42. Природа світла

Розділ фізики, який вивчає світлові явища називається оптикою.

Перші наукові гіпотези про природу світла були висловлені в 17 столітті в цей час виникло одразу дві теорії при природу світла: корпускулярна (Ісаака Ньютона) та хвильова (Роберт Гук та Христіан Гюйгенс) . До цього часу були виявлені дві чудові властивості світла – прямолінійність поширення в однорідному середовищі і незалежність поширення світлових пучків, тобто відсутність впливу одного пучка світла на поширення іншого світлового пучка.

Згідно корпускулярної теорії, світло є потоком часток (корпускул), що випускаються тілами, що світяться. Ньютон вважав, що рух світлових корпускул підкоряється законам механіки. Так, відображення світла розумілося аналогічно відображенню пружної кульки від площини. Взагалі, уся геометрична оптика прекрасно узгоджується з корпускулярною теорією світла. Заломлення світла пояснювалося зміною швидкості корпускул при переході з одного середовища в інше. Для випадку заломлення світла на межі вакуум-середовище корпускулярна теорія призводила до наступного виду закону заломлення :

де c - швидкість світла у вакуумі, υ - швидкість поширення світла в середовищі. Оскільки n > 1, з корпускулярної теорії виходило, що швидкість світла в середовищах має бути більше швидкості світла у вакуумі.

Інший учений, Гюйгенс, запропонував інше пояснення природи світла. Він розробив хвилеву теорію світла, згідно якої світло - це механічні поперечні хвилі, які повинні поширюватися в пружному середовищі названому світловим ефіром. Але ні одна, ні друга теорія не відповідала дійсності.

Після створення Масквеллом електромагнітної теорії ( 60-70 - ті рр. ХІХ ст.) він зробив припущення, що світло - це електромагнітні хвилі. Так як швидкість світла і швидкість електромагнітних хвиль однакова і становить 3 ∙ 10⁸ м/с, тому і була створена електромагнітна теорія природи світла. Але не всі електромагнітні хвилі створюють відчуття світла, а тільки ті, які знаходяться в діапазоні частот: 4 ∙ 10¹⁴ Гц - 7,5 ∙ 10¹⁴ Гц.

С =  ∙ 

с = 3 ∙ 10⁸ м/с - швидкість світла у вакуумі;

λ - довжина хвилі;

ν- частота коливань.

При переході в інше середовище міняється довжина хвилі і швидкість, а частота лишається сталою.

Кожному кольору відповідає і певна частота електромагнітних хвиль. Наприклад: червоний 4 ∙10¹⁴ Гц, а фіолетовий 7,5∙10¹⁴ Гц.

Електромагнітна теорія також не могла пояснити всі оптичні явища (фотоефект, тиск світла).

У 1990 р. німецький фізик Макс Планк висуває квантову теорію природи світла, яка доповнює і розширює електромагнітну теорію. За квантовою теорією світло випромінюється не безперервно, а квантами (фотонами) - певними неподільними порціями електромагнітної енергії.

А взагалі природа світла дуалістична - двоїста. Одні явища пояснюються хвильовою теорією, а інші - квантовою.

Ці два, здавалося б, несумісних один з одним уявлення про природу світла в 30-х рр. XX століття удалося несуперечливим чином об'єднати в новій фізичній теорії – квантовій електродинаміці. З часом з'ясувалося, що подвійність властивостей, властива не лише світлу, але і будь-якій іншій формі матерії.

Зв'язок між квантовою і хвильовою теорією виражається за формулою Планка:

Е = h ∙  Е =

Е - енергія кванта;

 - частота коливань

 - довжина хвилі;

h - стала Планка.

h = 6,62 х 10^-34 Дж ∙ с

Фотон (квант) існує до тих пір, поки рухається, він не має маси спокою. При зустрічі з речовиною, він зникає, а енергія переходить до речовини.

Всі тіла, молекули й атоми яких створюють видиме випромінювання називаються джерелами світла.