Природа і фізичні властивості світла. Оптичні явища в атмосфері
Оптика – це розділ фізики, в якому вивчаються властивості, фізична природа світла та його взаємодія з речовиною. Поняття світла охоплює не видиме випромінювання, але й прилеглі до нього широкі ділянки спектра електромагнітних хвиль: ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання.
Питання про природу світла та його та закони його поширення зацікавили грецьких філософів ще до нашої ери. У трактатах Евкліда “Оптика” і “Катоптрика” на основі уявлень про світло, як промені, що виходять з ока людини, сформульовано закони прямолінійного поширення світла та рівності кутів падіння та відбивання.
На протязі попередніх трьох століть уявлення про природу світла змінювалися. Наприкінці 17 ст. Сформувалися дві принципово різні теорії природи світла: корпускулярна, яка розроблена Ньютоном і хвильова теорія, розроблена Гюйгенсом.
Згідно корпускулярної теорії, світло – це потік частинок (корпускул), які летять з великою швидкістю від джерела світла. За хвильовою теорією, світло являє собою хвилю, яка випромінюється джерелом світла і поширюється з великою швидкістю у “світовому ефірі” – нерухомому пружному середовищі, яке рівномірно заповнює весь Всесвіт.
До кінця 18 ст. Більшість вчених надавали перевагу корпускулярній теорії Ньютона. Проте на поч. 19 ст. Завдяки дослідженням Юнга і Френеля хвильова теорія була значно розвинута і вдосконалена і тому отримала визнання, а корпускулярна теорія Ньютона була відкинута.
В 60 –х роках 19 ст.
Максвел розробив теорію електромагнітного
поля. Вияснилося, що світло є електромагнітною
хвилею, а їх носієм є електромагнітне
поле. Видимому діапазону відповідають
електромагнітні хвилі довжиною від
0,77 до 0,38 мкм. Експериментально визначене
значення швидкості світла (досліди
Фізо, Майкельсона) співпало з теоретичним
значенням швидкості поширення
електромагнітних хвиль в електромагнітній
теорії Максвела
(1).
Уявлення про електромагнітну природу світла були непорушними до кінця 19 ст. Проте вивчення спектрів випромінювання хімічних елементів, розподілу енергії у спектрі теплового випромінювання чорного тіла, фотоелектричного ефекту та деяких інших явищ змусило вважати, що випромінювання, поширення і поглинання електромагнітної енергії носить дискретний характер. Тобто світло випромінюється не неперервно (як це слідує із хвильової теорії), порціями (квантами).
Планк створив
квантову теорію електромагнітних
процесів, а Ейнштейн у 1905 р. розробив
квантову теорію світла, згідно з якою
світло являє собою потік фотонів. Вони
рухаються із швидкістю світла, маючи
при цьому скінчену масу. Енергія кванта
світла
(2).
За сучасними уявленнями світло – це складний електромагнітний процес, який має як хвильові так і квантові (корпускулярні) властивості. В деяких явищах (інтерференція, дифракція, поляризація) проявляються хвильові властивості світла. Ці явища описуються хвильовою теорією. В інших явищах (фотоефект, люмінесценція, атомні та молекулярні спектри) проявляються корпускулярні властивості світла.
Отже, хвильова (електромагнітна) і корпускулярна (квантова) теорії світла доповнюють одна одну, відображають двоїстий характер властивостей світла.