3. Физическая природа света.

3.1. Корпускулярно-волновой дуализм:

Световая волна представляет собой нелокализованное электромагнитное поле, распределенное по пространству. Объемная плотность энергии электромагнитного поля волны, пропорциональная квадрату ее амплитуды, может изменяться на сколь угодно малую величину, то есть непрерывно.

Свет можно трактовать как поток корпускул (квантов, фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.

Экспериментально показано, что фотон не является коротким импульсом электромагнитного излучения. Он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году[5]. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Не имеет значение в какой области рассматривать свет. Например, в области зрения и цветного зрения, свет выполняет функции как волны так и частицы - кванта энергии (фотона). Сфокусированная предметная точка на фоторецептор сетчатки, например, мембрану колбочки позволяет глазу отфильтровать, сформировать её значение в виде основных спектральных лучей света RGB согласно их длинам волн, и согласно значениям квантов энергии монолучей (не в цвете), которые в мозгу переводятся в наше ощущение цвета (сфокусированной предметной точки оптического изображения).

Природа света с точки зрения диалектики

С точки зрения диалектической, современная физика отвечает на вопрос о природе света так: свет есть материальный объект, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Эти свойства в различных физических процессах могут проявляться на различном уровне.

Природа света с точки зрения оптической

Опыт Комптона. на первом этапе рассеяния излучения на мишени оно ведет себя как поток фотонов, но в измерительном блоке это же излучение как электромагнитная волна испытывает дифракцию на кристаллической решетке.

При определенных условиях, например, в ряде оптических явлений свет проявляет свои свойства как волна. В данных случаях должны рассматривать свет как электромагнитные волны. В других оптических явлениях свет проявляет свои свойства как свойства частиц (корпускулярные). В этом случае свет следует представлять как поток фотонов (квантов). Иногда, оптический эксперимент можно организовать так, что свет будет проявлять в нем как волновые, так и корпускулярные свойства. Действительно, в опыте Комптона на первом этапе рассеяния излучения на мишени оно ведет себя как поток фотонов, но в измерительном блоке это же излучение как электромагнитная волна испытывает дифракцию на кристаллической решетке.

Физическая природа света. Корпускулярно-волновой дуализм.

Оптика – наука, которая занимается изучением природы света и его свойств, его излучением, распространением и взаимодействием с веществом.

Под светом принимают излучение видимого диапазона, ультрафиолет и инфракрасный свет

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме, которая постоянна, либо как поток фотонов – частиц, обладающих определенной энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой

Основные характеристики света:

1. Цвет – определяется главным образом частотой цвета, для сложного излучения – его спкртральным составом

2. Свет может распространяться в вакууме. Наличие вещества влияет на скорость распространения света.

3. Скорость света в вакууме c=299 792 458 м\с

4. Свет на границе между средами испытывает преломление и отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде , мнимая часть описывает поглощение света.

5. Свет может быть поляризованным.

6. Интенсивность света характеризуется с помощью фотометрических величин.

7. Видимый свет – электромагнитное излучение с длинами волн 380-760 нм ( от фиолетового до красного)

История объясняет, что свет – ощущение.

Исаак Ньютон ( корпускулярная теория) – поток мельчайших частиц с энергией.

Гюйгенс считал, что свет- волны. Юнг считал – дифракция (огибание волной препятствия) диференция

Начало 20 века М.Планк ( свет в процессе своего испускания распространяется отдельными порциями энергии – квантами )

А. Эйнштейн – квантовая теория света. Согласно этой теории, свет состоит из отдельных квантов, образующих свет одной частоты, что кванты тождественные между собой, и каждый квант обладает одним и тем же количеством энергии.

Де-Бройль – ему удалось сосчитать массу кванта.

Корпускулярно-волновой дуализм

Свет представляет собой лучистую энергию, которая распространяется от источника света со скоростью 3000 км\с.

Электромагнитная волна – процесс распространения колебаний электрических и магнитных полей в пространстве

Если свет не монохромный, то тогда волны имеют сферическую форму, следовательно площадь … двумя гребнями волны.

Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень тонкой дифракционной решетке – кристаллической решетке твердого тела.

Энергия электромагнитного поля не может делиться на произвольные части, а излучается и поглощается всегда определенными порциями, равными hv. V - частота колебаний для излучения, h - постоянная планка. Именно эти порции энергии электромагнитного поля и получили название световых квантов или фотонов.

Чем больше энергия квантов, тем легче наблюдать действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуществить опыт по наблюдению распространения энергии излучения не во все стороны равномерно, а вспышками то по одному, то по другому направлению. Энергия фотонов в рентгеновской области спектра значительно превышает энергию фотонов видимого спектра.