Кем было доказано что свет электромагнитная волна
Перейти к содержимому

Кем было доказано что свет электромагнитная волна

  • автор:

Электромагнитная природа света

Свет являет собой электромагнитные волны определенного спектра частоты, который виден человеческому глазу и представлен длиной волны в промежутке 0,4 — 0,76 мкм. Каждому цвету световой волны соответствует определенное значение длины. При изменении длины волны изменяется окраска света. С увеличением длины волны цвет изменяется в следующем порядке:

  • фиолетовый;
  • синий;
  • голубой;
  • зеленый;
  • желтый;
  • оранжевый;
  • красный.

Свет фиолетового цвета, соответствующий минимальной длине видимого спектра электромагнитной волны, называется фиолетовой границей спектра. Красный цвет, соответствующий максимальной длине видимой волны, — это красная граница. У естественного света нет цвета, он являет собой совокупность электромагнитных волн всего видимого спектра.

Свет как электромагнитная волна

Источником естественного света есть атомы, которые в возбужденном состоянии испускают электромагнитные волны. Причины такого состояния атомов бывают самыми разными: электромагнитное, тепловое, химическое и прочее воздействие. После данного воздействия в возбужденном состоянии атомы испускают волны приблизительно 8-10 секунд. Так как излучаемый диапазон электромагнитных волн атомов достаточно обширен, они излучают весь спектр видимых волн. При этом начальная фаза, поляризация и направление совершенно случайны. По этой причине естественный свет не является поляризованным.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Так как свет имеет природу электромагнитной волны, то оптическая физика базируется на уравнениях Максвелла и всех выражениях, вытекающих из них. Согласно теории Максвелла:

\( = \sqrt<ξμ>=n,\)
где \(C\) и \(V\) — скорость света соответственно в магнитной и электрической среде;

\(ξ\) и \(μ\) — диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума.

Данное выражение показывает зависимость между магнитными, электрическими и оптическими постоянными среды. Согласно теории Максвелла \(ξ\) и \(μ\) не зависимы от длины волн света, по этой причине теория электромагнитных волн не в состоянии разъяснить явление дисперсии, а именно связь между преломлением и длиной волны света.

От величины показателя преломления зависит оптическая плотность вещества.

Взаимосвязь длины волны и показателя n показана следующим выражением:

где \(λ_0\) — длина волны в вакууме.

Когерентность и суммирование колебаний

Когерентностью называют коррелированность двух и более волновых процессов во времени, что имеет место при их суммировании. Когерентными считаются такие колебания, у которых разность фаз является постоянной величиной и результатом суммирования которых является колебание с той же частотой.

В классической волновой оптике исследуются линейные среды, то есть диэлектрическая и магнитная проницаемости которых не зависимы от интенсивности света. По этой причине в волновой оптике будет действовать принцип суперпозиции. Поведение световых волн в нелинейных средах исследует нелинейная оптика.

Нелинейные оптические явления значительно выражены при высокой интенсивности света, излучаемого, к примеру, лазерами. Если рассмотреть две волны с равной частотой, что наложены одна на другую и возбуждают колебания в одном направления, то амплитуда суммарного колебания определится таким образом:

\(A^2=A_1^2+A_2^2+2A_1 A_2 cosσ,\)

где \(σ=α_2-α_1\) – разность фаз волновых колебаний;

\( A_1 cosωt+α_1\) – параметры одной волны;

\( A_2 cosωt+α_2\) – параметры другой волны.

Когерентными есть волны, разность фаз колебаний которых σ постоянна.

Интерференция волн света

Интерференция света состоит в том, что при наложении световых волн одна на другую отсутствует суммирование их интенсивности. Обязательным условием интерференции является когерентность волн света. Такому условию соответствуют монохроматические волны с одинаковой частотой и распространяются в закрытом объеме.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Так как на практике источники света не вырабатывают монохроматические волны, то все волны в природе некогерентные. Так как электромагнитные волны поперечные, то для получения интерферентной картины недостаточно, чтобы они были когерентными. Как говорилось выше, длительность излучения волны атомом, находится в возбужденном состоянии, составляет 8-10 секунд, за это время атом использует лишнюю энергию на процесс излучения, после чего излучение заканчивается, так как атом становится в свое нормальное состояние. Через какое-то время атом опять возбуждается по причине какого-либо воздействия на него, и снова излучает волны. Такое периодически прерываемое испускание света свойственно всем источникам света, вне зависимости от их характеристик и возбудителей атомов.

Оптическая длина пути

Допустим, разделение света на две когерентные волны осуществляется в заданной точке \(O\) . К точке \(M\) , в которой наблюдается картина интерференции, одна волна преодолела путь \(S_1\) в среде \(n_1\) , а другая волна – путь \(S_2\) в среде \(n_2\) . Фаза колебаний в начальной точке \(O\) будет равняться \(ωt\) , а в точке \(M\) одна волна возбудит колебание:

где \(V_1= \) и \(V_2= \) — фазовая скорость одной и другой волны.

Оптической длиной волны \(L\) есть произведение геометрического расстояния пути волны света S на величину преломления среды.
Оптической разностью хода есть разность оптических длин \(δ=L_2-L_1.\)

Когда оптическая разность хода равняется целому числу волн в вакууме \(δ=mλ_0 \) \((m=0,1,2…),\) тогда \(σ=2mπ,\) а колебания в точке \(M\) осуществляются в одной фазе. Это является максимумом. Если же оптическая разность хода будет \(δ = (2m+1)<λ_0 \over 2>,\) то \(σ=(2m+1)π,\) а колебания будут осуществляться в противофазе.

Стоит отметить, что электромагнитная природа света доказана экспериментально и не подлежит сомнению. В 2009 году исследователями были разработаны методы, позволяющие с высокой точностью определить колебания магнитной части световой волны. Первым, кто доказал электромагнитную природу света, был Максвелл. Он вывел уравнение волн и смог определить скорость этих волн, которая оказалась равной величине скорости света. Это дало подтверждение того, что свет являет собой электромагнитную волну, от частоты которой зависят ее характеристики, например, цвет.

Электромагнитные волны, будь то рентгеновское излучение и радиоволна, являются суммой магнитного и электрического полей, что превращаются одно в другое, тем самым распространяясь в пространстве и времени. При этом магнитные и электрические векторы перпендикулярны между собой и к направлению перемещения данной волны.

Давайте разберемся: что такое свет?

Он вокруг нас и позволяет нам видеть мир. Но спросите любого из нас, и большинство не сможет объяснить, что такое на самом деле этот свет. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Наш язык это отражает: во тьме мы передвигаемся на ощупь, свет мы начинаем видеть вместе с наступлением зари. И все же мы далеки от полного понимания света. Если вы приблизите луч света, что в нем будет? Да, свет движется невероятно быстро, но разве его нельзя применить для путешествий? И так далее и тому подобное.

Давайте разберемся: что такое свет? Что такое свет с научной точки зрения? Давайте разбираться. Фото.

Что такое свет с научной точки зрения? Давайте разбираться

Что такое свет?

Конечно, все должно быть не так. Свет озадачивает лучшие умы на протяжении веков, но знаковые открытия, совершенные за последние 150 лет, постепенно приоткрывали завесу тайны над этой загадкой. Теперь мы более-менее понимаем, что это такое.

Физики современности не только постигают природу света, но и пытаются управлять ей с беспрецедентной точностью — и значит, свет очень скоро можно заставить работать самым удивительным способом. По этой причине Организация Объединенных Наций провозгласила 2015 году Международным годом Света.

Свет можно описать всевозможными способами. Но начать стоит с этого: свет — это форма излучения (радиации). И в этом сравнении есть смысл. Мы знаем, что избыток солнечного света может вызвать рак кожи. Мы также знаем, что радиационное облучение может вызвать риск развития некоторых форм рака; нетрудно провести параллели.

Что такое свет? Свет бывает разным, и иногда он может нанести вред. Фото.

Свет бывает разным, и иногда он может нанести вред

Но не все формы излучения одинаковы. В конце 19 века ученые смогли определить точную суть светового излучения. И что самое странное, это открытие пришло не в процессе изучения света, а вышло из десятилетий работы над природой электричества и магнетизма.

Как ученые изучали свет

Электричество и магнетизм кажутся совершенно разными вещами. Но ученые вроде Ганса Христиана Эрстеда и Майкла Фарадея установили, что те глубоко переплетаются. Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходящий через провод, отклоняет иглу магнитного компаса. Между тем, Фарадей обнаружил, что перемещение магнита вблизи провода может генерировать электрический ток в проводе.

Математики того дня использовали эти наблюдения для создания теории, описывающей это странное новое явление, которое они назвали «электромагнетизм». Но только Джеймс Клерк Максвелл смог описать полную картину.

Вклад Максвелла в науку сложно переоценить. Альберт Эйнштейн, который вдохновлялся Максвеллом, говорил, что тот изменил мир навсегда. Среди прочих вещей, его вычисления помогли нам понять, что такое свет.

Как ученые изучали свет. Джеймс Клерк Максвелл. Фото.

Джеймс Клерк Максвелл

Максвелл показал, что электрические и магнитные поля передвигаются в виде волн, и эти волны движутся со скоростью света. Это позволило Максвеллу предсказать, что свет сам по себе переносится электромагнитными волнами — и это означает, что свет является формой электромагнитного излучения.

В конце 1880-х, через несколько лет после смерти Максвелла, немецкий физик Генрих Герц первым официально продемонстрировал, что теоретическая концепция электромагнитной волны Максвелла была верной.

«Я уверен, что если бы Максвелл и Герц жили в эпоху Нобелевской премии, они бы точно одну получили», — говорит Грэм Холл из Университета Абердина в Великобритании — где работал Максвелл в конце 1850-х.

Максвелл занимает место в анналах науки о свете по другой, более практической причине. В 1861 году он обнародовал первую устойчивую цветную фотографию, полученную с использованием системы трехцветного фильтра, которая заложила основу для многих форм цветной фотографии сегодня.

Как ученые изучали свет. Самая первая в мире цветная фотография. Фото.

Самая первая в мире цветная фотография

Свет — это спектр цветов

Сама фраза о том, что свет является формой электромагнитного излучения, многого не говорит. Но помогает описать то, что мы все понимаем: свет — это спектр цветов. Это наблюдение восходит еще к работам Исаака Ньютона. Мы видим цветовой спектр во всей его красе, когда радуга всходит на небе — и эти цвета напрямую связаны с максвелловским понятием электромагнитных волн.

Красный свет на одном конце радуги — это электромагнитное излучение с длиной волны от 620 до 750 нанометров; фиолетовый цвет на другом конце — излучение с длиной волны от 380 до 450 нм. Но в электромагнитном излучении есть и больше, чем видимые цвета. Свет с длиной волны длиннее красного мы называем инфракрасным. Свет с длиной волны короче фиолетового называем ультрафиолетовым. Многие животные могут видеть в ультрафиолетовом, некоторые люди тоже, говорит Элефтериос Гулильмакис из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия. В некоторых случаях люди видят даже инфракрасный. Возможно, поэтому нас не удивляет, что ультрафиолетовый и инфракрасный мы называем формами света.

Почему рентгеновские лучи это не свет

Любопытно, однако, что если длины волн становятся еще короче или длиннее, мы перестаем называть их «светом». За пределами ультрафиолетового, электромагнитные волны могут быть короче 100 нм. Это царство рентгеновских и гамма-лучей. Вы когда-нибудь слышали, чтобы рентгеновские лучи называли формой света?

Почему рентгеновские лучи это не свет. Ученый никогда не назовет рентгеновские лучи светом. Фото.

Ученый никогда не назовет рентгеновские лучи светом

«Ученый не скажет «я просвечиваю объект рентгеновским светом». Он скажет «я использую рентгеновские лучи», — говорит Гулильмакис.

Между тем, за пределами инфракрасных и электромагнитных длин волны вытягиваются до 1 см и даже до тысяч километров. Такие электромагнитные волны получили названия микроволн или радиоволн. Кому-то может показаться странным воспринимать радиоволны как свет.

«Нет особой физической разницы между радиоволнами и видимым светом с точки зрения физики, — говорит Гулильмакис. — Вы будете описывать их одними и теми же уравнениями и математикой». Только наше повседневное восприятие различает их.

Таким образом, мы получаем другое определение света. Это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, которое могут видеть наши глаза. Другими словами, свет — это субъективный ярлык, который мы используем только вследствие ограниченности наших органов чувств.

Люди видят цвета по-разному

Если вам нужны более подробные доказательства того, насколько субъективно наше восприятие цвета, вспомните радугу. Большинство людей знают, что спектр света содержит семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. У нас даже есть удобные пословицы и поговорки про охотников, которые желают знать место нахождения фазана. Посмотрите на хорошую радугу и попробуйте разглядеть все семь. Это не удалось даже Ньютону. Ученые подозревают, что ученый разделил радугу на семь цветов, поскольку число «семь» было очень важным для древнего мира: семь нот, семь дней недели и т. п.

Люди видят цвета по-разному. Обычно люди видят в радуге пять цветов. Фото.

Обычно люди видят в радуге пять цветов

Работа Максвелла в области электромагнетизма завела нас дальше и показала, что видимый свет был частью широкого спектра радиации. Также стала понятна истинная природа света. На протяжении веков ученые пытались понять, какую на самом деле форму принимает свет на фундаментальных масштабах, пока движется от источника света к нашим глазам.

Как движется свет?

Некоторые считали, что свет движется в форме волн или ряби, через воздух или загадочный «эфир». Другие думали, что эта волновая модель ошибочна, и считали свет потоком крошечных частиц. Ньютон склонялся ко второму мнению, особенно после серии экспериментов, которые он провел со светом и зеркалами.

Как движется свет? Исаак Ньютон это один из тех людей, кто хотел понять, что такое свет. Фото.

Исаак Ньютон это один из тех людей, кто хотел понять, что такое свет

Он понял, что лучи света подчиняются строгим геометрическим правилам. Луч света, отраженный в зеркале, ведет себя подобно шарику, брошенному прямо в зеркало. Волны не обязательно будут двигаться по этим предсказуемым прямым линиям, предположил Ньютон, поэтому свет должен переноситься некоторой формой крошечных безмассовых частиц.

Проблема в том, что были в равной степени убедительные доказательства того, что свет представляет собой волну. Одна из самых наглядных демонстраций этого была проведено в 1801 году. Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга, в принципе, можно провести самостоятельно дома.

Возьмите лист толстого картона и аккуратно проделайте в нем два тонких вертикальных разреза. Затем возьмите источник «когерентного» света, который будет излучать свет только определенной длины волны: лазер отлично подойдет. Затем направьте свет на две щели, чтобы проходя их он падал на другую поверхность.

Вы ожидаете увидеть на второй поверхности две ярких вертикальных линии на тех местах, где свет прошел через щели. Но когда Юнг провел эксперимент, он увидел последовательность светлых и темных линий, как на штрих-коде.

Как движется свет? Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга. Фото.

Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга

Когда свет проходит через тонкие щели, он ведет себя подобно водяным волнам, которые проходят через узкое отверстие: они рассеиваются и распространяются в форме полусферической ряби.

Когда этот свет проходит через две щели, каждая волна гасит другую, образуя темные участки. Когда же рябь сходится, она дополняется, образуя яркие вертикальные линии. Эксперимент Юнга буквально подтвердил волновую модель, поэтому Максвелл облек эту идею в твердую математическую форму. Свет — это волна.

Но потом произошла квантовая революция.

Что такое фотоэффект

Во второй половине девятнадцатого века, физики пытались выяснить, как и почему некоторые материалы абсорбируют и излучают электромагнитное излучение лучше других. Стоит отметит, что тогда электросветовая промышленность только развивалась, поэтому материалы, которые могут излучать свет, были серьезной штукой.

К концу девятнадцатого века ученые обнаружили, что количество электромагнитного излучения, испускаемого объектом, меняется в зависимости от его температуры, и измерили эти изменения. Но никто не знал, почему так происходит. В 1900 году Макс Планк решил эту проблему. Он выяснил, что расчеты могут объяснить эти изменения, но только если допустить, что электромагнитное излучение передается крошечными дискретными порциями. Планк называл их «кванта», множественное число латинского «квантум». Спустя несколько лет Эйнштейн взял его идеи за основу и объяснил другой удивительный эксперимент.

Физики обнаружили, что кусок металла становится положительно заряженным, когда облучается видимым или ультрафиолетовым светом. Этот эффект был назван фотоэлектрическим.

Атомы в металле теряли отрицательно заряженные электроны. Судя по всему, свет доставлял достаточно энергии металлу, чтобы тот выпустил часть электронов. Но почему электроны так делали, было непонятно. Они могли переносить больше энергии, просто изменив цвет света. В частности, электроны, выпущенные металлом, облученным фиолетовым светом, переносили больше энергии, чем электроны, выпущенные металлом, облученным красным светом.

Что такое фотоэффект. Альберт Эйнштейн. Фото.

Если бы свет был просто волной, это было бы нелепо.

Обычно вы изменяете количество энергии в волне, делая ее выше — представьте себе высокое цунами разрушительной силы — а не длиннее или короче. В более широком смысле, лучший способ увеличить энергию, которую свет передает электронам, это сделать волну света выше: то есть сделать свет ярче. Изменение длины волны, а значит и света, не должно было нести особой разницы.

Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект проще понять, если представить свет в терминологии планковских квантов.

Он предположил, что свет переносится крошечными квантовыми порциями. Каждый квант переносит порцию дискретной энергии, связанной с длиной волны: чем короче длина волны, тем плотнее энергия. Это могло бы объяснить, почему порции фиолетового света с относительно короткой длиной волны переносят больше энергии, чем порции красного света, с относительно большой длиной.

Также это объяснило бы, почему простое увеличение яркости света не особо влияет на результат.

Свет поярче доставляет больше порций света к металлу, но это не изменяет количество энергии, переносимой каждой порцией. Грубо говоря, одна порция фиолетового света может передать больше энергии одному электрону, чем много порций красного света.

Что такое фотоны света

Эйнштейн назвал эти порции энергии фотонами и в настоящее время их признали фундаментальными частицами. Видимый свет переносится фотонами, другие виды электромагнитного излучения вроде рентгеновского, микроволнового и радиоволнового — тоже. Другими словами, свет — это частица.

Что такое фотоны света. Свет — это частица. Фото.

Свет — это частица

На этом физики решили положить конец дебатам на тему того, из чего состоит свет. Обе модели были настолько убедительными, что отказываться от одной не было никакого смысла. К удивлению многих нефизиков, ученые решили, что свет ведет себя одновременно как частица и как волна. Другими словами, свет — это парадокс.

При этом у физиков не возникло проблем с раздвоением личности света. Это в какой-то мере сделало свет полезным вдвойне. Сегодня, опираясь на работы светил в прямом смысле слова — Максвелла и Эйнштейна, — мы выжимаем из света все.

Оказывается, что уравнения, используемые для описания света-волны и света-частицы, работают одинаково хорошо, но в некоторых случаях одно проще использовать, чем другое. Поэтому физики переключаются между ними, примерно как мы используем метры, описывая собственный рост, и переходим на километры, описывая поездку на велосипеде.

Как ученые используют свет

Некоторые физики пытаются использовать свет для создания шифрованных каналов связи, для денежных переводов, к примеру. Для них имеет смысл думать о свете как о частицах. Виной всему странная природа квантовой физики. Две фундаментальные частицы, как пара фотонов, могут быть «запутаны». Это значит, что они будут иметь общие свойства вне зависимости от того, как далеки будут друг от друга, поэтому их можно использовать для передачи информации между двумя точками на Земле.

Еще одна особенность этой запутанности в том, что квантовое состояние фотонов изменяется, когда их считывают. Это значит, что если кто-то попытается подслушать зашифрованный канал, в теории, он сразу выдаст свое присутствие.

Другие, как Гулильмакис, используют свет в электронике. Им полезней представлять свет в виде серии волн, которые можно приручить и контролировать. Современные устройства под названием «синтесайзеры светового поля» могут сводить световые волны в идеальной синхронности друг с дружкой. В результате они создают световые импульсы, которые более интенсивные, кратковременные и направленные, чем свет обычной лампы.

За последние 15 лет эти устройства научились использовать для приручения света с чрезвычайной степенью. В 2004 году Гулильмакис и его коллеги научились производить невероятно короткие импульсы рентгеновского излучения. Каждый импульс длился всего 250 аттосекунд, или 250 квинтиллионных секунды.

Используя эти крошечные импульсы как вспышку фотоаппарата, они смогли сделать снимки отдельных волн видимого света, которые колеблются намного медленнее. Они буквально сделали снимки движущегося света.

«Еще со времен Максвелла мы знали, что свет — это осциллирующее электромагнитное поле, но никто даже и подумать не мог, что мы можем сделать снимки осциллирующего света», — говорит Гулильмакис.

Наблюдение за этими отдельными волнами света стало первым шагом по направлению к управлению и изменению света, говорит он, подобно тому, как мы изменяем радиоволны для переноса радио- и телевизионных сигналов.

Сто лет назад фотоэлектрический эффект показал, что видимый свет влияет на электроны в металле. Гулильмакис говорит, что должна быть возможность точно контролировать эти электроны, используя волны видимого света, измененные таким образом, чтобы взаимодействовать с металлом четко определенным образом. «Мы можем управлять светом и с его помощью управлять материей», — говорит он.

Как ученые используют свет. Как можно понять, свет это очень сложное явление. Фото.

Как можно понять, свет это очень сложное явление

Это может произвести революцию в электронике, привести к новому поколению оптических компьютеров, которые будут меньше и быстрее наших. «Мы сможем двигать электронами как заблагорассудится, создавая электрические токи внутри твердых веществ с помощью света, а не как в обычной электронике».

Вот еще один способ описать свет: это инструмент.

Впрочем, ничего нового. Жизнь использовала свет еще с тех пор, когда первые примитивные организмы развили светочувствительные ткани. Глаза людей улавливают фотоны видимого света, мы используем их для изучения мира вокруг. Современные технологии еще дальше уводят эту идею. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые построили настолько мощный световой микроскоп, что он считался физически невозможным. Оказалось, что если постараться, свет может показать нам вещи, которые мы думали никогда не увидим.

Развитие представлений о природе света

Первые представления о природе света были известны еще у древних греков египтян. Со временем изобретались новые оптические приборы, которые развивались и трансформировались. А конец XVII века знаменит тем, что появляются две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Корпускулярная и волновая теории света

Корпускулярная теория рассматривает свет как поток частиц, которые испускаются при помощи светящихся тел. Ньютон предполагал, что их движение подчинено законам механики. Понятие отражения света рассматривалось также, как и отражение упругого шарика от плоскости. Преломление света было объяснено изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Случай с преломлением корпускулярная теория привела к такому виду записи закона:

sin φ sin ψ = υ c = n , где с – скорость света в вакууме, υ — скорость распространения света в среде. Имеем, что n > 1 , тогда, исходя из нее, скорость света в средах должна была быть больше скорости света в вакууме. Также Ньютон предпринял попытки объяснить возникновение интерференционных полос, которые были подвержены определенной периодичностью световых процессов. Поэтому корпускулярная теория содержала некоторые элементы волновых представлений.

Волновая теория рассматривала свет в качестве волнового процесса, напоминающего механические волны. В основу теории был заложен принцип Гюйгенса, из которого следовало, что каждая точка, до которой доходит волна, определяется как центр вторичных волн. Отсюда понятно, огибающая этих волн, изображенная на плоскости A 1 A 2 рисунка 3 . 6 . 1 определяет положение волнового фронта в последующий момент времени.

По Гюйгенсу волновой фронт – это геометрическое скопление точек, от которых доходит волновое возмущение одновременно.

Данный принцип объяснял законы отражения и преломления. На рисунке 3 . 6 . 1 изображены представления Гюйгенса об определении направления распространения волны, которая преломляется на границах двух прозрачных сред.

Рисунок 3 . 6 . 1 . Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны.

Если преломление происходит на границе вакуум-среды, тогда, исходя из волновой теории, приходим к результату:

sin ψ sin φ = c υ = n .

Закон преломления получается из волновой теории. Но он противоречит формуле Ньютона. Волновая теория говорит о том, что υ < c , когда по корпускулярной теории υ > c .

Астрономический метод измерения скорости

Начало XVIII века – это было временем существования двух противоположных подходов к объяснению природы света: корпускулярная и волновая. Обе трактовали прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Начало XIX столетия стало переломным моментом.

Корпускулярная теория отвергнута, а волновая была принята. Это произошло, благодаря исследованиям Т. Юнга и О. Френеля в области явлений интерференции и дифракции. Точно объяснить все явления было возможно, основываясь на волновой теории. В 1851 году ее справедливость доказана Ж. Фуко экспериментально при измерении скорости распространения света в воде, получив υ < c .

Середина XIX века – это время общепризнанной волновой теории. Но вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.

Со временем Максвелл установил общие законы электромагнитного поля, приведшие его к тому, что свет является электромагнитными волнами. Подтверждением данного факта было совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной c = 1 ε 0 μ 0 . Позднее электромагнитную природу света признали после опытов Герца, связанных с исследованием электромагнитных волн. П.Н. Лебедева изучал и также проводил опыты, связанные с изменением светового давления, благодаря чему электромагнитная теория света и стала рассматриваться, как факт.

На роль определения природы света повлияло определение ее скорости. Еще с конца XVII пытались измерить скорость света при помощи различных методов. Наличие современной техники расширило возможности и помогло точно измерить скорость света в независимости от длины волны λ и частоты υ ( c = λ · υ ) . Поэтому пришли к выводу, что c = 299792458 ± 1 , 2 l . Значение отличается от предыдущего полученного более, чем на два порядка.

Важная роль света в жизни была отмечена давно. Большое количество информации предоставляется именно при помощи света. Но существует не только видимый свет, но и невидимый для наших глаз: инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ).

Свет и электромагнитное излучение иных диапазонов схожи по физическим свойствам. Отличительные же черты различных участков спектра – это длина волны λ и частота υ . На рисунке 3 . 6 . 2 располагается шкала значения электромагнитных волн.

Рисунок 3 . 6 . 2 . Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны.

Оптический диапазон измерения волн – нанометр ( н м ) и микрометр ( м к м ) :

1 н м = 10 — 9 м = 10 — 7 с м = 10 — 3 м к м .

С помощью электромагнитной теории смогли объяснить оптические явления. Но она не позволила завершить понимание природы света. В XX веке было выявлено, что электромагнитная теория не сможет помочь в толковании явлений атомного масштаба, которые возникают после взаимодействия света с веществом. Такие понятия, как излучение черного тела, эффект Комптона и другие требовали введения квантовых представлений.

При изучении и углублении световых свойств науке снова пришлось вернуться к теории корпускул – световых квантов. Когда при проведении опытов замечали проявления волновых и корпускулярных волн, то имел смысл говорить о том, что свет имеет двойственную природу. Иначе говоря, он характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом.

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2017

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН (ЭМВ)

В 1678 году Гюйгенс выпустил «Трактат о свете» – набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем 2 [3] (принцип Гюйгенса-Френеля) и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции.

В 1660–1670 г. существенный теоретический и экспериментальный вклад в физическую теорию света внесли также Ньютон и Гук [3].

Исаак Ньютон Роберт Гук

Многие положения корпускулярно-кинетической теории М.В. Ломоносова (1740–1750) [3] предвосхищают постулаты электромагнитной теории: вращательное («коловратное») движение частиц как прообраз электронного облака, волновая («зыблющаяся») природа света, общность её с природой электричества, отличие от теплового излучения и т.д.

В 1800 г. английский учёный У. Гершель 3 [3] открыл инфракрасное излучение.

В 1801 году И. Риттер 4 [3] открыл ультрафиолетовое излучение.

И. Риттер в 1804 г.

Существование электромагнитных волн предсказал английский физик М. Фарадей 5 в 1832 г. [3].

В 1865 г. физик Дж. Максвелл 6 [3] завершил построение теории электромагнитного поля классической (неквантовой) физики, строго оформив её математически, и на её основе получив твёрдое обоснование существования электромагнитных волн, а также найдя скорость их распространения (неплохо совпадающую с известным тогда значением скорости света), что позволило ему обосновать и предположение о том, что свет является электромагнитной волной.

В 1888 году немецкий физик Герц 7 [3] подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Г. Герц В. Рёнтген

8 ноября 1895 года В. Рёнтген 8 [3] открыл электромагнитное излучение (получившее впоследствии название рентгеновского) более коротковолнового диапазона, чем ультрафиолетовое.

В конце 19 столетия белорусский учёный, профессор Я. Наркевич-Иодко 9 впервые в мире исследовал возможности использования электромагнитного излучения газоразрядной плазмы для электрографии (визуализации) живых организмов, то есть для нужд практической медицины.

В 1900 г. Поль Виллар 10 [3] при изучении излучения радия открыл гамма-излучение.

В 1900 году Планк при теоретическом исследовании проблемы излучения абсолютно чёрного тела открывает квантованность процесса электромагнитного излучения. Эта работа стала началом квантовой физики.

Начиная с 1905 года Эйнштейн, а затем и Планк публикуют ряд работ, приведших к формированию понятия фотона, что стало началом создания квантовой теории электромагнитного излучения.

Альберт Эйнштейн Макс Планк

Дальнейшие работы по квантовой теории излучения и его взаимодействия с веществом, приведшие в итоге к формированию квантовой электродинамики в её современном виде, принадлежит ряду ведущих физиков середины 20 века, среди которых можно выделить, применительно именно к вопросу квантования электромагнитного излучения и его взаимодействия с веществом, кроме Планка и Эйнштейна, Бозе, Бора, Гейзенберга, Де-Бройля, Дирака, Фейнмана, Швингера, Томонагу.

Литература

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для студентов вузов. – 11-е изд., перераб. и доп.– М.: КНОРУС, 2012. – 670 с.

2. Френкель Е.Н. Концепции современного естествознания: физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2014. – 246 с.

3. Интернет-ресурсы (ru.wikipedia.org):

1 Христиа́н Гю́йгенс ван Зёйлихем (нидерл. Christiaan Huygens; 14.04.1629, Гаага – 8.07.1695, Гаага) – нидерландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель. Один из основоположников теоретической механики и теории вероятностей. Внёс значительный вклад в оптику, молекулярную физику, астрономию, геометрию, часовое дело. Открыл кольца Сатурна и Титан (спутник Сатурна). Первый иностранный член Лондонского королевского общества (1663), член Французской академии наук с момента её основания (1666) и её первый президент (1666–1681).

2 Огюсте́н Жан Френе́ль (фр. Augustin-Jean Fresnel; 10.05.1788–14.07.1827) – французский физик, один из создателей волновой теории света. Основные работы Френеля посвящены физической оптике. Физику изучал самостоятельно после ознакомления с работами Э. Малюса. Также самостоятельно начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 переоткрыл принцип интерференции, проделав по сравнению с Томасом Юнгом несколько новых опытов (в частности опыт с «бизеркалами Френеля»). В 1816 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентной интерференции элементарных волн, излучаемых вторичными источниками (принцип Гюйгенса – Френеля). Исходя из этого принципа, в 1818 разработал теорию дифракции света, на основе которой предложил метод расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (так называемые зоны Френеля). С помощью этого метода рассмотрел задачу о дифракции света на краю полуэкрана и круглого отверстия. В 1821 независимо от Т. Юнга доказал поперечность световых волн. В 1823 установил законы изменения поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля). Изобрёл несколько новых интерференционных приборов (зеркала Френеля, бипризма Френеля, линза Френеля). В 1823 Френель был избран членом Парижской АН. В 1825 стал членом Лондонского королевского общества. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни. Скончался в возрасте 39 лет от туберкулёза.

3 Фредерик Уильям (Фридрих Вильгельм) Гершель (англ. Frederick William Herschel, нем. Friedrich Wilhelm Herschel; 15.11.1738, Ганновер – 25.08.1822, Слау близ Лондона) – английский астроном немецкого происхождения. Прославился открытием планеты Уран, а также двух её спутников – Титании и Оберона. Он также является первооткрывателем двух спутников Сатурна и инфракрасного излучения. Менее известен двадцатью четырьмя симфониями, автором которых он является.

4 Иога́нн Вильге́льм Ри́ттер (нем. Johann Wilhelm Ritter; 16.12.1776, Гаунау, Силезия (сейчас Хойнув, Польша) – 23.01.1810, Мюнхен) – немецкий химик, физик, философ-романтик. Сделал ряд важнейших открытий в области электрохимии и ультрафиолетового излучения. Ему принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

5 Майкл Фараде́й (англ. Michael Faraday, 22.09.1791, Лондон – 25.08.1867, Лондон) – английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830). Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий – первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др. Фарадей – основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля – непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.

6 Джеймс Клерк Ма́ксвелл (англ. James Clerk Maxwell; 13.06.1831, Эдинбург, Шотландия – 5.11.1879, Кембридж, Англия) – британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие). Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость – газ и другие). Пионер количественной теории цветов; автор трёхцветного принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла – исследования по механике (фотоупругость, теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике. Он подготовил к публикации рукописи работ Генри Кавендиша, много внимания уделял популяризации науки, сконструировал ряд научных приборов.

7 Ге́нрих Ру́дольф Герц (нем. Heinrich Rudolf Hertz; 22.02.1857, Гамбург – 1.01.1894, Бонн) — немецкий физик. Основное достижение – экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Он подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой не что иное, как разновидность электромагнитных волн. Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его теория электродинамики не подтвердилась опытами и позднее уступила место электронной теории Хендрика Лоренца. Результаты, полученные Герцем, легли в основу создания радио. В 1886–87 годах Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. В ряде работ по механике дал теорию удара упругих шаров, рассчитал время соударения и т. д. В книге «Принципы механики» (1894) дал вывод общих теорем механики и её математического аппарата, исходя из единого принципа (принцип Герца).

8 Вильге́льм Ко́нрад Рентге́н (нем. произн. Рёнтген; нем. Wilhelm Conrad Röntgen; 27.03.1845–10.02.1923 – немецкий физик, работавший в Вюрцбургском университете. С 1875 он является профессором в Хоэнхайме, с 1876 – профессор физики в Страсбурге, с 1879 – в Гиссене, с 1885 – в Вюрцбурге, с 1899 – в Мюнхене. Первый в истории физики лауреат Нобелевской премии (1901 год).

9 Яков (Сармат-Яков-Сигизмунд) Оттонович Наркевич-Иодко (белор. Якуб Наркевіч-Ёдка; 8.01.1848, имение Турин Игуменского уезда Минской губернии [ныне Пуховичского района Минской области Республики Беларусь] – 6[19].02.1905, Вена) – российский учёный-естествоиспытатель белорусского происхождения. Врач, изобретатель электрографии и беспроволочной передачи электрических сигналов, профессор электрографии и магнетизма. Автор пионерских работ по использованию электромагнитного излучения газоразрядной плазмы для визуализации живых организмов, по приему электромагнитных волн от электрических разрядов в атмосфере на расстоянии до 100 км, автор метода электротерапии, известного как «Система Иодко», основоположник систематических метеорологических и фенологических наблюдений в Минской губернии, сторонник масштабного использования атмосферной электрической энергии в сельском хозяйстве.

10 Поль Ульри́ш Вилла́р (правильнее Вийяр, фр. Paul Ulrich Villard, 1860–1934) – французский физик и химик. В 1900 при изучении радиоактивности открыл гамма-лучи. Член Парижской академии (1908). С 1896 занялся изучением радиоактивности. Поставив свинцовый экран на пути радиации, он блокировал альфа-лучи (уже известные к тому времени), после чего в 1900 выяснил, что оставшаяся радиация состоит из двух частей: одна отклоняется магнитным полем (эта компонента также была уже известна как бета-лучи), другая – не отклоняется. Тем самым он открыл гамма-лучи (название в 1903 г. предложил Резерфорд). В дальнейшем Виллар много занимался созданием средств дозиметрии и первым (1908) предложил для количественной оценки излучения использовать ионизационную камеру.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *