11.2.Волновые свойства света.
То, что свет обладает волновыми свойствами, было известно давно. Роберт Гук в своей работе "Микрография" (1665 г.) сравнивает свет с распространением волн. Христиан Гюйгенс в 1690 г. опубликовал "Трактат о свете", в котором развивает волновую теорию света. Интересно, что Ньютон, который был знаком с этими работами, в своем трактате об оптике убеждает себя и других в том, что свет состоит из частиц – корпускул. Авторитет Ньютона какое-то время даже препятствовал признанию волновой теории света. Это тем более удивительно, что Ньютон не только слышал о работах Гука и Гюйгенса, но и сам сконструировал и изготовил прибор, на котором наблюдал явление интерференции, известное сегодня каждому школьнику под названием "Кольца Ньютона". Явления дифракции и интерференции просто и естественно объясняются в волновой теории. Ему же, Ньютону, пришлось изменить себе самому и прибегнуть к "измышлению гипотез" весьма туманного содержания, чтобы заставить корпускулы двигаться должным образом.
Наибольшего успеха Ньютон, как ученый, добился при объяснении движения планет при помощи открытых им законов механики. Естественно, что он пытался эти же законы использовать и для объяснения движения света, но для того, чтобы это стало возможным, свет непременно должен состоять из корпускул. Если свет состоит из частиц, то к ним применимы законы механики и для того, чтобы найти законы их движения, остается только выяснить, какие силы действуют между ними и веществом. Объяснить такие различные явления, как движение планет и распространение света исходя из одних и тех же принципов – это грандиозная задача, и Ньютон не мог отказать себе в удовольствии искать ее решения. Современная наука не признает корпускулярной теории Ньютона, тем не менее со времени опубликования работы Эйнштейна по фотоэффекту, свет принято считать состоящим из частиц-фотонов. Не ошибался Ньютон и в том, что движением планет и распространением света руководят некие общие принципы, которые ему были неизвестны.
Напомним наиболее известные опыты, приборы и устройства, в которых наиболее ярко проявляется волновая природа света.
1. "Кольца Ньютона".
2. Интерференция света при прохождении его через два отверстия.
3. Интерференция света при отражении от тонких пленок.
4. Различные приборы и устройства: бипризма Френеля, зеркала Френеля, зеркало Ллойда; интерферометры: Майкельсона, Маха-Цандера, Фабри-Перо.
5. Дифракция света на узкой щели.
6. Дифракционная решетка.
7. Пятно Пуассона.
Все эти опыты, приборы, устройства или явления хорошо известны, поэтому не будем на них останавливаться. Хочется напомнить только одну любопытную подробность, связанную с названием "пятна Пуассона". Пуассон был противником волновой теории. Рассматривая метод Френеля, он пришел к заключению, что если свет является волной, то в центре геометрической тени от непрозрачного диска должно быть светлое пятно. Считая, что вывод этот абсурден, он выдвинул его как убедительное возражение против волновой теории. Однако это абсурдное предсказание было экспериментально подтверждено Арагоном.
Корпускулярные свойства света
С 1905 года науке известно, что свет не только является волной, но и потоком частиц – фотонов. Все началось с открытия фотоэффекта.
Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 г.
1888 – 1889 г. явление было экспериментально изучено Столетовым.
1898 г. Ленард и Томпсон установили, что частицы, которые испускаются под действием света, являются электронами.
Основная проблема, которую поставил перед учеными фотоэффект, заключалась в том, что энергия вырванных светом из вещества электронов не зависит от интенсивности падающего на вещество света. Она зависит только от его частоты. Классическая волновая теория не могла этот эффект объяснить.
1905 г. Эйнштейн дал теоретическое объяснение фотоэффекту, за что в 1921 г. получил Нобелевскую премию.
По
предположению Эйнштейна свет состоит
из фотонов, энергия которых зависит
только от частоты и рассчитывается по
формуле Планка: 
.
Свет способен вырвать электрон из
вещества, если у фотона для этого
достаточно энергии. При этом не имеет
значения количество фотонов, которые
падают на освещенную поверхность.
Следовательно интенсивность света не
имеет значения для начала фотоэффекта.
При объяснении фотоэффекта Эйнштейн использовал известную гипотезу Планка. Планк в свое время предположил, что свет излучается порциями – квантами. Теперь Эйнштейн предположил, что свет, к тому же и поглощается порциями. Для объяснения фотоэффекта этого предположения было достаточно. Эйнштейн, тем не менее идет дальше. Он предполагает, что свет и распространяется порциями или фотонами. Для такого утверждения в тот момент не было никаких экспериментальных оснований.
Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте.
В эксперименте Боте тонкая металлическая фольга Ф помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч. Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновского излучения. Вторичные фотоны улавливались счетчиками Гейгера. При срабатывании счетчика, сигнал передавался на механизмы М, которые делали отметку на движущейся ленте Л. Если бы вторичное излучение испускалось в виде сферических волн, то оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно. Однако опыт показал, что отметки на двигающейся ленте располагались совершенно независимо друг от друга. Это можно было объяснить только одним способом: вторичное излучение возникает в виде отдельных частиц, которые могут лететь либо в одном, либо в противоположном направлениях. Поэтому, оба счетчика не могут сработать одновременно.
Интерференция волн — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.
Интерферировать могут все волны, однако устойчивая интерференционная картина будет наблюдаться только в том случае, если волны имеют одинаковую частоту и колебания в них не ортогональны. Интерференция может быть стационарной и нестационарной. Стационарную интерференционную картину могут давать только полностью когерентные волны. Например, две сферические волны на поверхности воды, распространяющиеся от двух когерентных точечных источников, при интерференции дадут результирующую волну, фронтом которой будет сфера.
При интерференции энергия волн перераспределяется в пространстве.[1] Это не противоречит закону сохранения энергии потому, что в среднем, для большой области пространства, энергия результирующей волны равна сумме энергий интерферирующих волн.
При наложении некогерентных волн средняя величина квадрата амплитуды (то есть интенсивность результирующей волны) равна сумме квадратов амплитуд (интенсивностей) накладывающихся волн. Энергия результирующих колебаний каждой точки среды равна сумме энергий её колебаний, обусловленных всеми некогерентными волнами в отдельности. Именно отличие результирующей интенсивности волнового процесса от суммы интенсивностей его составляющих и есть признак интерференции.
Когерентные волны - это волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.