53

Литература к курсу: “Оптика. Физика атома и атомного ядра.”

1. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. Т. 2,3.-М.:Наука.1988

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов. –М.:Высш.шк.,1990

3. Кудасова С.В. и др. Физика. Раздел: Оптика. Физика атома и атомного ядра. Лабораторный практикум. М.1997.

4. Красильников О.М. Общая физика. Методическое руководство по обработке результатов измерений. М.1984.

Лекция 1. Введение. Электромагнитные волны. Плоская световая волна. Фазовая и групповая скорость. Взаимодействие света с веществом. Дисперсия света. Поглощение света. Закон Бугера.

1. Развитие представлений о природе света.

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян, которые в дальнейшем, по мере изобретения и усовершенствования различных оптических инструментов, развивались и трансформировались. В конце XVII в. на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две теории света: корпу­скулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и X. Гюйгенс).

1. Корпускулярная теория (Ньютон) (теория истечения): свет - поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямо­линейным траекториям; движение свето­вых корпускул подчиняется законам механики.

Недостатки: скорость распространения света в среде должна быть всегда больше скоро­сти его распространения в вакууме .

2. Волновая теория (Гюйгенс): свет - упругая волна, распространяющаяся в особой среде — эфире. Эфир заполняет все мировое пространство, пронизывает все тела и обладает механическими свой­ствами — упругостью и плотностью. Большая скорость рас­пространения света обусловлена особыми свойствами эфира.

О пр. 1.1. Волной называется процесс распространения колебаний.

В олновая теория основывается на прин­ципе Гюйгенса: каждая точка, до кото­рой доходит волна, служит центром вто­ричных волн, которые в однородной и изотропной среде будут сферическими. Огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Построив огибающую вторичных волн, мы убеж­даемся, что за отверстием волна огибает края преграды и проникает в область геометрической тени. В при­ближении геометрической оптики свет за преградой не должен проникать в область геометрической тени. В действительности световая волна распространяется во всем про­странстве за преградой, проникая в область геометрической тени, причем это проникновение оказывается тем более сущест­венным, чем меньше размеры отверстий. При диаметре отвер­стий или ширине щелей, сравниваемых с длиной световой волны, приближение геометрической оптики оказывается не­правомерным.

Опр.1.2. Волновым фронтом называется геометрическое место точек, до которых доходят колебания к мо­менту времени t.

Экспери­ментальное доказательство справедливо­сти волновой теории было получено в 1851 г., - Э. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распро­странения света в воде. Благодаря английскому физику Т. Юнгу, исследовав­шему явления дифракции и интерферен­ции, и французскому физику О. Френелю, дополнившему принцип Гюйгенса и объяснившему эти явления началу XIX в., корпускулярная теория отвергнута.

Недостатки: явления интерференции, дифракции и поляризации могли быть объяснены только при ряде допущений, не могла объяснить физической природы наличия разных цветов.

3. Электромагнитная теория (Максвелла; 70-е годы XIX в). Связывает оптические, электри­ческие и магнитные постоянные вещества: , где n- показатель преломления среды; с и — скорости рас­пространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью .

Недостатки: для воды = 81, а п =1,33. По Максвеллу, и — величины, не за­висящие от длины волны света, поэтому электромагнитная теория не могла объяс­нить явление дисперсии. Не смогла объяснить процессов испускания и погло­щения света, фотоэлектрического эффек­та, комптоновского рассеяния и т. д.

4. Элек­тронная теория (Лоренц, конец XIX в.): 1) ввела представление об электро­нах, колеблющихся внутри атома; 2) показала, что диэлек­трическая проницаемость зависит от длины волны падающего света.

По­зволила объяснить испускание и поглощение света веществом. Не смогла объяснить явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энер­гии по длинам волн при тепловом излуче­нии черного тела.

5. Гипотеза Планка (1900): излучение и поглощение света про­исходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами). Объяснила тепловое излучение черного тела.

6. Квантовая теория света (Эйнштейн, 1905г.): не только излучение света, но и его распространение происходит в виде потока световых квантов — фото­нов.

Вывод: свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу, т.е. в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других — как поток особых частиц (фотонов).

Излучение черного тела, фотоэффект, эф­фект Комптона — доказательст­ва квантовых пред­ставлений.

Интерференция, дифракция, поляризация света - волно­вой (электромагнитной) природы света.

Давление и преломление света объясняются как волновой, так и кванто­вой теориями.

Электромаг­нитное излучение обнаруживает единство взаимо­исключающих свойств — непрерывных (во­лны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга. Чем больше длина волны, тем труднее обна­руживаются квантовые свойства света. Чем меньше длина волны, тем труднее обнаруживаются волновые свойства света.