Основными характеристиками света как волнового процесса являются частота n и длина волны l. Корпускулярные свойства света характеризуются фотонами. Каждый фотон обладает энергией

e ф = hn, (5.1)

и импульсом

. (5.3)

Формула (5.3) устанавливает связь волновых и корпускулярных свойств света.

В связи с этим возникло предположение о том, что двойственная природа присуща не только свету, но и частицам материи, в частности электрону. В 1924 году Луи де Бройль высказал следующую гипотезу: с электроном связан волновой процесс, длина волны которого равна

где h = 6,63 × 10 –34 Дж×с - постоянная Планка, m – масса электрона, v – скорость электрона.

Расчеты показали, что длина волны, связанной с движущимся электроном, имеет тот же порядок, что и длина волны рентгеновских лучей (10 –10 ¸ 10 –13 м).

Из формулы де Бройля (5.4) видно, что волновые свойства частиц существенны только в тех случаях, в которых величиной постоянной Планка h пренебречь нельзя. Если в условиях данной задачи можно считать, что h ® 0, то и l®0 и волновыми свойствами частиц можно пренебречь.

5.2. Опытное обоснование корпускулярно – волнового дуализма

Гипотеза де Бройля получила экспериментальное подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927 г.), П.С. Тартаковского (1927 г.), Л.М. Бибермана, Н.Г. Сушкина и В.А. Фабриканта (1949 г.) и др.

В опытах Дэвиссона и Джермера (рис.5.1) электроны из электронной пушки узким пучком направлялись на кристалл никеля, структура которого хорошо известна.

Рис.5.1. Схема опыта Девиссона и Джермера

Отраженные от поверхности кристалла электроны попадали в приемник, соединенный с гальванометром. Приемник перемещался по дуге и улавливал электроны, отраженные под разными углами. Чем больше электронов попадало в приемник, тем больший ток регистрировался гальванометром.

Оказалось, что при заданном угле падения электронного пучка и изменении разности потенциалов U, ускоряющей электроны, ток I менялся не монотонно, а имел ряд максимумов (рис.5.2).

Рис.5.2. Зависимость силы тока от ускоряющей разности потенциалов в опытах Дэвиссона и Джермера

Полученный график говорит о том, что отражение электронов происходит не при любых, а при строго определенных значениях U, т.е. при строго определенных скоростях v электронов. Эту зависимость удалось объяснить только на основе представлений об электронных волнах.

Для этого выразим скорость электрона через ускоряющее напряжение:

и найдем дебройлевскую длину волны электрона:

(5.6)

Для отраженных от кристалла электронных волн, так же как и для рентгеновских лучей, должно выполняться условие Вульфа-Брэггов:

2d sinq = kl, k = 1,2,3,..., (5.7)

где d – постоянная кристаллической решетки, q – угол между падающим лучом и поверхностью кристалла.

Подставив (5.6) в (5.7), найдем те значения ускоряющего напряжения, которые соответствуют максимумам отражения, а следовательно, и максимальному току через гальванометр:

(5.8)

Рассчитанные по данной формуле значения U при q=const прекрасно согласуются с результатами опытов Дэвиссона и Джермера.

В опытах П.С. Тартаковского кристалл заменялся тонкой пленкой поликристаллической структуры (рис.5.3).

Рис.5.3. Схема опытов П.С. Тартаковского

Рассеянные пленкой электроны давали на экране дифракционные круги. Аналогичная картина наблюдалась при рассеянии рентгеновских лучей на поликристаллах. По диаметрам дифракционных кругов можно определить дебройлевскую длину волны lэлектронов. Если l известна, то дифракционная картина позволяет судить о структуре кристалла. Этот метод исследования структуры носит название электронографии.

Л.М. Биберманом, Н.Г. Сушкиным и В.А. Фабрикантом были осуществлены опыты по дифракции одиночных, поочередно летящих электронов. Отдельные электроны попадали в различные точки экрана, на первый взгляд, разбросанные беспорядочно. Однако при рассеянии большого числа электронов обнаружилось, что точки попадания электронов на экран распределены так, что образуют максимумы и минимумы, т.е. при длительной экспозиции была получена такая же дифракционная картина, какую дает пучок электронов. Это свидетельствует о том, что волновыми свойствами обладает каждый отдельно взятый электрон.

Дифракционные явления наблюдались в опытах не только с электронами, но и с протонами, нейтронами, атомными и молекулярными пучками.

30.12.2015. 14:00

Многие кто начинает познавать физику как в школьные годы так и в высших учебных заведениях, рано или поздно сталкиваются с вопросами касательно света. Во-первых, что больше всего мне не нравиться в физике которая нам известна сегодня. Так это трактовка одних понятий, при абсолютно спокойном выражении лица и не обращении внимания на другие явления и эффекты. То есть с помощью одних законов или правил пытаются пояснить те или иные явления, но при этом стараются не замечать эффекты этому объяснению противоречащие. Это уже является своего рода правилом ведения трактовки - Ну а как же вот это и это? Дорогой, послушай мы сейчас говорим о другом, просто не обращай внимания. Ведь в рамках этого вопроса, все бьется? Ну и славно.

Очередным "Котом Шредингера" для любого познания, является КВД (корпускулярно волновой дуализм). Когда состояние фотона (частицы света) или же электрона может описываться как волновыми эффектами так и корпускулярными (частицы). Что касается явлений указывающих на волновые свойства материи, тут все более менее понятно, кроме одной вещи - среда в которых эта самая волна передается. Но касательно корпускулярных свойств и особенно наличия таких "частиц" света как фотоны, у меня есть масса сомнений.

Как люди узнали о том что свет имеет волновую природу? Ну тому способствовали открытые эффекты и проведенные эксперименты с дневным светом. К примеру такое понятие как спектр света, (видимый спектр света) где в зависимости от длинны волны и соответственно частоты, цвет спектра меняется от красного до фиолетового, его то мы и видим нашим несовершенным глазом. Все что находится позади него и перед, относиться к инфракрасному, радио излучению, ультрафиолетовому, гамма излучению и так далее.

Обратите внимание как картинку выше, где изображен спектр электромагнитного излучения. В зависимости от частоты волны электромагнитного проявления оно может быть как гамма излучением, так и видимым светом и не только, к примеру оно может быть даже радио волной. Но что самое удивительное во всем этом, только видимому спектру света, столь незначительному во всем диапазоне частот, почему-то, ВНЕЗАПНО и только исключительно ему, приписываются свойства частиц - фотонов. Только видимый спектр почему-то проявляет корпускулярные свойства. Вы никогда не услышите о корпускулярных свойствах радио волн или скажем гамма излучения, эти колебания корпускулярных свойств не проявляют. Лишь отчасти к гамма излучению применяют понятие "гамма-кванта" но об этом позже.

А какие собственно явления или эффекты подтверждают наличие пусть даже только у видимого спектра света корпускулярных свойств? И вот тут начинается самое удивительное.

Если верить официальной науке, корпускулярные свойства света подтверждаются двумя известными эффектами. За открытие и пояснение этих эффектов были выданы Нобелевские премии по физике Альберту Эйнштейну (фото-эффект), Артуру Комптону (эффект Компотна). Следует отметить вопросом - почему фото-эффект не носит имя Альберта Эйнштейна ведь именно за него он получил Нобелевскую премию? А все очень просто, данный эффект был открыт не им, а другим талантливым ученым (Александр Беккерель 1839), Эйнштейн лишь пояснил эффект.

Давайте начнем с фото-эффекта. Где же по мнению физиков в нем присутствует подтверждение того что свет имеет корпускулярные свойства?

Фото-эффектом называют явление благодаря которому происходит испускание электронов веществом при воздействии на него светом или же любым другим электромагнитным излучением. Иными словами, свет поглощается материей и а его энергия переходит электронам заставляя их двигаться упорядочено, переходя таким образом в электрическую энергию.

На самом деле не понятно как физики пришли к заключению что так называемый фотон является частицей, ведь в явлении фотоэффекта установлено что электроны вылетают на встречу фотонам. Этот факт дает представление о неверной трактовке явления фото-эффекта, так как является одним из условий протекания данного эффекта. Но по мнению физиков, данный эффект показывает что фотон является именно частицей только благодаря тому что поглощается полностью, а так же благодаря тому что выделение электронов не зависит от интенсивности облучения а исключительно от частоты так называемого фотона. Именно поэтому родилось понятие кванта света или корпускула. Но тут следует заострить внимание на том что такое "интенсивность" в данном конкретном случае. Ведь солнечные батареи выдают все же больше электричества при увеличении количества света попадающего на поверхность фотоэлемента. К примеру когда мы говорим о интенсивности звука мы подразумеваем амплитуду его колебаний. Чем больше амплитуда тем большую энергию несет акустическая волна и тем большую мощность необходимо что бы такую волну создать. В случае со светом такое понятие отсутствует напрочь. Согласно сегодняшним представлениям в физике, у света есть частота, но нет амплитуды. Что опять же вызывает массу вопросов. К примеру у радиоволны амплитудные характеристики имеются, а у видимого света, волны которого скажем чуть короче радиоволн - амплитуды нет. Все это описанное выше говорит только о том, что такое понятие как фотон является мягко говоря размытым, а все явления указывающие на его существование как их интерпретация, не выдерживают никакой критики. Либо попросту являются придуманными в рамках поддержки какой либо гипотезы, что скорее всего так и есть.

Что касается Комптоновского рассеивания света (эффект Компотона) вообще не понятно каким образом на основании данного эффекта делается заключение что свет это частица а не волна.

В общем по сути сегодня у физики нет конкретного подтверждения того что частица фотон, является полноценной и существует в виде частицы в принципе. Есть некий квант который характеризуется частотным градиентом и не более. И что самое интересное размеры (длинна) этого фотона, согласно E=hv могут быть от нескольких десятков микрон до нескольких километров. И все это никого не смущает при употреблении слова "частица" к фотону.

К примеру, у фемтосекундного лазера с длинной импульса в 100 фемтосекунд длинна импульса (фотона) составляет 30 микрон. Для справки в прозрачном кристалле расстояние между атомами примерно 3 ангстрема. Ну как тут от атома к атому может лететь фотон величина которого в несколько раз больше этого расстояния?

Но сегодня физика не стесняется оперировать понятием квант, фотон или частица по отношению к свету. Просто не обращая внимания на то что не вписывается в стандартную модель описывающую материю и законы по которым она существует.

В 20-х годах XX столетия было установлено, что любая частица имеет корпускулярно-волновую природу. Согласно теории Л. де Бройля (1924 г.), каждой частице с импульсом соответствует волновой процесс с длиной волны λ, т.е. λ = h / p . Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Для элементарных частиц В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно определить положение частицы в пространстве и ее импульс. Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ 2 определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь . Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая. Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера. (Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения). Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел .

Программа представляет компьютерный эксперимент по прохождению электронного пучка через одну или две щели. Она позволяет познакомиться с проявлением двойственной природы микрообъектов, то есть наличием у них волновых и корпускулярных свойств. Иллюстрируется принцип неопределенности Гейзенберга.

Известно, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Волновые свойства проявляются при распространении света (интерференция, дифракция). Корпускулярные свойства проявляются при взаимодействии света с веществом (фотоэффект, излучение и поглощение света атомами).

Свойства фотона как частицы (энергия E и импульс p ) связаны с его волновыми свойствами (частотой ν и длиной волны λ) соотношениями

где h = 6,63·10 –34 Дж∙c – постоянная Планка.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал предположение, что сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и любому материальному телу. Согласно де Бройлю, каждому телу массой m , движущемуся со скоростью v , соответствует волновой процесс с длиной волны

Наиболее отчетливо волновые свойства проявляются у элементарных частиц. Это происходит потому, что из-за малой массы частиц длина волны оказывается сравнимой с расстоянием между атомами в кристаллических решетках. В этом случае при взаимодействии пучка частиц с кристаллической решеткой возникает дифракция . Например, электронам с энергией 150 эВ соответствует длина волны λ ≈ 10 –10 м. Такого же порядка межатомные расстояния в кристаллах. Поэтому пучок электронов будет рассеиваться на кристалле как волна, т. е. по законам дифракции.

Для иллюстрации волновых свойств частиц часто используют мысленный эксперимент – прохождение пучка электронов (или других частиц) через щель шириной Δx . С точки зрения волновой теории после дифракции на щели пучок будет уширяться с угловой расходимостью θ ≈ λ / Δx . С корпускулярной точки зрения уширение пучка после прохождения щели объясняется появлением у частиц некоторого поперечного импульса. Разброс значений этого поперечного импульса («неопределенность») есть

Соотношение

Δp x Δx ≈ h

носит название соотношения неопределенностей . Это соотношение на корпускулярном языке выражает наличие волновых свойств у частиц.

Эксперимент по прохождению пучка электронов через две близко расположенные щели может служить еще более яркой иллюстрацией волновых свойств частиц. Этот эксперимент является аналогом оптического интерференционного опыта Юнга .

Волновые и корпускулярные свойства элементарных частиц

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.

Опыт Комптона

В 1923 г. Артур Холли Комптон, американский физик, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянном веществом лучах наряду с первоначальным излучением присутствуют лучи с большей длиной волны. Такое поведение рентгеновских лучей можно только с квантово-механических позиций. Если рентгеновские лучи состоят из квантов – частиц, то эти частицы при столкновениях с покоящимися электронами должны терять энергию, точно так же, как теряет энергию быстро летящий шарик при столкновении с покоящимся. Летящий шарик, потеряв энергию, замедляется. Фотон замедлиться не может, его скорость всегда равна скорости света, собственно он сам и есть свет. Но поскольку энергия фотона равна , то фотон реагирует на столкновение уменьшением частоты.

Пусть энергия и импульс фотона до столкновения были:

;

Энергия и импульс фотона после рассеяния на электроне:

;

.

Энергия электрона до столкновения с фотоном:

Импульс его до столкновения равен нулю – электрон до столкновения покоится.

После столкновения электрон приобретает импульс , и его энергия соответственно увеличивается: . Последнее соотношение получается из равенства: .

Приравняем энергию системы до столкновения фотона с электроном к энергии после столкновения.

Второе уравнение получается из закона сохранения импульса. При этом, конечно, не следует забывать, что импульс величина векторная.

;

Преобразуем уравнение сохранения энергии

,

и возведем правую и левую части его в квадрат

.

Приравниваем полученные выражения для квадрата импульса электрона

, откуда получаем: . Как обычно,

введем обозначение .

Величина называется комптоновской длиной волны электрона и обозначается . С учетом этих обозначений мы можем записать выражение, которое представляет собой теоретический вывод экспериментального результата Комптона: .

Гипотеза де Бройля и волновые свойства других частиц

В 1924 г. де Бройль высказал гипотезу, что фотоны не являются исключением. Другие частицы также по мысли де Бройля должны обладать волновыми свойствами. Причем связь между энергией и импульсом, с одной стороны, и длиной волны и частотой, с другой стороны, должна быть точно такая же, как для электромагнитных фотонов.

Для фотонов , . По предположению де Бройля с частицей должна быть связана волна вещества с частотой и длиной волны .

Что это за волна и в чем ее физический смысл, де Бройль сказать не мог. На сегодняшний день принято считать, что волна де Бройля имеет вероятностный смысл и характеризует вероятность нахождения частицы в различных точках пространства.

Самое интересноев этом то, что волновые свойства частиц были обнаружены экспериментально.

В 1927 г. Дэвиссон и Джеммер обнаружили дифракцию пучков электронов при отражении от кристалла никеля.

В 1927 г. сын Дж.Дж. Томсона и независимо от него Тартаковский получили дифракционную картину при прохождении электронного пучка через металлическую фольгу.

В дальнейшем были получены дифракционные картины и для молекулярных пучков.

Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.

В это же время Эвклидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эти точки зрения можно считать уже забытыми.

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая – с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.

Однако в нале XIX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.

При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения – считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой выдающейся физической теории – квантовой электродинамике.

1. Волновые свойства света

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то что, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не »(слова из надписи на могиле Ньютона) Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Закрывая отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: « Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латинского слова Dispergo-разбрасываю).

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель (А), освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1

Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

1.Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).

2. Белый цвет есть совокупность простых цветов.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.

Интерференцию света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многие видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина на поверхности воды. Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.