Optik er en gren af fysik, der studerer lysfænomener og de love, der er etableret for dem, såvel som lysets vekselvirkning med materien, lysets natur.
Information om verden kommer til en person gennem syn. Ved hjælp af lys modtager vi det meste af informationen om verden omkring os.
Den første information om lys dukkede op for 2,5 tusind år siden.
Pythagoras var en af de første videnskabsmænd, der gav videnskabelig hypotese vedrørende lysets natur (se fig. 1). Han var den første til ikke kun at gætte, men også bevise, at lys rejser i en lige linje. Han og derefter andre geometre, op til Euklid, brugte lysfænomenerne refleksion og brydning til at bygge geometriens fundament. Det er ikke for ingenting, at en af optikkens grene kaldes geometrisk optik.
Ris. 1. Pythagoras
Pythagoras: "Lys er en strøm af partikler, der udsender genstande, der trænger ind i det menneskelige øje, de bringer information om, hvad der omgiver os."
I det 17. århundrede blev Isaac Newton en fortaler for denne teori (se fig. 2). Han forklarede mange lysfænomener ud fra det faktum, at lys er en strøm af specielle partikler.
Ris. 2. Isaac Newton
"Corpuscula" kommer fra lat. corpusculum - partikel. Derfor kom Newtons teori til at blive kaldt den korpuskulære teori om lys.
1. Retlineær udbredelse af lys.
2. Lov om refleksion.
3. Loven om dannelse af en skygge fra et objekt.
Samtidig dukkede en anden teori op - okse ny teori Sveta.
En fortaler for denne teori var Christiaan Huygens (se fig. 3). Han forsøgte at forklare de samme fænomener som Newton, kun ud fra den position, at lys er en bølge.
Ris. 3. Christiaan Huygens
Huygens byggede bølgeteorien om lys i analogi med bølgeprocesser i vand og luft og mente derfor, at lysbølger skal også spredes i noget elastisk medium, som han kaldte den lette æter. Denne idé tjente som grundlag for bølgeoptik indtil begyndelsen af det 20. århundrede.
I de dage blev det allerede bemærket, at lys ikke kun bevæger sig i en lige linje.
1. Lys kan bøje sig rundt om forhindringer - diffraktion (se fig. 4).
Ris. 4. Diffraktion
2. Bølger kan tilføje op - interferens (se fig. 5).
Ris. 5. Interferens
Disse fænomener er kun karakteristiske for bølger, hvorfor Huygens mente, at lys er en bølge.
Den korpuskulære teori kunne ikke forklare, hvordan en stråle passerer gennem en anden. Hvis vi betragter lys som en strøm af partikler, så bør interaktion observeres, men den blev ikke observeret, og dette argumenterede for, at lys er en bølge.
I midten af det 19. århundrede blev Maxwells teori skabt. Han beviste, at det elektromagnetiske felt forplanter sig med en hastighed på 300 tusinde km i sekundet.
Som et resultat af forsøgene fandt man ud af, at lys også bevæger sig med denne hastighed.
Lys er et særligt tilfælde af en elektromagnetisk bølge.
XVII århundrede - Den danske videnskabsmand Roemer udførte et eksperiment, hvor det viste sig, at lysets udbredelseshastighed er cirka 300 tusinde km i sekundet.
1848 - Hippolyte Fizeau beviste, at lysets hastighed er 300 tusinde km i sekundet.
Alt dette bekræftede det faktum, at lys er en elektromagnetisk bølge.
I 1800-tallet studerede Heinrich Hertz (se fig. 6) ejendommene elektromagnetiske bølger og viste, at lys kan være en partikel. Hertz opdagede fænomenet den fotoelektriske effekt.
Ris. 6. Heinrich Hertz
Heinrich Hertz studerede elektromagnetiske bølger og troede først, at de ikke eksisterede, og viste ægte mod ved at være den første til at genkende deres virkelighed som et naturligt objekt.
Fotoelektrisk effekt: Når de udsættes for lys, slås elektroner ud af en negativt ladet metalplade.
Dette kan kun lade sig gøre, hvis lyset er en strøm af partikler.
I det 20. århundrede kom de til en endelig løsning ved at introducere begrebet lysets bølge-partikeldualitet.
Når lys forplanter sig, opfører det sig som en bølge (bølgeegenskaber), og når det udsendes og absorberes, opfører det sig som en partikel (med alle partiklernes egenskaber). Det vil sige, at lys har en dobbelt natur.
Derfor betragtes alle fænomener fra disse to teoriers perspektiv.
Optik er en gren af fysikken, der studerer lysets natur, lovene for lysfænomener og processerne for interaktion mellem lys og stof.
I løbet af de sidste to og et halvt århundrede har ideen om lysets natur gennemgået en meget betydelig ændring. I sent XVII V. to grundlæggende dannet forskellige teorier om lysets natur: den corpuskulære teori udviklet af Newton og bølgeteorien udviklet af Huygens. Ifølge den korpuskulære teori er lys en strøm af materialepartikler (korpuskler), der flyver med høj hastighed fra en lyskilde. Ifølge bølgeteorien er lys en bølge, der udgår fra en lyskilde og forplanter sig med høj hastighed i "verdens æter" - et stationært elastisk medium, der kontinuerligt fylder hele universet. Begge teorier forklarede tilfredsstillende lovene i visse lysfænomener, for eksempel lovene for refleksion og lysbrydning. Imidlertid passede fænomener som interferens, diffraktion og polarisering af lys ikke ind i disse teoriers rammer.
Før sent XVIII V. det overvældende flertal af fysikere foretrak Newtons korpuskulære teori. I tidlig XIX V. Takket være forskningen fra Young (1801) og Fresnel (1815) blev bølgeteorien udviklet og forbedret betydeligt. Den er baseret på Huygens-Fresnel-princippet, som vi allerede er blevet bekendt med i kapitlet "Svingninger og bølger" (se § 34). Huygens-Young-Fresnel-bølgeteorien forklarede med succes næsten alle lysfænomener kendt på det tidspunkt, inklusive interferens, diffraktion og polarisering af lys, og derfor fik denne teori universel anerkendelse, og Newtons korpuskulære teori blev forkastet.
Svagt punkt bølgeteori var en hypotetisk "verdens æter", hvis virkelighed forblev meget
tvivlsom. Men i 60'erne af forrige århundrede, da Maxwell udviklede teorien om en enkelt elektromagnetisk felt(se § 105), forsvandt behovet for "verdensæteren" som en særlig bærer af lysbølger: det viste sig, at lys er elektromagnetiske bølger, og derfor er deres bærer det elektromagnetiske felt. Synligt lys svarer til elektromagnetiske bølger med en længde på 0,77 til 0,38 mikron (se tabel på side 392), skabt af vibrationer af de ladninger, der udgør atomer og molekyler. Således udviklede bølgeteorien om lysets natur sig til den elektromagnetiske teori om lys.
Et af de vigtigste eksperimentelle beviser for retfærdighed elektromagnetisk teori Lyset er inspireret af eksperimenterne fra Fizeau (1849), Foucault (1850) og Michelson (1881): eksperimentel værdi lysets hastighed faldt sammen med den teoretiske værdi af udbredelseshastigheden af elektromagnetiske bølger, opnået fra Maxwells elektromagnetiske teori. En anden lige så vigtig bekræftelse af den elektromagnetiske teori var Ya Lebedevs (1899) eksperimenter: det lette tryk han målte på faste stoffer(se § 137) viste sig at være lig med trykket af elektromagnetiske bølger beregnet på grundlag af Maxwells teori (se § 105).
Ideen om lysets bølge (elektromagnetiske) natur forblev urokkelig indtil slutningen af XIX V. Men på dette tidspunkt havde der ophobet sig ret omfattende materiale, som ikke var i overensstemmelse med denne idé og endda modsagde den. Undersøgelse af luminescensspektredata kemiske elementer, om fordelingen af energi i spektret termisk stråling sort krop, om den fotoelektriske effekt og nogle andre fænomener førte til behovet for at antage, at emissionen, udbredelsen og absorptionen af elektromagnetisk energi er diskret (intermitterende) i naturen, dvs. lys udsendes, udbredes og absorberes ikke kontinuerligt (som det fulgte af bølgeteorien), men i portioner (kvante). Baseret på denne antagelse tysk fysiker Planck i 1900 skabte kvanteteorien om elektromagnetiske processer, og Einstein udviklede i 1905 kvanteteorien om lys, ifølge hvilken lys er en strøm af lyspartikler - fotoner. Således opstod i begyndelsen af dette århundrede en ny teori om lysets natur - kvanteteori, genoplivning i en vis forstand korpuskulær teori Newton. Imidlertid adskiller fotoner sig væsentligt (kvalitativt) fra almindelige materialepartikler: alle fotoner bevæger sig med en hastighed lige hastighed lys, mens den besidder en endelig masse (fotonens "hvilemasse" er nul).
Vigtig rolle V videre udvikling kvanteteori lysene spillede teoretisk forskning atom- og molekylspektre udført af Bohr (1913), Schrödinger (1925), Dirac
(1930), Feynman (1949), V. A. Fock (1957) osv. Ifølge moderne synspunkter er lys en kompleks elektromagnetisk proces, der har både bølge- og korpuskulære egenskaber. I nogle fænomener (interferens, diffraktion, polarisering af lys) afsløres lysets bølgeegenskaber; disse fænomener er beskrevet bølgeteori. I andre fænomener (fotoelektrisk effekt, luminescens, atom- og molekylspektre) korpuskulære egenskaber Sveta; sådanne fænomener er beskrevet af kvanteteori. Bølge- (elektromagnetiske) og korpuskulære (kvante) teorier afviser således ikke, men komplementerer hinanden og afspejler derved den dobbelte natur af lysets egenskaber. Her mødes vi et klart eksempel dialektisk enhed af modsætninger: lys er både en bølge og en partikel. Det er passende at understrege, at en sådan dualisme er iboende ikke kun i lys, men også i mikropartikler af stoffer, for eksempel, som allerede nævnt (se § 20), afslører en elektron, normalt betragtet som en partikel, i nogle fænomener sig selv som en bølge (se § 126).
Moderne fysik stræber efter at skabe en samlet teori om lysets natur, der afspejler lysets dobbelte korpuskulære bølgenatur; udvikling af sådanne samlet teori endnu ikke afsluttet.
I dette kursus lysets bølgeegenskaber er omtalt i Kap. XVIII, og lysets korpuskulære (kvante) egenskaber - i Kap. XIX (i forbindelse med spørgsmålet om atomets struktur). Når vi skal beskrive lysets bølgeegenskaber, vil vi bruge Huygens-Fresnel princippet og generelle begreber og egenskaber bølgeproces introduceret i § 31-34 i første del af kurset (såsom fronten af en lysbølge, sammenhængende kilder lys, lysstråle, lysets frekvens, lysets bølgelængde osv.). Derfor, når du begynder at studere optik, bør du genlæse disse afsnit.
Utrolige fakta
Lys er fantastisk fænomen, han er straight og billedligt oplyser vores liv på mange måder.
FN annoncerede 2015 Internationalt år Sveta, for at demonstrere for "jordens indbyggere vigtigheden af lys og optiske teknologier i livet, for fremtiden og for samfundets udvikling."
Her er nogle interessante fakta om lys, som du måske ikke kender.
sollys
1. Solen er faktisk hvid, når det ses fra rummet, da dets lys ikke spredes af vores atmosfære. Fra Venus vil du slet ikke se Solen, da atmosfæren der er for tæt.
2. Mennesker er bioluminescerende takket være metaboliske reaktioner, men vores glød er 1000 gange svagere, end man kan se med det blotte øje.
3. Sollys kan trænge dybt ind havet i ca80 meter. Går man 2000 meter dybere, kan man finde en selvlysende havtaske, der lokker sine ofre med glødende kød.
4. Planter er grønne, fordi de er afspejle grønt lys og absorbere andre farver til fotosyntese. Hvis du placerer en plante under grønt lys, vil den højst sandsynligt dø.
5. Nord og Syd Polarlys opstår når "vinden" fra soludbrud interagerer med partikler jordens atmosfære. Ifølge eskimo-legender er nordlys de dødes sjæle, der spiller fodbold med hovedet af en hvalros.
6. På 1 sekund udsender Solen nok energi til give det til hele verden i en million år.
7. Den længst brændende lampe i verden er en hundrede år gammel lampe hos Californiens brandvæsen. Det har brændt uafbrudt siden 1901.
8. Let nyserefleks som forårsager ukontrollable nyseanfald i nærværelse af skarpt lys, forekommer hos 18-35 procent af mennesker, selvom ingen kan forklare, hvorfor det opstår. En måde at håndtere det på er at bruge solbriller.
9. Hvornår dobbelt regnbue, lyset reflekteres to gange inde i hver dråbe vand, og farverne i den ydre regnbue er i omvendt rækkefølge.
10. Nogle dyr ser lys, som vi ikke kan se. Bier ser ultraviolet lys, mens klapperslanger ser infrarødt lys.
11. Niagara Falls blev første gang elektrisk tændt i 1879, med en belysning svarende til 32.000 stearinlys. I dag svarer belysningen af Niagara Falls til belysningen af 250 millioner stearinlys.
12. Når lyset passerer igennem forskellige stoffer, det bremser og brydes. Linsen fokuserer således strålerne på ét punkt og kan sætte ild til papiret.
Lysets love
13. Lys har impuls. Forskere er ved at udvikle måder at udnytte denne energi til lange rumrejser.
14. Frøøjne er så følsomme over for lys at forskere i Singapore bruger dem til at udvikle utrolig nøjagtige fotondetektorer.
15. Synligt lys er kun en del elektromagnetiske spektrum som vores øjne ser. Derfor er LED-lamper så økonomiske. I modsætning til glødelamper, LED-lamper udsender kun synligt lys.
16. Ildfluer udsende en kold glød igennem kemisk reaktion med 100 % effektivitet. Forskere arbejder på at efterligne ildfluer for at skabe mere energieffektive LED'er.
17. For at studere, hvordan vores øjne opfatter lys, Isaac Newton stak nåle ind i øjenhulen. Han forsøgte at forstå, om lys er resultatet af noget, der kommer udefra eller indefra. (Svar: begge antagelser er korrekte, da stavene i øjnene reagerer på bestemte frekvenser).
18. Hvis bare Solen fik pludselig en ende, ingen på Jorden ville have bemærket dette i yderligere 8 minutter og 17 sekunder. Dette er den tid, det tager for sollys at nå Jorden. Men bare rolig, Solen har yderligere 5 milliarder års brændstof tilbage.
Generelle definitioner
Fra et optiks synspunkt er lys elektromagnetisk stråling, der opfattes af det menneskelige øje. Det er sædvanligt at tage et område i et vakuum på 750 THz som en forandringsenhed. Dette er den korte bølgelængde af spektret. Dens længde er 400 nm. Hvad angår grænsen for brede bølger, antages måleenheden at være en sektion på 760 nm, det vil sige 390 THz.
I fysik betragtes lys som en samling af rettede partikler kaldet fotoner. Hastigheden af bølgefordelingen i vakuum er konstant. Fotoner har et vist momentum, energi og nul masse. I mere i bred forstand ord, lys er synligt. Bølger kan også være infrarøde.
Fra et ontologisk synspunkt er lys begyndelsen på væren. Både filosoffer og religionsforskere taler om dette. I geografi bruges dette udtryk normalt til at henvise til individuelle regioner på planeten. Lys i sig selv er et socialt begreb. Ikke desto mindre har det i videnskaben specifikke egenskaber, funktioner og love.
Natur og lyskilder
Elektromagnetisk stråling skabes under interaktionen af ladede partikler. Optimal stand for dette vil der være varme, som har et kontinuerligt spektrum. Den maksimale stråling afhænger af kildens temperatur. Et glimrende eksempel på processen er Solen. Dens stråling er tæt på strålingen fra en helt sort krop. Lysets natur på Solen bestemmes af opvarmningstemperaturen på op til 6000 K. Desuden er omkring 40 % af strålingen inden for synlighed. Effektspektrets maksimum er placeret i nærheden af 550 nm.
Lyskilder kan også være:
- Elektroniske skaller af molekyler og atomer under overgangen fra et niveau til et andet. Sådanne processer gør det muligt at opnå et lineært spektrum. Eksempler omfatter LED'er og gasudladningslamper.
- som dannes, når ladede partikler bevæger sig med lysets fasehastighed.
- Processer for fotonbremsning. Som et resultat dannes synkro- eller cyklotronstråling.
Lysets natur kan også forbindes med luminescens. Dette gælder også kunstige kilder og økologisk. Eksempel: kemiluminescens, scintillation, phosphorescens osv.
Til gengæld er lyskilder opdelt i grupper efter temperaturindikatorer: A, B, C, D65. Det mest komplekse spektrum observeres i en helt sort krop.
Lysets egenskaber
Det menneskelige øje opfatter subjektivt elektromagnetisk stråling som farve. Så lys kan give hvide, gule, røde, grønne nuancer. Dette er kun en visuel fornemmelse, der er forbundet med frekvensen af stråling, uanset om den er spektral eller monokromatisk i sammensætning. Det er blevet bevist, at fotoner kan forplante sig selv i et vakuum. I mangel af stof er strømningshastigheden 300.000 km/s. Denne opdagelse blev gjort tilbage i begyndelsen af 1970'erne.
På grænsen af medierne oplever lysstrømmen enten refleksion eller brydning. Når den forplanter sig, spredes den gennem stof. Vi kan sige, at de optiske indikatorer for et medium er karakteriseret ved brydningsindekset, lig med forholdet hastigheder i vakuum og absorption. I isotrope stoffer er udbredelsen af flow ikke afhængig af retning. Præsenteret her skalær mængde, bestemt af koordinater og tid. I et anisotropt medium optræder fotoner i form af en tensor.
Derudover kan lys være polariseret eller ej. I det første tilfælde vil hovedmængden af definitionen være bølgevektoren. Hvis strømmen ikke er polariseret, består den af et sæt partikler rettet i tilfældige retninger.
Den vigtigste egenskab ved lys er dets intensitet. Det er defineret som følger fotometriske størrelser som kraft og energi.
Lysets grundlæggende egenskaber
Fotoner kan ikke kun interagere med hinanden, men har også en retning. Som følge af kontakt med et eksternt medium oplever flowet refleksion og brydning. Disse er to grundlæggende egenskaber ved lys. Med refleksion er alt mere eller mindre klart: det afhænger af stoffets tæthed og strålernes indfaldsvinkel. Men med brydning er situationen meget mere kompliceret.
Til at begynde med kan vi overveje et simpelt eksempel: Hvis du sænker et sugerør i vand, vil det udefra virke bøjet og forkortet. Dette er brydningen af lys, der opstår ved grænsen mellem et flydende medium og luft. Denne proces er bestemt af retningen for fordelingen af stråler, når de passerer gennem stofgrænsen.
Når en lysstrøm rører grænsen mellem medier, ændres dens bølgelængde betydeligt. Spredningshyppigheden forbliver dog den samme. Hvis strålen ikke er ortogonal på grænsen, vil både bølgelængden og dens retning ændres.
Kunstigt bruges ofte i forskningsformål(mikroskoper, linser, forstørrelsesglas). Briller er også en kilde til ændringer i bølgekarakteristika.
Klassificering af lys
I øjeblikket skelnes der mellem kunstig og naturligt lys. Hver af disse typer er bestemt af en karakteristisk strålingskilde.
Naturligt lys er en samling af ladede partikler med en kaotisk og hurtigt skiftende retning. Dette elektromagnetiske felt er forårsaget af vekslende udsving i spændinger. TIL naturlige kilder omfatter varme kroppe, solen, polariserede gasser.
Kunstigt lys findes i følgende typer:
- Lokal. Det bruges på arbejdspladsen, på køkkenområdet, vægge mv. Sådan belysning spiller en vigtig rolle i interiørdesign.
- Generel. Dette er ensartet belysning af hele området. Kilder er lysekroner, gulvlamper.
- Kombineret. En blanding af den første og anden type for at opnå ideel rumbelysning.
- Nødsituation. Det er yderst nyttigt under strømafbrydelser. Strøm leveres oftest fra batterier.
sollys
I dag er det hovedkilde energi på jorden. Det vil ikke være en overdrivelse at sige det sollys berører alle vigtige forhold. Dette er en kvantitativ konstant, der definerer energi.
I øverste lag Jordens atmosfære indeholder omkring 50 % infrarød og 10 % ultraviolet stråling. Derfor er den kvantitative komponent af synligt lys kun 40%.
Solenergi bruges i syntetiske og naturlige processer. Dette omfatter fotosyntese, omdannelse af kemiske former, opvarmning og meget mere. Takket være solen kan menneskeheden bruge elektricitet. Til gengæld kan lysstrømme være direkte eller diffuse, hvis de passerer gennem skyer.
Tre hovedlove
Siden oldtiden har videnskabsmænd studeret geometrisk optik. I dag er følgende lysets love grundlæggende:
Opfattelse af lys
Verden omkring os er synlig for en person takket være hans øjnes evne til at interagere med elektromagnetisk stråling. Lys opfattes af retinale receptorer, som kan detektere og reagere på spektralområdet af ladede partikler.
Mennesker har 2 typer sanseceller i øjet: kegler og stænger. Førstnævnte bestemmer synsmekanismen i dagtimerne på højt niveau belysning. Stænger er mere følsomme over for stråling. De tillader en person at se om natten.
Visuelle nuancer af lys bestemmes af bølgelængden og dens retning.
Generel information om lysets natur og egenskaber.
DEFINITION: Optik - en gren af fysikken, hvor spørgsmålet om lysets natur, lovene for lysfænomener og processerne for lysets interaktion med stof studeres.
Optik også normalt kaldet læren om fysiske fænomener forbundet med udbredelsen af korte elektromagnetiske bølger. Optisk spektrum rækkevidde(infrarød, synlig og ultraviolette stråler) dækker bølgelængdeområdet fra ~10 -4 m til ~10 -8 m.
Det skal huskes, at grænserne for intervallerne er meget vilkårlige.
For at måle bølgelængder i områder tæt på optisk: IR; UV, røntgen – følgende måleenheder bruges:
1 µm = 10-6 m;
Synligt lys: lc =7800A=780nm;
lf=4000A=400nm.
I løbet af 2,5 århundreder har ideer om lysets natur undergået meget betydelige ændringer. I slutningen af det 17. århundrede. To fundamentalt forskellige teorier om lysets natur blev dannet:
Korpuskulær teori udviklet af Newton[a] (1672)
Bølgeteori udviklet af Huygens[b] og Hooke[c].
Ifølge den korpuskulær teori, lys er en strøm af materialepartikler (korpuskler), der flyver med høj hastighed fra en kilde.
Ifølge bølgeteori, lys er en bølge, der udgår fra en lyskilde og forplanter sig med høj hastighed i den såkaldte "verdensæter" - et stationært elastisk medium, der kontinuerligt fylder hele universet.
Indtil slutningen af 1700-tallet. det store flertal af fysikere foretrak Newtons korpuskulære teori ( grundlag– ligehed af lysudbredelse i et homogent medium og uafhængighed af lysstråleudbredelse).
I begyndelsen af det 19. århundrede. Takket være forskningen fra Young[d] (1801) og Fresnel[e] (1815) blev bølgeteorien udviklet og forbedret betydeligt. Det er baseret på Huygens-Fresnel princippet.
Ifølge Huygens: Hvert punkt i mediet, hvortil bølgen er nået, bliver en kilde til sekundære bølger. (I en sådan fortolkning var det umuligt at tale om amplituden af sekundære bølger eller intensitetsfordelingen langs bølgefronten). Huygens' princip i sin oprindelige formulering kunne ikke tjene som grundlag for bølgeoptik.
Fresnels tilføjelse: bestemmelse om interferens af sekundære bølger.
Huygens-Young-Fresnel-bølgeteorien forklarede med succes næsten alle lysfænomener kendt på det tidspunkt, herunder interferens, diffraktion og polarisering af lys, og fik derfor universel anerkendelse, og Newtons korpuskulære teori blev forkastet.
Bølgeteoriens svage punkt var den hypotetiske "verdensæter". Men i 60'erne af det 19. århundrede, da Maxwell[f] udviklede teorien om et forenet elektromagnetisk felt, forsvandt behovet for en "verdensæter" som en særlig bærer af lysbølger. Det viste sig, at lys er elektromagnetiske bølger, hvis bærer er det elektromagnetiske felt. Synligt lys svarer til elektromagnetiske bølger fra l=0,77 µm til l=0,38 µm, skabt af vibrationer af de ladninger, der udgør atomer og molekyler. Således udviklede bølgeteorien om lysets natur sig til den elektromagnetiske teori om lys.
Eksperimentelt bevis på den elektromagnetiske teori om lys:
1) eksperimenter af Fizeau[g] (1849), Foucault[h] (1850), Michelson[i] (1881) Þ, hvorved den eksperimentelle værdi af lysets hastighed faldt sammen med den teoretiske værdi af hastigheden af udbredelse af elektromagnetiske bølger opnået fra elektromagnetisk teori Maxwell.
2) eksperimenter af P.N. Lebedev [j] (1899) om måling af let tryk.
Ideen om lysets bølge (elektromagnetiske) natur forblev urokkelig indtil slutningen af det 19. århundrede. På dette tidspunkt var der ophobet ret omfattende materiale, som ikke var i overensstemmelse med disse ideer og endda modsige dem. Dette var dataene:
1) om luminescensspektre af kemiske grundstoffer;
2) om fordelingen af energi i spektret af termisk stråling af et sort legeme;
3) om den fotoelektriske effekt mv.
For at fjerne modsigelsen blev det antaget, at stråling, udbredelse og absorption af elektromagnetisk energi er diskret karakter, dvs. at lys udsendes, fordeles og absorberes ikke kontinuerligt (som fulgt af bølgeteorien), men i portioner ( kvantum).
På baggrund af denne antagelse skrev den tyske fysiker M. Planck[k] i 1900. skabte kvanteteorien om elektromagnetiske processer, og Albert Einstein [l] i 1905 udviklede sig lysets kvanteteori, ifølge hvilken lys er en strøm af lyspartikler – fotoner. Således opstod i begyndelsen af det 20. århundrede en ny teori om lysets natur - kvanteteori, genopliver i en vis forstand Newtons korpuskulære teori. Imidlertid er fotoner væsentligt (kvalitativt) forskellige fra almindelige materialepartikler: alle fotoner bevæger sig med en hastighed svarende til lysets hastighed, mens de har en endelig masse (en fotons "hvilemasse" er nul).
En vigtig rolle i den videre udvikling af lyskvanteteorien blev spillet af teoretiske undersøgelser af atom- og molekylspektre udført af Bohr[m] (1913), Schrödinger[n] (1925), Dirac[o] (1930), Feynman [p] (1949), V .A. Fock[q] (1957).
Ifølge moderne synspunkter, lys er en kompleks elektromagnetisk proces, der har både bølge- og korpuskulære egenskaber.
I nogle fænomener (interferens, diffraktion, polarisering af lys) afsløres lysets bølgeegenskaber; disse fænomener er beskrevet af bølgeteori. I andre fænomener (fotoelektrisk effekt, luminescens, atom- og molekylspektre) afsløres lysets korpuskulære egenskaber; sådanne fænomener er beskrevet af kvanteteori. Bølge (elektromagnetiske) og korpuskulære (kvante) teorier afviser således ikke, men komplementerer hinanden og reflekterer derved dobbelt karakter af lysets egenskaber. Her møder vi et tydeligt eksempel på modsætningernes dialektiske enhed: lys er en bølge og en partikel.
Det er på sin plads at understrege, at sådanne dualisme er iboende ikke kun i lys, men også i mikropartikler af stoffer, for eksempel en elektron, som vi normalt betragter som en partikel, men i nogle fænomener afslører den sig som en bølge.
Ved første øjekast ser det ud til, at to synspunkter på lysets natur: bølge (elektromagnetisk) og kvante (korpuskulær) udelukker hinanden. En række karakteristika ved bølger og partikler er faktisk modsatte. For eksempel er bevægelige partikler (fotoner) placeret på bestemte punkter i rummet, og en udbredt bølge må betragtes som "udtværet" i rummet, og man kan ikke tale om bølgens placering på et bestemt punkt.
Behovet for at tillægge lys på den ene side bølgeegenskaber og på den anden side kvante- og korpuskulære egenskaber skaber indtryk af ufuldstændigheder i vores ideer om lysets natur. Ideen opstår endda, at dualiteten af lysets natur er kunstig. Men udviklingen af optik, det hele optiske fænomener viste, at kontinuitetsegenskaberne karakteristiske for det elektromagnetiske felt af en lysbølge bør ikke være imod egenskaber af diskretitet (diskontinuitet) karakteristisk for fotoner.
Lys har, som vi allerede har sagt, en dobbelt natur. Og især denne natur kommer til udtryk, som vi vil vise senere, for eksempel i formler, der bestemmer fotonernes hovedkarakteristika: energi; impuls; masse. De der. De korpuskulære karakteristika for fotoner er relateret til lysets bølgekarakteristik - dets frekvens: ; [n]=c-1;
I manifestationen af lysets dobbelte, modstridende egenskaber er der vigtigt mønster. Langbølget stråling (for eksempel IR-stråling) udviser i ringe grad kvanteegenskaber, og hovedrollen spilles af bølgeegenskaber. Stor gruppe optiske fænomener forklares ud fra bølgekoncepter, altså i bølgeoptik.
Men hvis du bevæger dig langs skalaen af elektromagnetiske bølger mod kortere bølgelængder, vil lysets bølgeegenskaber fremstå mindre og mindre, hvilket giver plads til mere tydeligt manifesterede kvanteegenskaber. (Dette kan f.eks. ses af loven om den fotoelektriske effekts røde grænse). Især bølgekarakteren af kortbølget røntgenstråling blev først opdaget, når den blev brugt som diffraktionsgitter krystal struktur faste stoffer
Lysets bølge- og kvanteegenskaber hænger sammen. Lad os overveje denne forbindelse ved at bruge eksemplet med lys, der passerer gennem en spalte i en uigennemsigtig skærm (fig. 1). Lad en plan-parallel stråle af monokromatisk lys passere gennem spalten AB langs Y-aksen.
Set fra lysets dobbelte natur betyder det, at en strøm af partikler – fotoner og en elektromagnetisk bølge – passerer gennem spalten samtidigt.
Det er kendt, at der vises et diffraktionsmønster på en LED-skærm. Belysning E på hvert punkt på skærmen vil være proportional med lysintensiteten på dette punkt (se fig. 1, hvor fordelingen af lysintensitet over skærmen er vist til højre). Det er også kendt, at lysets intensitet er proportional med kvadratet af lysbølgens amplitude A. Þ .
MED kvanteprik Med hensyn til syn betyder dannelsen af et diffraktionsmønster på skærmen, at når lys passerer gennem spalten, omfordeles fotoner i rummet og derfor i forskellige punkter skærmhits andet nummer fotoner. Belysning E ved hvert punkt på skærmen er proportional med den samlede energi af fotoner, der falder pr. tidsenhed ind dette punkt. Og denne energi er proportional med n 0, hvor n 0 er antallet af fotoner, der leverede denne energi. Þ .
Lad os forestille os en situation, hvor en meget svag lysflux falder på en spalte, og i grænsen kan den anses for at bestå af meget svag stort antal skiftevis flyvende fotoner. Hver foton skal manifestere sig på det punkt på skærmen, hvor den rammer. Men eksperimenter viser, at selv med et fald i intensitet lysstrøm, ændres diffraktionsmønsteret ikke.
I et rigtigt eksperiment er skabelsen af en lysstrøm bestående af skiftevis flyvende fotoner umulig. For at kunne tale om sammenligning med eksperiment er det nødvendigt at forestille sig, at eksperimentet med en foton rammer et punkt på skærmen gentaget mange gange. I hvert sådant eksperiment, en foton med vis sandsynlighed kan ramme et eller andet punkt. Hvis der udføres observationer lang tid, så ville resultatet være det samme, hvis en lysstrøm bestående af et meget stort antal fotoner samtidigt passerede igennem.
Lad os nu sammenligne to udtryk for belysning. Det følger af dem,. De der. kvadratet på amplituden af en lysbølge på ethvert punkt i rummet er proportional med antallet af fotoner, der rammer det punkt. Eller med andre ord: kvadratet på amplituden af en lysbølge i et givet punkt i rummet er et mål for sandsynligheden for, at fotoner rammer et givet punkt.
Således udelukker lysets bølge- og kvanteegenskaber ikke, men komplementerer tværtimod hinanden. De udtrykker de sande love for lysets udbredelse og dets interaktion med materien.
Af alt, hvad der er blevet sagt, følger det, at bølgeegenskaber ikke kun er iboende for samlingen af et stort antal samtidigt flyvende fotoner. Hver enkelt foton har bølgeegenskaber. Bølgeegenskaber fotoner manifesterer sig i det faktum, at det er umuligt at angive nøjagtigt for dem Hvilken en den vil nå skærmpunktet efter at have passeret gennem spalten (fig. 1). Vi kan kun tale om sandsynligheder hits hver foton til et eller andet punkt på skærmen.
Denne fortolkning af forholdet mellem bølge og kvanteegenskaber lys blev foreslået af Einstein. Det spillede fremragende rolle under udvikling moderne fysik, selvom udvikling enkelt teorier om lysets natur, der afspejler lysets dobbelte korpuskulære bølgenatur, er endnu ikke afsluttet.
Vi vil nu begynde at overveje en gruppe af optiske fænomener, der fuldt ud kan forklares ud fra bølgeoptikkens synspunkt.