.
На тот момент уже было известно, что упругие волны возникают только в веществе. То есть, в газах, жидкостях и твердых телах. Ведь именно частицы этих сред совершают упругие колебания, распространяющиеся в пространстве (рисунок 3).
Но свет от звезд доходит до нашей планеты через космос, где нет упругого вещества. Чтобы обойти это противоречие, сторонники волновой теории выдвинули новую гипотезу. Было заявлено, что все мировое пространство заполнено некой невидимой упругой средой. Они назвали ее светоносным эфиром. Именно в нем и распространяется свет.
Но это предположение вызвало еще больше несоответствий. Так в конце второго десятилетия XIX века было выяснено, что свет является поперечной волной. А упругие поперечные волны возникают и могут распространяться только в твердых телах. Тогда получалось, что светоносный эфир — это твердое тело. Как тогда планеты и другие небесные тела могут двигаться в этом твердом теле, не испытывая сопротивления?
Дальнейшее развитие этой теории было напрямую связано с разработкой теории электромагнитного поля.
Электромагнитная теория природы света
Во второй половине XIX века Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Он математически доказал, что порождающие друг друга переменные магнитные и электрические поля распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн (рисунок 4). Эти волны являются поперечными и существуют как в упругих средах, так и в вакууме. При этом в вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Эта скорость к тому времени уже была определена методами, которые мы рассмотрим ниже.
Максвелл обратил внимание, что световые волны (согласно волновой теории) и электромагнитные волны обладают общими свойствами. Он предположил, что свет является частным проявлением электромагнитных волн. Позже эти предположения были подтверждены экспериментами Генриха Герца.
Получается, что волновая теория о природе света постепенно эволюционировала в электромагнитную теорию света.
Свет — это электромагнитная волна с длиной волны от $3.8 \cdot 10^{−7}$ до $7.6 \cdot 10^{−7} \space м$ (или с частотой от $4 \cdot 10^{14}$ до $8 \cdot 10^{14} \space Гц$).
Электромагнитные волны именно с такими длинами или частотами воспринимаются человеческим глазом и вызывают у нас зрительные ощущения.
Определение скорости света
Важное значение в развитии электромагнитной теории света играл факт того, что Максвелл рассчитал скорость распространения электромагнитных волн — $3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}$ или $300 \space 000 \frac{км}{с}$. Это значение совпало с уже известными экспериментальными данными о скорости света. Рассмотрим два метода, которыми пользовались ученые того времени, чтобы определить эту скорость.
Астрономический метод
В 1676 году датский ученый Оле Ремер c помощью телескопа Галилея наблюдал за Ио — спутником Юпитера. Его привлекли моменты затмения. Оказалось, что когда Земля располагалась ближе всего к Юпитеру, Ио находился в тени Юпитера приблизительно $42.5 \space ч$ (рисунок 5).
А когда спустя полгода Земля оказалась на максимальном расстоянии от Юпитера, то время затмения увеличилось на $22 \space мин$ (рисунок 6).
Именно тогда Ремер предположил, что скорость света имеет конечное значение. Так как за полгода увеличилось расстояние до Юпитера, то свету требуется дополнительное время, чтобы преодолеть это добавочное расстояние, равное диаметру земной орбиты. Ремер разделил это расстояние на время ($22 \space мин$). Так он получил предполагаемое значение скорости света: $220 \space 000 \frac{км}{с}$. Такие вычисления были очень грубыми, а расстояния между небесными телами были известны лишь примерные. Тем не менее, результат оказался не так уж и далек от истины.
Позже, в 1728 году английский астроном Джеймс Брэдли получил более точные результаты. Дело в том, что он учитывал аберрацию звезд (рисунок 7).
Аберрация — это изменение видимого положения небесного тела, вызванное движением земли по орбите.
Используя известную скорость вращению Земли и измерив угол аберрации, Брэдли получил значение скорости света, равное $301 \space 000 \frac{км}{с}$.
Лабораторный метод
В среде ученых того времени к результатам работы Ремера и Брэдли относились с недоверием. Тем не менее, результат работы Брэдли являлся самым точным вплоть до 1849 года (почти сто лет).
В 1849 году французский ученый Арман Физо измерил скорость света в лабораторных условиях. Он собрал установку, в которой узкий луч света проходил сквозь зубья вращающегося колеса (рисунок 8).
От источника свет попадал на зеркало и отражался от него. Дальше он проходил сквозь зубья, которые имели одинаковую ширину с прорезью на колесе.
Далее свет попадал на зеркало, которое находилось на расстоянии $8.63 \space км$ от источника. Оно располагалось перпендикулярно ходу светового луча. Световой луч отражался от него и возвращался к наблюдателю (рисунок 9). Изменяя скорость вращения колеса, Физо добивался, чтобы за время, которое луч свет шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться ровно на одно деление (всего их было 720).
Получается, что время распространения света туда и обратно должно быть равным времени поворота колеса на суммарную ширину зубца и прорези.
Время распространения света:
$t = \frac{2s}{c}$,
где $s$ расстояние от колеса до зеркала, равное $8.63 \space км$,
$c$ — неизвестная скорость света.
Время поворота колеса на ширину зубца и прорези:
$t = \frac{T}{N} = \frac{1}{\nu N}$,
где $T$ — период обращения колеса (время, за которое колеса совершает один полной оборот),
$N$ — число зубцов (720 штук),
$\nu$ — частота вращения колеса (определялась экспериментально и была равно $25.2 \space Гц$).
Тогда мы можем записать следующее равенство:
$\frac{2s}{c} = \frac{1}{\nu N}$
Выразим отсюда скорость света $c$ и рассчитаем ее:
$c = 2s \nu N$,
$c = 2 \cdot 8.63 \space км \cdot 25.2 \space Гц \cdot 720 \approx 313 \space 000 \frac{км}{с} \approx 3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}$.
Таким образом Физо рассчитал значение скорости света. Оно совпало со значением, которое получил Максвелл, что стало доказательством того, что свет — это электромагнитные волны.
Корпускулярная и квантовая теории природы света
Корпускулярная теория о природе света была создана Исааком Ньютоном примерно в одно время с созданием Гюйгенсом волновой теории. Ньютон считал, что свет — это поток отдельных частиц (корпускул), распространяющихся от источника света во все стороны (рисунок 10).
После исследований Максвелла эта теория была отвергнута, но ненадолго. К началу XX века выяснилось, что электромагнитная теория не позволяет объяснить некоторые экспериментальные факты, полученные при изучении световых явлений — но их может объяснить корпускулярная теория.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы вещества испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами.
Квант — это наименьшая неделимая часть энергии, ее порция.
При этом энергия $E$ каждой порции не произвольна — она прямо пропорциональна частоте $\nu$ излучения.
$E = h \nu$,
где $h$ — коэффициент пропорциональности, названный постоянной Планка.
Постоянная Планка:
$h = 6.63 \cdot 10^{−34} \space Дж \cdot с$.
Далее в 1905 году еще один немецкий физик Альберт Эйнштейн выдвинул свою идею: электромагнитные волны с частотой $\nu$ можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией $E = h \nu$. Рассмотренные утверждения Планка и Эйнштейна принято называть квантовой теорией света.
В настоящее время квант электромагнитного излучения называется фотоном (от греческого «phos», «photos» — свет).
Фотон — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения.
Фотоны не обладают ни массой, ни зарядом. Но они обладают энергией и распространяются в пространстве со скоростью света.
Корпускулярно-волновой дуализм
Получается, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Поэтому на сегодняшний день мы говорим о корпускулярно-волновой теории света (рисунок 11).
Свет имеет двойную природу: он одновременно и волна, и частица.
Например, когда свет распространяется от источника до наблюдателя, он ведет себя как волна. А когда он взаимодействует с поверхностью (с веществом) свет ведет себя как частица (фотон).
Также можно сказать, что с увеличением частоты электромагнитного излучения в большей степени проявляются именно корпускулярные свойства — свойства, присущие потоку частиц. Из всех диапазонов электромагнитных волн наиболее ярко выраженными корпускулярными свойствами обладает гамма-излучение.
Итак, для объяснения какого-либо эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно. Мы называем это корпускулярно-волновым дуализмом.
Часто задаваемые вопросы
В начале XIX века были сформированы две основные теории о природе света. Согласно волновой теории свет — это механическая упругая волна, которая распространяется в невидимой упругой среде, названной светоносным эфиром. Корпускулярная теория говорила о том, что свет — это поток частиц, распространяющихся от источника.
Гипотеза о существовании светоносного эфира была выдвинута из-за представлений о том, что свет — это механическая волна, которая распространяется в упругих средах.
Максвелл предположил, что свет — это частный случай электромагнитных волн. Это предположение было основано на том, что свет и электромагнитные волны являются поперечными и имеют одинаковую скорость распространения в вакууме/воздухе.
Частицей электромагнитного излучения является фотон.
5
5
1
5
Хотите оставить комментарий?
Войти