Глава 3 световые волны § 1. Электромагнитная природа света
С самой ранней эпохи еще до древних греков, когда, как об этом говорит легенда, Аполлон разъезжал в огненной колеснице по небу, и до наших дней, когда Тверская утопает в сиянии огней, свет очаровывал человека и в то же время представлялся ему неразрешимой загадкой. Ничто в природе не было так неуловимо, ни один свой секрет природа по охраняла так тщательно, как секрет о том, что же представляет свет в действительности. На этом основании свет часто называли самым темным пятном в физике. Однако несмотря на это, свет позволил нам познать окружающий мир при помощи нашего зрения в гораздо большей степени, чем мы могли бы это сделать при помощи всех остальных чувств, вместе взятых.
Именно потому, что в вопросе о свете остается еще много неясного и требующего исследования, изучение света представляет большую выгоду для начинающих ученых. Некоторые ученые, будучи еще молодыми людьми, составили себе имя благодаря изучению света. Альберт Эйнштейн начал изучать свет в возрасте 16 лет, и это изучение привело к полной революции в физике и к вступлению нашей цивилизации в новую, атомную эру.
Уже самый факт существования света достаточен для того, чтобы вызвать ряд вопросов. Например: имеет ли свет вес? занимает ли он пространство? Ударяет ли свет тело при падении на него? Горяч или холоден свет? С какой быстротой свет распространяется? Если свет не может пройти сквозь тонкий лист картона, то как он проходит через толстое стекло? Это только немногие из вопросов, На которые мы попытаемся ответить, изучая свет.
Сегодня это звучит курьезно, но одна из теорий древних греков относительно природы света такова. Согласно этой теории свет представляет нечто такое, что истекает из наших глаз наподобие воды из шланга; при этом предполагалось, что мы видим вещи, направляя на них поток света. Таким образом мы узнаем, как выглядит вещь, подобно тому как мы ощущаем характер поверхности при ощупывании. Глаза слепого не испускают света, поэтому он не может видеть.
Должны ли мы были бы одинаково хорошо видеть ночью и днем по этой теории? Мог бы слепой фотографировать при отсутствии зрячего?
Ну так или иначе но к концу XIX в. была создана электромагнитная теория света, которой пользуются и в настоящее время Согласно этой теории всякое световое излучение является электромагнитными волнами. Однако далеко не все электромагнитные волны являются световыми, а только те, что вызывают у человека зрительное ощущение. К световому излучению относятся только волны с частотой колебаний от 4·1014 до 7,5·1014 Гц. В этом интервале каждой частоте соответствует свой цвет излучения. Например, частоте 5,4·1014 Гц соответствует зеленый цвет. По частоте излучения ν всегда можно найти длину его волны в вакууме:
Расчет показывает, что световое излучение (видимое) в вакууме имеет длины волн от 400 нм1 (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет). Физики называют этот диапазон длин волн видимым. По разным причинам в оптике рассматривают несколько расширенный диапазон длин волн. Его подразделяют на
инфракрасное излучение λ = 1мм – 760 нм
видимое излучение (свет) λ = 760 – 400 нм
ультрафиолетовое излучение λ = 400 – 10 нм.
Заметим, что при переходе светового излучения из одной среды в другую его цвет сохраняется, так как сохраняется его частота, а длина волны изменяется вследствие изменения скорости распространения света. Когда на практике цвет излучения характеризуют длиной волны, то длины волн указывают для вакуума.
Анализ состава излучения светящихся тел (например, раскаленной кочерги) показал, что его распределение по частотам колебаний не согласуется с законами излучения, выведенными из волновой теории света. Стремясь найти объяснение этому факту, немецкий физик Макс Планк предположил, что свет излучается не в виде волн, а в виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами (от латинского «квантум»— количество, масса). В настоящее время кванты света называют фотонами.
На основе анализа оптических явлений было установлено, что те из них, которые связаны с распространением света в какой-либо среде, можно объяснить только с помощью волновой теории, а те, которые связаны с испусканием и поглощением света, объяснялись только с помощью представления о квантовом составе светового излучения. Все это означало, что для объяснения оптических явлений необходима новая теория, объединяющая волновые и корпускулярные свойства света. Эта новая теория получила название квантовой теории света и в своем первоначальном виде была создана трудами Планка, Эйнштейна, Бора и других ученых.
В настоящее время квантовая теория объясняет не только оптические явления, но и множество других явлений из всех разделов физики. Эта теория раскрыла новые свойства вещества и поля, предсказала много новых явлений, которые впоследствии были обнаружены опытным путем.
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света по этой теории выражается формулой Планка:
ε = h ν (1.1)
где ε — энергия кванта, ν — частота колебаний электромагнитного излучения и h — постоянный коэффициент, одинаковый для всех волн и квантов, который называют постоянной Планка, В системе СИ численное значение h следующее:
h=6.62·10-34 Дж·с.
Итак, согласно квантовой теории световое излучение заданной частоты ν состоит из фотонов (квантов) с определенной энергией ε, выражаемой формулой (1.1). Следовательно, энергия кванта прямо пропорциональна частоте колебаний в электромагнитном излучении. Поскольку с=νλ то из формулы (1.1) получим
т. е. энергия кванта обратно пропорциональна длине волны излучения в вакууме.
Опыт показал, что, пока фотон существует, он движется со скоростью с (в вакууме) и ни при каких условиях не может замедлить свое движение или остановиться. При встрече с веществом он может быть поглощен частицей вещества. Тогда сам фотон исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице. Фотон не имеет массы покоя. Эта замечательная особенность фотонов отличает их от частиц вещества, например от протонов или электронов.
Заметим, что до сих пор не ясно, почему в одних явлениях свет обнаруживает ярко выраженные волновые свойства, а в других — корпускулярные свойства, и каким образом такие противоречивые свойства могут объединяться в излучении. По квантовой теории объединение корпускулярных и волновых свойств является природным качеством всей материи вообще, т. е. каждая частица вещества обладает волновыми свойствами и каждая волна обладает корпускулярными свойствами.
Таким образом процесс зрения с точки зрения сегодняшней физики выглядит следующим образом. За счет энергии ядерных реакций, проходящих внутри Солнца, какой-нибудь из его атомов испустил квант видимого света. Около 10 минут этот квант летел до Земли, попал куда-нибудь, отразился от этого «куда-нибудь», попал в глаз человеку и вызвал в мозгу (ну это уже к биологам) ощущение света.
Все тела, молекулы и атомы которых создают видимое излучение, называют источниками света. Можно привести множество примеров различных источников света: лазер, лампа накаливания, горящая спичка, газосветные трубки. Условно их можно разделить на группы по способу возбуждения частиц, испускающих свет.
К первой группе относятся температурные источники света, в которых свечение возникает за счет возбуждения атомов и молекул хаотическим движением частиц в теле при достаточно высокой температуре. Энергия излучения таких источников света получается за счет их внутренней энергии.
Ко второй группе относятся люминесцентные источники света, возбуждение атомов и молекул которых обусловлено не высокой температурой, а потоком летящих частиц вещества, например электронов, воздействием внешнего электромагнитного излучения или химической реакцией. В этом случае энергия излучения получается за счет электрической, химической или механической энергии, т. е. за счет энергии каких-либо внешних источников. Примерами люминесцентных излучателей служат свечение экрана электронно-лучевой трубки,, свечение газосветных трубок в рекламах, свечение красок и т. п.
К третьей группе относится свечение в веществе, обусловленное эффектом Вавилова — Черенкова. Это свечение возникает при движении электронов в веществе со скоростью, превышающей скорость света в этом веществе.