Оптика – раздел физики, который изучает световые явления и законы, установленные для них, а также взаимодействие света с веществом, природу света.
Информация о мире приходит к человеку посредством зрения. При помощи света мы получаем большую часть информации об окружающем мире.
Первые сведения о свете появились 2,5 тысячи лет назад.
Пифагор был одним из первых ученых, кто дал научную гипотезу относительно природы света (см. Рис. 1). Он первый не только догадался, но и доказал, что свет распространяется прямолинейно. Он, а затем и другие геометры, вплоть до Евклида, использовали световые явления отражения и преломления для построения основ геометрии. Недаром один из разделов оптики так и называется – геометрическая оптика.
Рис. 1. Пифагор
Пифагор: «Свет – поток частиц, которые излучают предметы, проникая в глаз человека, они приносят информацию о том, что же нас окружает».
В XVII веке сторонником этой теории стал Исаак Ньютон (см. Рис. 2). Он объяснял много световых явлений, основываясь на том, что свет – это поток специальных частиц.
Рис. 2. Исаак Ньютон
«Корпускула» происходит от лат. corpusculum – частица. Поэтому теория Ньютона стала называться корпускулярной теорией света.
1. Прямолинейное распространение света.
2. Закон отражения.
3. Закон образования тени от предмета.
В это же время появилась другая теория – волновая теория света.
Сторонником этой теории был Христиан Гюйгенс (см. Рис. 3). Он пытался объяснить те же явления, что и Ньютон, только с той позиции, что свет – это волна.
Рис. 3. Христиан Гюйгенс
Гюйгенс построил волновую теорию света по аналогии с волновыми процессами на воде и в воздухе и потому считал, что световые волны также должны распространяться в какой-то упругой среде, которую назвал световым эфиром. Эта идея прослужила основой волновой оптики вплоть до начала XX века.
В те времена уже было замечено, что свет распространяется не только прямолинейно.
1. Свет может огибать препятствия – дифракция (см. Рис. 4).
Рис. 4. Дифракция
2. Волны могут складываться – интерференция (см. Рис. 5).
Рис. 5. Интерференция
Эти явления свойственны только волнам, поэтому Гюйгенс считал, что свет – это волна.
Корпускулярная теория не могла объяснить, как один луч проходит через другой. Если рассматривать свет как поток частиц, то должно наблюдаться взаимодействие, а его не наблюдалось, и это говорило в пользу того, что свет – волна.
В середине XIX века была создана теория Максвелла. Он доказал, что электромагнитное поле распространяется со скоростью 300 тысяч км в сек.
Вследствие проведенных опытов было выяснено, что с такой скоростью распространяется и свет.
Свет – частный случай электромагнитной волны.
XVII в. – датский ученый Ремер провел эксперимент, в котором выяснилось, что скорость распространения света равна примерно 300 тысяч км в сек.
1848 г. – Ипполит Физо доказал, что скорость света составляет 300 тысяч км в сек.
Это все подтверждало тот факт, что свет является электромагнитной волной.
В XIX веке Генрих Герц (см. Рис. 6) изучал свойства электромагнитных волн и показал, что свет может быть частицей. Герц открыл явление фотоэффекта.
Рис. 6. Генрих Герц
Генрих Герц изучал электромагнитные волны, изначально считая, что их не существует, и проявил настоящее мужество, первым признав их реальность как природного объекта.
Фотоэффект: под действием света из металлической пластины, заряженной отрицательно, выбиваются электроны.
Это может выполняться только в том случае, если свет – поток частиц.
В XX веке пришли к окончательному решению, введя понятие корпускулярно-волнового дуализма света.
Свет ведет себя при распространении как волна (волновые свойства), а при излучении и поглощении – как частица (со всеми свойствами частиц). То есть свет имеет двойную природу.
Поэтому все явления рассматриваются с позиций этих двух теорий.
Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
В течение последних двух с половиной столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света. Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» - неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Обе теории удовлетворительно объясняли закономерности, присущие некоторым световым явлениям, например законы отражения и преломления света. Однако такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, не укладывались в рамки этих теорий.
До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX в. благодаря исследованиям Юнга (1801) и Френеля (1815 г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса - Френеля, с которым мы уже ознакомились в главе «Колебания и волны» (см. § 34). Волновая теория Гюйгенса - Юнга - Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма
сомнительной. Однако в 60-х годах прошедшего столетия, когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля (см. § 105), необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и, следовательно, их носителем является электромагнитное поле. Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мкм (см. таблицу на стр. 392), создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света.
Одним из важнейших экспериментальных доказательств справедливости электромагнитной теории света послужили опыты Физо (1849 г.) Фуко (1850 г.) и Майкельсона (1881 г.): экспериментальное значение скорости распространения света совпало с теоретическим значением скорости распространения электромагнитных волн, полученным из электромагнитной теории Максвелла. Другим не менее важным подтверждением электромагнитной теории явились опыты Я. Я. Лебедева (1899 г.): измеренное им световое давление на твердые тела (см. § 137) оказалось равным давлению электромагнитных волн, рассчитанному на основе теории Максвелла (см. § 105).
Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX в. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему. Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами). Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую тгоршо света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц - фотонов. Таким образом, в начале текущего столетия возникла новая теория о природе света - квантовая теория, возрождающая в известном смысле корпускулярную теорию Ньютона. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).
Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования атомщдх и молекулярных спектров, выполненные Бором (1913 г.), Шредингером (1925 г.), Дираком
(1930 г.), Фейнманом (1949 г.), В. А. Фоком (1957 г.) и др. По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией. Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей. Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ, например, как уже отмечалось (см. § 20), электрон, рассматриваемый обычно как частица, в некоторых явлениях обнаруживает себя в качестве волны (см. § 126).
Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.
В данном курсе волновые свойства света рассматриваются в гл. XVIII, а корпускулярные (квантовые) свойства света - в гл. XIX (в связи с вопросом о строении атома). При описании волновых свойств света мы будем пользоваться принципом Гюйгенса - Френеля и общими понятиями и характеристиками волнового процесса, введенными в § 31-34 первой части курса (такими, как фронт световой волны, когерентные источники света, световой луч, частота света, длина световой волны и т. д.). Поэтому, приступая к изучению оптики, следует повторно прочесть указанные параграфы.
Невероятные факты
Свет - это удивительное явление, он в прямом и переносном смысле озаряет нашу жизнь множеством способов.
ООН объявила 2015 год Международным годом света , чтобы продемонстрировать "жителям Земли важность света и оптических технологий в жизни, для будущего и для развития общества".
Вот несколько интересных фактов о свете, о которых, возможно, вы не знали.
Солнечный свет
1. Солнце на самом деле белое , если смотреть из космоса, так как его свет не рассеивается нашей атмосферой. С Венеры вы вообще не увидите Солнце, так как там атмосфера слишком плотная.
2. Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.
3. Солнечный свет может проникать на глубину океана примерно на 80 метров. Если спуститься на 2000 метров глубже, то там можно обнаружить биолюминесцентного морского черта, который заманивает своих жертв светящейся плотью.
4. Растения зеленые, так как они отражают зеленый свет и впитывают другие цвета для фотосинтеза. Если вы поместите растение под зеленый свет, оно, скорее всего, погибнет.
5. Северное и южное полярное сияние возникает, когда "ветер" от солнечных вспышек взаимодействует с частицами земной атмосферы. Согласно легендам эскимосов, полярное сияние – это души умерших, играющих в футбол с головой моржа.
6. За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет .
7. Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.
8. Световой чихательный рефлекс , который вызывает неконтролируемые приступы чихания в присутствии яркого света, встречается у 18-35 процентов людей, хотя никто не может объяснить, почему он возникает. Один из способов справится с ним - носить солнечные очки.
9. При двойной радуге , свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.
10. Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет , в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.
11. Ниагарский водопад был впервые электрически подсвечен в 1879 году, и освещение было равноценно подсветке 32 000 свечей. Сегодня подсветка Ниагарского водопада равноценна освещению 250 миллионами свечей.
12. Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.
Законы света
13. Свет обладает импульсом . Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.
14. Глаза лягушки настолько чувствительны к свету , что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.
15. Видимый свет является лишь частью электромагнитного спектра, который видят наши глаза. Именно поэтому светодиодные лампы такие экономичные. В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы излучают только видимый свет .
16. Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.
17. Чтобы изучить, как наши глаза воспринимают свет, Исаак Ньютон вставлял иглы в глазницу . Он пытался понять является ли свет результатом того, что исходит извне или изнутри. (Ответ: оба предположения верны, так как палочки в глазах реагируют на определенные частоты).
18. Если бы Солнцу внезапно пришел конец , никто на Земле не заметил бы этого еще в течении 8 минут 17 секунд. Это время, которое требуется солнечному свету, чтобы достичь Земли. Но не беспокойтесь, у Солнца осталось топлива еще на 5 миллиардов лет.
Общие определения
С точки зрения оптики, свет - это электромагнитное излучение, которое воспринимается глазом человека. За единицу изменения принято брать участок в вакууме 750 ТГц. Это коротковолновая граница спектра. Ее длина равна 400 нм. Что касается границы широких волн, то за единицу измерения берется участок в 760 нм, то есть 390 ТГц.
В физике свет рассматривается как совокупность направленных частиц, называемых фотонами. Скорость распределения волн в вакууме постоянна. Фотоны обладают определенным импульсом, энергией, нулевой массой. В более широком смысле слова, свет - это видимое Также волны могут быть и инфракрасными.
С точки зрения онтологии, свет - это начало бытия. Об этом твердят и философы, и религиоведы. В географии этим термином принято называть отдельные области планеты. Сам по себе свет - это понятие социальное. Тем не менее в науке оно имеет конкретные свойства, черты и законы.
Природа и источники света
Электромагнитное излучение создается в процессе взаимодействия заряженных частиц. Оптимальным условием для этого будет тепло, которое имеет непрерывный спектр. Максимум излучения зависит от температуры источника. Отличным примером процесса является Солнце. Его излучение близко к аналогичным показателям абсолютно черного тела. Природа света на Солнце обуславливается температурой нагревания до 6000 К. При этом около 40% излучения находится в пределах видимости. Максимум спектра по мощности располагается вблизи 550 нм.
Источниками света также могут быть:
- Электронные оболочки молекул и атомов во время перехода с одного уровня на другой. Такие процессы позволяют достичь линейный спектр. Примером могут служить светодиоды и газоразрядные лампы.
- которое образуется при движении заряженных частиц с фазовой скоростью света.
- Процессы торможения фотонов. В результате образуется синхро- или циклотронное излучение.
Природа света может быть связана и с люминесценцией. Это касается и искусственных источников, и органических. Пример: хемилюминесценция, сцинтилляция, фосфоресценция и др.
В свою очередь, источники света разделяются на группы относительно температурных показателей: А, В, С, D65. Самый сложный спектр наблюдается у абсолютно черного тела.
Характеристики света
Человеческий глаз субъективно воспринимает электромагнитное излучение как цвет. Так, свет может отдавать белыми, желтыми, красными, зелеными переливами. Это лишь зрительное ощущение, которое связано с частотой излучения, будь оно по составу спектральным или монохроматическим. Доказано, что фотоны способны распространяться даже в вакууме. При отсутствии вещества скорость потока равняется 300.000 км/с. Это открытие было сделано еще в начале 1970-х годов.
На границе сред поток света испытывает либо отражение, либо преломление. Во время распространения он рассеивается через вещество. Можно сказать, что оптические показатели среды характеризуются значением преломления, равным отношению скоростей в вакууме и поглощения. В изотропных веществам распространение потока не зависит от направления. Здесь представлен скалярной величиной, определяющейся координатами и временем. В анизотропной среде фотоны проявляется в виде тензора.
Кроме того, свет бывает поляризованным и нет. В первом случае главной величиной определения будет вектор волны. Если же поток не поляризован, то он состоит из набора частиц, направленных в случайные стороны.
Важнейшей характеристикой света является и его интенсивность. Она определяется такими фотометрическими величинами, как мощность и энергия.
Основные свойства света
Фотоны могут не только взаимодействовать между собой, но и иметь направление. В результате соприкосновения с посторонней средой поток испытывает отражение и преломление. Это два основополагающих свойства света. С отражением все более-менее ясно: оно зависит от плотности материи и угла падения лучей. Однако с преломлением дело обстоит куда сложнее.
Для начала можно рассмотреть простой пример: если опустить соломинку в воду, то со стороны она покажется изогнутой и укороченной. Это и есть преломление света, которое наступает на границе жидкой среды и воздуха. Этот процесс определяется направлением распределения лучей во время прохождения через границу материи.
Когда поток света касается границы между средами, длина его волны существенно изменяется. Тем не менее частота распространения остается прежней. Если луч не ортогональный по отношению к границе, то изменению подвергнется и длина волны, и ее направление.
Искусственное часто используется в исследовательских целях (микроскопы, линзы, лупы). Также к таковым источникам изменения характеристик волны относятся очки.
Классификация света
В настоящее время различают искусственный и естественный свет. Каждый из этих видов определяется характерным источником излучения.
Естественный свет представляет собой набор заряженных частиц с хаотичным и быстро изменяющимся направлением. Такое электромагнитное поле обуславливается переменным колебанием напряженностей. К естественным источникам относятся раскаленные тела, солнце, поляризованные газы.
Искусственный свет бывает следующих видов:
- Местный. Его используют на рабочем месте, на участке кухни, стены и т.д. Такое освещение играет важную роль в дизайне интерьера.
- Общий. Это равномерное освещение всей площади. Источниками являются люстры, торшеры.
- Комбинированный. Смесь первого и второго видов для достижения идеальной освещенности помещения.
- Аварийный. Он крайне полезен при отключениях света. Питание производится чаще всего от аккумуляторов.
Солнечный свет
На сегодняшний день это главный источник энергии на Земле. Не будет преувеличением сказать, что солнечный свет воздействует на все важные материи. Это количественная постоянная, которая определяет энергию.
В верхних слоях земной атмосферы содержится около 50% излучения инфракрасного и 10% ультрафиолетового. Поэтому количественная составляющая видимого света равна всего 40%.
Солнечная энергия используется в синтетических и природных процессах. Это и фотосинтез, и преобразование химических форм, и отопление, и многое другое. Благодаря солнцу человечество может пользоваться электроэнергией. В свою очередь, потоки света могут быть прямыми и рассеянными, если они проходят через облака.
Три главных закона
С древних времен ученые занимались изучением геометрической оптики. На сегодняшний день основополагающими являются следующие законы света:
Восприятие света
Окружающий мир человеку виден благодаря способности его глаз взаимодействовать с электромагнитным излучением. Свет воспринимается рецепторами сетчатки, которые могут уловить и отреагировать на спектральный диапазон заряженных частиц.
У человека есть 2 типа чувствительных клеток глаза: колбочки и палочки. Первые обуславливают механизм зрения в дневное время при высоком уровне освещения. Палочки же являются более чувствительными к излучению. Они позволяют человеку видеть в ночное время.
Зрительные оттенки света обуславливаются длиной волны и ее направленностью.
Общие сведения о природе и свойствах света.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Оптика – раздел физики, в котором изучают вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
Оптикой также обычно называют учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн. Оптический диапазон спектра (инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи) захватывает область длин волн от ~10 -4 м до ~10 -8 м.
При этом нужно помнить, что границы диапазонов весьма условны.
Для измерения длин волн в диапазонах, близких к оптическому: ИК; УФ, рентгеновскому – применяют следующие единицы измерения:
1мкм=10 -6 м;
Видимый свет: l к =7800А=780нм;
l ф =4000А=400нм.
В течение 2,5 столетий представления о природе света претерпевали весьма существенные изменения. В конце 17в. сформировались две принципиально различные теории о природе света:
Корпускулярная теория, разработанная Ньютоном[a] (1672г.)
Волновая теория, разработанная Гюйгенсом[b] и Гуком[c].
Согласно корпускулярной теории , свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника.
Согласно волновой теории , свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в так называемом «мировом эфире» – неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную.
До конца 18в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона (основание – прямолинейность распространения света в однородной среде и независимость распространения световых пучков).
В начале 19в. благодаря исследованиям Юнга[d] (1801г.) и Френеля[e] (1815г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса - Френеля.
Согласно Гюйгенсу: каждая точка среды, до которой дошла волна, сама становится источником вторичных волн. (В такой трактовке нельзя было говорить об амплитуде вторичных волн, о распределении интенсивности вдоль волнового фронта). Принцип Гюйгенса в его первоначальной формулировке не мог служить основой волной оптики.
Дополнение Френеля : положение об интерференции вторичных волн.
Волновая теория Гюйгенса – Юнга – Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир». Однако в 60-х годах 19 го столетия, когда Максвелл[f] разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала. Выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны, носителем которых является электромагнитное поле. Видимому свету соответствуют электромагнитные волны с l=0,77мкм до l=0,38мкм, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света.
Экспериментальные доказательства электромагнитной теории света:
1) опыты Физо[g] (1849г.), Фуко[h] (1850г.), Майкельсона[i] (1881г.) Þ в результате которых экспериментальное значение скорости света совпало с теоретическим значением скорости распространения электромагнитных волн, полученным из электромагнитной теории Максвелла.
2) опыты П.Н. Лебедева[j] (1899г.) по измерению светового давления.
Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца 19в. К этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этими представлениями и даже противоречащий ему. Это были данные:
1) о спектрах свечения химических элементов;
2) о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела;
3) о фотоэлектрическом эффекте и др.
Чтобы снять противоречие, было сделано предположение, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный характер, т.е. что свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами ).
Исходя из этого предположения, немецкий физик М. Планк[k] в 1900г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Альберт Эйнштейн[l] в 1905г. разработал квантовую теорию света , согласно которой свет представляет собой поток световых частиц – фотонов . Таким образом, в начале 20 го столетия возникла новая теория о природе света – квантовая теория , возрождающая в известном смысле корпускулярную теорию Ньютона. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).
Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования атомных и молекулярных спектров, выполненные Бором[m] (1913), Шредингером[n] (1925), Дираком[o] (1930), Фейнманом[p] (1949), В.А. Фоком[q] (1957).
По современным воззрениям, свет есть сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией. Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света . Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является волной и частицей.
Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ, например, электрону, который мы обычно рассматриваем как частицу, но в некоторых явлениях он обнаруживает себя в качестве волны.
На первый взгляд кажется, что две точки зрения на природу света: волновая (электромагнитная) и квантовая (корпускулярная) взаимно исключают друг друга. Ряд признаков волн и частиц действительно противоположны. Например, движущиеся частицы (фотоны) находятся в определенных точках пространства, а распространяющуюся волну нужно рассматривать как «размазанную» в пространстве и нельзя говорить о местопребывании волны в некоторой определенной точке.
Необходимость приписывать свету с одной стороны волновые свойства, а с другой – квантовые, корпускулярные, – создает впечатление незавершенности наших представлений о природе света. Возникает даже мысль о том, что двойственность природы света является искусственной. Однако развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показала, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности (прерывности), характерным для фотонов.
Свет, как мы уже говорили, имеет двойственную природу. И эта природа, в частности, находит свое выражение, как мы покажем далее, например, в формулах, определяющих основные характеристики фотонов: энергию ; импульс ; массу . Т.е. корпускулярные характеристики фотонов связаны с волновой характеристикой света – его частотой: ; [n]=c -1 ;
В проявлении двойственных, противоречивых свойств света имеется важная закономерность. У длинноволнового излучения (например, ИК-излучения) квантовые свойства проявляются в малой степени и основную роль играют волновые свойства. Большая группа оптических явлений объясняется на основе волновых представлений, т.е., в волновой оптике.
Однако если перемещаться по шкале электромагнитных волн в сторону более коротких длин волн, то волновые свойства света будут проявляться все слабее, уступая место более отчетливо проявляющимся квантовым свойствам. (Это видно, например, из закона красной границы фотоэффекта). В частности, волновую природу коротковолнового рентгеновского излучения удалось только обнаружить при использовании в качестве дифракционной решетки кристаллической структуры твердых тел.
Волновые и квантовые свойства света связаны между собой. Рассмотрим эту связь на примере прохождения света через щель в непрозрачном экране (рис.1). Пусть плоскопараллельный пучок монохроматического света проходит через щель АВ вдоль оси Y.
С точки зрения двойственной природы света это означает, что через щель проходит одновременно и поток частиц – фотонов и электромагнитная волна.
Известно, что на экране СД возникает дифракционная картина. Освещенность Е в каждой точке экрана будет пропорциональна интенсивности света в этой точке (см. рис.1, где справа изображено распределение интенсивности света по экрану). Также известно, что интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды A световой волны. Þ .
С квантовой точки зрения образование на экране дифракционной картины означает, что при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве и поэтому в разные точки экрана попадает разное число фотонов. Освещенность Е в каждой точке экрана пропорциональна суммарной энергии фотонов, попадающих в единицу времени в данную точку. А эта энергия пропорциональна n 0 , где n 0 – число фотонов, доставивших эту энергию. Þ .
Представим себе ситуацию, когда на щель падает очень слабый световой поток и пусть в пределе его можно было бы считать состоящим из очень небольшого числа поочередно летящих фотонов. Каждый фотон должен проявить себя в той точке экрана, куда он попал. Однако опыты показывают, что и при уменьшении интенсивности светового потока, дифракционная картина не изменяется.
В реальном эксперименте создание светового потока, состоящего из поочередно летящих фотонов, невозможно. Чтобы можно было говорить о сопоставлении с экспериментом, необходимо вообразить, что опыт с попаданием фотона в какую-то точку экрана повторяется очень много раз . При каждом таком опыте фотон с определенной вероятностью может попасть в ту или иную точку. Если наблюдения проводить длительное время, то результат будет такой же, если бы одновременно проходил световой поток, состоящий из очень большого числа фотонов.
Теперь сопоставим два выражения для освещенности. Из них следует, . Т.е. квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства пропорционален числу фотонов, попадающих в эту точку. Или иными словами: квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку .
Таким образом, волновые и квантовые свойства света не исключают, а, наоборот, взаимно дополняют друг друга. Они выражают подлинные закономерности распространения света и его взаимодействия с веществом.
Из всего сказанного следует, что волновые свойства присущи не только совокупности большого числа одновременно летящих фотонов. Каждый отдельный фотон обладает волновыми свойствами . Волновые свойства фотонов проявляются в том, что для него невозможно точно указать, в какую именно точку экрана он попадет после прохождения щели (рис.1). Можно говорить лишь о вероятности попадания каждого фотона в ту или иную точку экрана.
Такое истолкование взаимосвязи между волновыми и квантовыми свойствами света было предложено Эйнштейном. Оно сыграло выдающуюся роль в развитии современной физики, хотя разработка единой теории о природе света, отражающей двойственный корпускулярно-волновой характер света, еще пока не завершена.
Сейчас мы приступим к рассмотрению группы оптических явлений, которые полностью можно объяснить с точки зрения волновой оптики.