Оптика – розділ фізики, що вивчає світлові явищата закони, встановлені для них, а також взаємодія світла з речовиною, природу світла.
Інформація про світ приходить до людини у вигляді зору. За допомогою світла ми отримуємо більшу частину інформації про навколишній світ.
Перші відомості про світлі з'явилися 2,5 тисяч років тому.
Піфагор був одним із перших учених, хто дав наукову гіпотезущодо природи світла (див. рис. 1). Він перший не тільки здогадався, а й довів, що світло поширюється прямолінійно. Він, а потім інші геометри, аж до Евкліда, використовували світлові явища відображення і заломлення для побудови основ геометрії. Недарма один із розділів оптики так і називається – геометрична оптика.
Мал. 1. Піфагор
Піфагор: «Світло - потік частинок, які випромінюють предмети, проникаючи в око людини, вони приносять інформацію про те, що нас оточує».
У XVII столітті прихильником цієї теорії став Ісаак Ньютон (див. мал. 2). Він пояснював багато світлових явищ, виходячи з того, що світло – це потік спеціальних частинок.
Мал. 2. Ісаак Ньютон
«Корпускула» походить від латів. corpusculum – частка. Тому теорія Ньютона стала називатися корпускулярною теорією світла.
1. Прямолінійне поширення світла.
2. Закон відображення.
3. Закон освіти тіні від предмета.
У цей час з'явилася інша теорія – віл нова теоріясвітла.
Прихильником цієї теорії був Християн Гюйгенс (див. рис. 3). Він намагався пояснити ті самі явища, як і Ньютон, тільки з тієї позиції, що світло – це хвиля.
Мал. 3. Християн Гюйгенс
Гюйгенс побудував хвильову теорію світла за аналогією з хвильовими процесами на воді та в повітрі і тому вважав, що світлові хвилітакож повинні поширюватися в якомусь пружному середовищі, яке назвав світловим ефіром. Ця ідея прослужила основою хвильової оптики до початку XX століття.
У ті часи вже було помічено, що світло поширюється не лише прямолінійно.
1. Світло може огинати перешкоди – дифракція (див. рис. 4).
Мал. 4. Дифракція
2. Хвилі можуть складатися – інтерференція (див. рис. 5).
Мал. 5. Інтерференція
Ці явища властиві лише хвилях, тому Гюйгенс вважав, що світло це хвиля.
Корпускулярна теорія не могла пояснити, як один промінь проходить через інший. Якщо розглядати світло як потік частинок, то має спостерігатися взаємодія, яке не спостерігалося, і це говорило на користь того, що світло - хвиля.
У середині XIX століття було створено теорію Максвелла. Він довів, що електромагнітне поле поширюється зі швидкістю 300 тисяч кілометрів на сік.
Внаслідок проведених дослідів було з'ясовано, що з такою швидкістю поширюється світло.
Світло – окремий випадок електромагнітної хвилі.
XVII ст. - Данський вчений Ремер провів експеримент, в якому з'ясувалося, що швидкість поширення світла дорівнює приблизно 300 тисяч км в сек.
1848 р. – Іполит Фізо довів, що швидкість світла становить 300 тисяч кілометрів на сік.
Все це підтверджувало той факт, що світло є електромагнітною хвилею.
У XIX столітті Генріх Герц (див. рис. 6) вивчав властивості електромагнітних хвильі показав, що світло може бути часткою. Герц відкрив явище фотоефекту.
Мал. 6. Генріх Герц
Генріх Герц вивчав електромагнітні хвилі, спочатку вважаючи, що їх немає, і виявив справжню мужність, першим визнавши їхню реальність як природного об'єкта.
Фотоефект: під дією світла із металевої пластини, зарядженої негативно, вибиваються електрони.
Це може виконуватися лише у тому випадку, якщо світло – потік частинок.
У XX столітті дійшли остаточного рішення, ввівши поняття корпускулярно-хвильового дуалізму світла.
Світло поводиться при поширенні як хвиля (хвильові властивості), а при випромінюванні та поглинанні – як частка (з усіма властивостями частинок). Тобто світло має подвійну природу.
Тому всі явища розглядаються з цих двох теорій.
Оптика - розділ фізики, в якому вивчаються питання про природу світла, закономірності світлових явищ та процеси взаємодії світла з речовиною.
Протягом останніх двох з половиною століть уявлення про природу світла зазнало дуже істотної зміни. У наприкінці XVIIв. сформувалися дві принципово різні теоріїпро природу світла: корпускулярна теорія, розроблена Ньютоном, та хвильова теорія, розроблена Гюйгенсом. Згідно з корпускулярною теорією, світло є потік матеріальних частинок (корпускул), що летять з великою швидкістю від джерела світла. Відповідно до хвильової теорії, світло являє собою хвилю, що виходить від джерела світла і поширюється з великою швидкістю в «світовому ефірі» - нерухомого пружного середовища, безперервно заповнює весь Всесвіт. Обидві теорії задовільно пояснювали закономірності, властиві деяким світловим явищам, наприклад, закони відображення та заломлення світла. Однак такі явища, як інтерференція, дифракція та поляризація світла, не вкладалися в рамки цих теорій.
До кінця XVIIIв. переважна більшість фізиків надавала перевагу корпускулярній теорії Ньютона. У початку XIXв. завдяки дослідженням Юнга (1801) і Френеля (1815) хвильова теорія була значною мірою розвинена і вдосконалена. В її основу ліг принцип Гюйгенса - Френеля, з яким ми вже ознайомилися в розділі "Коливання і хвилі" (див. § 34). Хвильова теорія Гюйгенса - Юнга - Френеля успішно пояснила майже всі відомі тоді світлові явища, зокрема інтерференцію, дифракцію і поляризацію світла, у зв'язку з чим ця теорія отримала загальне визнання, а корпускулярна теорія Ньютона була відкинута.
Слабким місцемхвильової теорії був гіпотетичний «світовий ефір», реальність існування якого залишалася дуже
сумнівною. Однак у 60-х роках минулого століття, коли Максвелл розробив теорію єдиного електромагнітного поля(див. § 105), необхідність у «світовому ефірі» як особливому носії світлових хвиль відпала: з'ясувалося, що світло є електромагнітними хвилями і, отже, їх носієм є електромагнітне поле. Видимому світлувідповідають електромагнітні хвилі довжиною від 0,77 до 0,38 мкм (див. таблицю на стор. 392), створювані коливаннями зарядів, що входять до складу атомів та молекул. Таким чином, хвильова теорія про природу світла еволюціонувала електромагнітну теорію світла.
Одним із найважливіших експериментальних доказів справедливості електромагнітної теоріїсвітла послужили досліди Фізо (1849) Фуко (1850) і Майкельсона (1881): експериментальне значенняШвидкість поширення світла співпала з теоретичним значенням швидкості поширення електромагнітних хвиль, отриманим з електромагнітної теорії Максвелла. Іншим не менш важливим підтвердженням електромагнітної теорії стали досліди Я. Я. Лебедєва (1899 р.): виміряний ним світловий тиск на тверді тіла(Див. § 137) виявилося рівним тиску електромагнітних хвиль, розрахованого на основі теорії Максвелла (див. § 105).
Уявлення про хвильову (електромагнітну) природу світла залишалося непорушним аж до кінця XIXв. Однак до цього часу накопичився досить великий матеріал, що не узгоджується з цим уявленням і навіть суперечить йому. Вивчення даних про спектри світіння хімічних елементів, про розподіл енергії у спектрі теплового випромінюваннячорного тіла, про фотоелектричний ефект та деякі інші явища призвело до необхідності припустити, що випромінювання, поширення та поглинання електромагнітної енергії носить дискретний (переривчастий) характер, тобто світло випромінюється, поширюється і поглинається не безперервно (як це випливало з хвильової теорії) , А порціями (квантами). Виходячи з цього припущення німецький фізикПланк в 1900 р. створив квантову теорію електромагнітних процесів, а Ейнштейн в 1905 р. розробив квантову тгоршо світла, згідно з якою світло являє собою потік світлових частинок - фотонів. Таким чином, на початку поточного століття виникла нова теорія про природу світла - квантова теорія, яка відроджує відомому сенсі корпускулярну теоріюНьютон. Однак фотони суттєво (якісно) відрізняються від звичайних матеріальних частинок: всі фотони рухаються зі швидкістю, рівної швидкостісвітла, маючи при цьому кінцеву масу («маса спокою» фотона дорівнює нулю).
Важливу рольв подальший розвиток квантової теоріїсвітла зіграли теоретичні дослідженняатомщдх та молекулярних спектрів, виконані Бором (1913 р.), Шредінгером (1925 р.), Діраком
(1930 р.), Фейнманом (1949 р.), У. А. Фоком (1957 р.) та інших. За сучасними поглядами, світло - складний електромагнітний процес, що має як хвильовими, і корпускулярними властивостями. У деяких явищах (інтерференція, дифракція, поляризація світла) виявляються хвильові властивості світла; ці явища описуються хвильовою теорією. В інших явищах (фотоефект, люмінесценція, атомні та молекулярні спектри) виявляються корпускулярні властивостісвітла; такі явища описуються квантовою теорією. Таким чином, хвильова (електромагнітна) і корпускулярна (квантова) теорія не відкидають, а доповнюють одна одну, відбиваючи цим двоїстий характер властивостей світла. Тут ми зустрічаємося з наочним прикладомдіалектичної єдності протилежностей: світло є і хвилею і часткою. Доречно підкреслити, що подібний дуалізм притаманний не тільки світлу, а й мікрочастинкам речовин, наприклад, як уже зазначалося (див. § 20), електрон, який зазвичай розглядається як частка, в деяких явищах виявляє себе як хвилю (див. § 126).
Сучасна фізика прагне створити єдину теорію про природу світла, що відбиває двоїстий корпускулярно-хвильовий характер світла; розробка такої єдиної теоріїпоки що не завершено.
У даному курсіхвильові властивості світла розглядаються в гол. XVIII, а корпускулярні (квантові) властивості світла – в гол. XIX (у зв'язку з питанням про будову атома). При описі хвильових властивостей світла ми будемо користуватися принципом Гюйгенса - Френеля та загальними поняттямита характеристиками хвильового процесу, введеними в § 31-34 першої частини курсу (такими, як фронт світлової хвилі, когерентні джереласвітла, світловий промінь, частота світла, довжина світлової хвилі тощо). Тому, розпочинаючи вивчення оптики, слід повторно прочитати зазначені параграфи.
Неймовірні факти
Світло – це дивовижне явище, він у прямому і переносному значенніосяює наше життя безліччю способів.
ООН оголосила 2015 рік Міжнародним рокомсвітла, щоб продемонструвати "жителям Землі важливість світла та оптичних технологій у житті, для майбутнього та для розвитку суспільства".
Ось кілька цікавих фактів про світло, про які ви не знали.
Сонячне світло
1. Сонце насправді білеякщо дивитися з космосу, тому що його світло не розсіюється нашою атмосферою. З Венери ви взагалі не побачите Сонце, тому що там атмосфера надто щільна.
2. Люди біолюмінесцентнізавдяки реакціям обміну речовин, але наше свічення у 1000 разів слабше, ніж можна побачити неозброєним поглядом.
3. Сонячне світло може проникати на глибину океану приблизно на80 метрів. Якщо спуститися на 2000 метрів глибше, то там можна виявити біолюмінесцентну морську межу, яка заманює своїх жертв тілом, що світиться.
4. Рослини зелені, тому що вони відбивають зелене світло та вбирають інші кольори для фотосинтезу. Якщо ви помістите рослину під зелене світло, вона швидше за все загине.
5. Північне та південне полярне сяйво виникає, коли "вітер" від сонячних спалахіввзаємодіє з частинками земної атмосфери. Згідно з легендами ескімосів, полярне сяйво – це душі померлих, які грають у футбол із головою моржа.
6. За 1 секунду Сонце випромінює достатньо енергії, щоб забезпечити нею весь світ протягом мільйона років.
7. Найдовгопалаючою лампою у світі є столітня лампау пожежній частині Каліфорнії. Вона безперервно горить із 1901 року.
8. Світловий чхальний рефлекс, що викликає неконтрольовані напади чхання у присутності яскравого світлазустрічається у 18-35 відсотків людей, хоча ніхто не може пояснити, чому він виникає. Один із способів впорається з ним – носити сонячні окуляри.
9. При подвійна веселка, світло відображається двічі всередині кожної краплі води, а кольори у зовнішній веселці розташовані у зворотному порядку.
10. Деякі тварини бачать світло, яке ми не можемо бачити. Бджоли бачать ультрафіолетове світло, у той час як гримкі змії бачать інфрачервоне світло.
11. Ніагарський водоспад був вперше електрично підсвічений в 1879 році, і освітлення було рівноцінним підсвічуванням 32 000 свічок. Сьогодні підсвічування Ніагарського водоспаду рівноцінне освітленню 250 мільйонами свічок.
12. Коли світло проходить через різні речовини, він уповільнюється та заломлюється. Таким чином, лінза фокусує промені в одній точці і може підпалити папір.
Закони світла
13. Світло має імпульсом. Вчені розробляють засоби використання цієї енергії для далеких космічних подорожей.
14. Очі жаби настільки чутливі до світла, що дослідники із Сінгапуру використовують їх для розробки неймовірно точних фотонних детекторів.
15. Видимий світло є лише частиною електромагнітного спектру, що бачать наші очі. Саме тому світлодіодні лампи такі економічні. На відміну від ламп розжарювання, світлодіодні лампи випромінюють лише видиме світло.
16. Світлячкивипромінюють холодне свічення через хімічну реакціюзі 100-відсотковою ефективністю. Вчені працюють над імітацією світлячків для створення економічніших світлодіодів.
17. Щоб вивчити, як очі наші сприймають світло, Ісаак Ньютон вставляв голки в очницю. Він намагався зрозуміти, чи є світло результатом того, що виходить ззовні або зсередини. (Відповідь: обидва припущення правильні, тому що палички в очах реагують на певні частоти).
18. Якби Сонцю раптово прийшов кінець, Ніхто на Землі не помітив би цього ще протягом 8 хвилин 17 секунд. Це час, який потрібний сонячному світлу, щоб досягти Землі. Але не турбуйтесь, у Сонця залишилося палива ще на 5 мільярдів років.
Загальні визначення
З погляду оптики, світло – це електромагнітне випромінювання, яке сприймається оком людини. За одиницю зміни прийнято брати ділянку у вакуумі 750 ТГц. Це короткохвильова межа діапазону. Її довжина дорівнює 400 нм. Що стосується межі широких хвиль, то за одиницю виміру береться ділянка 760 нм, тобто 390 ТГц.
У фізиці світло сприймається як сукупність спрямованих частинок, званих фотонами. Швидкість розподілу хвиль у вакуумі стала. Фотони мають певний імпульс, енергію, нульову масу. У більш широкому значенніслова, світло - це видиме Також хвилі можуть бути інфрачервоними.
З погляду онтології, світло – це початок буття. Про це стверджують і філософи, і релігієзнавці. У географії цим терміном прийнято називати окремі сфери планети. Саме собою світло - це поняття соціальне. Проте у науці вона має конкретні властивості, риси та закони.
Природа та джерела світла
Електромагнітне випромінювання створюється у процесі взаємодії заряджених частинок. Оптимальною умовоюдля цього буде тепло, яке має безперервний спектр. Максимум випромінювання залежить від температури джерела. Відмінним прикладом процесу є Сонце. Його випромінювання є близьким до аналогічних показників абсолютно чорного тіла. Природа світла на Сонці обумовлюється температурою нагрівання до 6000 К. У цьому близько 40% випромінювання перебуває у межах видимості. Максимум спектру потужності розташовується близько 550 нм.
Джерелами світла також можуть бути:
- Електронні оболонки молекул та атомів під час переходу з одного рівня на інший. Такі процеси дозволяють досягти лінійного спектру. Прикладом можуть бути світлодіоди і газорозрядні лампи.
- яке утворюється під час руху заряджених частинок з фазовою швидкістю світла.
- Процеси гальмування фотонів. В результаті утворюється синхро-або циклотронне випромінювання.
Природа світла може бути пов'язана з люмінесценцією. Це стосується і штучних джерел, та органічних. Приклад: хемілюмінесценція, сцинтиляція, фосфоресценція та ін.
У свою чергу джерела світла поділяються на групи щодо температурних показників: А, В, С, D65. Найскладніший спектр спостерігається у абсолютно чорного тіла.
Характеристики світла
Людське око суб'єктивно сприймає електромагнітне випромінювання як колір. Так, світло може віддавати білими, жовтими, червоними, зеленими переливами. Це лише зорове відчуття, яке пов'язане з частотою випромінювання, будь воно за складом спектральним чи монохроматичним. Доведено, що фотони здатні поширюватись навіть у вакуумі. За відсутності речовини швидкість потоку дорівнює 300 000 км/с. Це відкриття було зроблено ще на початку 1970-х років.
На межі середовищ потік світла відчуває або відбиток, або заломлення. Під час поширення він розсіюється через речовину. Можна сміливо сказати, що оптичні показники середовища характеризуються значенням заломлення, рівним відношеннюшвидкостей у вакуумі та поглинання. У ізотропних речовин поширення потоку залежить від напрями. Тут представлений скалярною величиною, Що визначається координатами та часом. В анізотропному середовищі фотони проявляється у вигляді тензора.
Крім того, світло буває поляризованим і немає. У першому випадку головною величиною визначення буде вектор хвилі. Якщо ж потік не поляризований, він складається з набору частинок, спрямованих у випадкові сторони.
Найважливішою характеристикою світла є його інтенсивність. Вона визначається такими фотометричними величинамияк потужність і енергія.
Основні властивості світла
Фотони можуть не тільки взаємодіяти між собою, а й мати напрямок. В результаті зіткнення із стороннім середовищем потік зазнає відображення та заломлення. Це дві основні властивості світла. З відображенням все більш-менш ясно: воно залежить від щільності матерії та кута падіння променів. Однак із заломленням справа набагато складніша.
Для початку можна розглянути простий приклад: якщо опустити соломинку у воду, то збоку вона здасться вигнутою та укороченою. Це і є заломлення світла, яке настає на межі рідкого середовища та повітря. Цей процес визначається напрямом розподілу променів під час проходження через кордон матерії.
Коли потік світла стосується межі між середовищами, довжина його хвилі суттєво змінюється. Проте частота поширення залишається незмінною. Якщо промінь не ортогональний по відношенню до кордону, то зміна зазнає і довжина хвилі, і її напрямок.
Штучне часто використовується в дослідних цілях(Мікроскопи, лінзи, лупи). Також до таких джерел зміни показників хвилі ставляться окуляри.
Класифікація світла
В даний час розрізняють штучний та природне світло. Кожен із цих видів визначається характерним джерелом випромінювання.
Природне світло являє собою набір заряджених частинок з хаотичним напрямком, що швидко змінюється. Таке електромагнітне поле обумовлюється змінним коливанням напруженостей. До природним джереламвідносяться розпечені тіла, сонце, поляризовані гази.
Штучне світло буває наступних видів:
- Місцевий. Його використовують на робочому місці, на ділянці кухні, стіни та ін. Таке освітлення відіграє в дизайні інтер'єру.
- Загальна. Це рівномірне освітлення усієї площі. Джерелами є люстри, торшери.
- Комбінований. Суміш першого та другого видів для досягнення ідеальної освітленості приміщення.
- Аварійний. Він дуже корисний при відключеннях світла. Живлення проводиться найчастіше від акумуляторів.
Сонячне світло
На сьогоднішній день це головне джерелоенергії на землі. Не буде перебільшенням сказати, що сонячне світловпливає на всі важливі матерії. Це кількісна постійна, що визначає енергію.
У верхніх шарахземної атмосфери міститься близько 50% випромінювання інфрачервоного та 10% ультрафіолетового. Тому кількісна складова видимого світла дорівнює лише 40%.
Сонячна енергія використовується в синтетичних і природних процесах. Це і фотосинтез, і перетворення хімічних форм, і опалення, і багато іншого. Завдяки сонцю людство може скористатися електроенергією. У свою чергу, потоки світла можуть бути прямими та розсіяними, якщо вони проходять через хмари.
Три головні закони
З давніх часів вчені займалися вивченням геометричної оптики. На сьогоднішній день основними є такі закони світла:
Сприйняття світла
Навколишній світ людині видно завдяки здатності її очей взаємодіяти з електромагнітним випромінюванням. Світло сприймається рецепторами сітківки, які можуть уловити та відреагувати на спектральний діапазон заряджених частинок.
У людини є 2 типи чутливих клітин ока: колбочки та палички. Перші зумовлюють механізм зору у денний часпри високому рівніосвітлення. Палички є більш чутливими до випромінювання. Вони дозволяють людині бачити у нічний час.
Зорові відтінки світла обумовлюються довжиною хвилі та її спрямованістю.
Загальні відомості про природу та властивості світла.
ВИЗНАЧЕННЯ: Оптика - Розділ фізики, в якому вивчають питання про природу світла, закономірності світлових явищ і процеси взаємодії світла з речовиною.
Оптикоютакож зазвичай називають вчення про фізичних явищ, пов'язані з поширенням коротких електромагнітних хвиль. Оптичний діапазон спектру(інфрачервоні, видимі та ультрафіолетові промені) захоплює область довжин хвиль від ~10 -4 м до ~10 -8 м.
При цьому слід пам'ятати, що межі діапазонів є досить умовними.
Для вимірювання довжин хвиль у діапазонах, близьких до оптичного: ІЧ; УФ, рентгенівському – застосовують такі одиниці виміру:
1мкм = 10 -6 м;
Видимий світло: l до =7800А=780нм;
l ф =4000А=400нм.
Протягом 2,5 століть уявлення про природу світла зазнавали істотних змін. Наприкінці 17 ст. сформувалися дві принципово різні теорії про природу світла:
Корпускулярна теорія, розроблена Ньютоном [a] (1672)
Хвильова теорія, розроблена Гюйгенсом [b] та Гуком [c].
Відповідно до корпускулярної теорії, Світло є потік матеріальних частинок (корпускул), що летять з великою швидкістю від джерела.
Відповідно до хвильової теорії, Світло являє собою хвилю, що виходить від джерела світла і поширюється з великою швидкістю в так званому «світовому ефірі» - нерухомого пружного середовища, безперервно заповнює весь Всесвіт.
До кінця 18 ст. переважна більшість фізиків віддавала перевагу корпускулярній теорії Ньютона ( підстава– прямолінійність поширення світла в однорідному середовищі та незалежність поширення світлових пучків).
На початку 19 ст. завдяки дослідженням Юнга [d] (1801 р.) і Френеля [e] (1815 р.) хвильова теорія була значною мірою розвинена та вдосконалена. В її основу ліг принцип Гюйгенса – Френеля.
Згідно з Гюйгенсом: кожна точка середовища, до якої дійшла хвиля, стає джерелом вторинних хвиль. (У такому трактуванні не можна було говорити про амплітуду вторинних хвиль, про розподіл інтенсивності вздовж хвильового фронту). Принцип Гюйгенса у його первісному формулюванні було служити основою хвилею оптики.
Доповнення Френеля: положення про інтерференцію вторинних хвиль.
Хвильова теорія Гюйгенса – Юнга – Френеля успішно пояснила майже всі відомі на той час світлові явища, зокрема інтерференцію, дифракцію і поляризацію світла, у зв'язку з чим набула загального визнання, а корпускулярна теорія Ньютона була відкинута.
Слабким місцем хвильової теорії був гіпотетичний «світовий ефір». Однак у 60-х роках 19-го століття, коли Максвелл розробив теорію єдиного електромагнітного поля, необхідність у «світовому ефірі» як особливому носії світлових хвиль відпала. З'ясувалося, що світло є електромагнітними хвилями, носієм яких є електромагнітне поле. Мабуть світла відповідають електромагнітні хвилі з l=0,77мкм до l=0,38мкм, створювані коливаннями зарядів, що входять до складу атомів і молекул. Таким чином, хвильова теорія про природу світла еволюціонувала електромагнітну теорію світла.
Експериментальні докази електромагнітної теорії світла:
1) досліди Фізо[g] (1849г.), Фуко[h] (1850г.), Майкельсона[i] (1881г.) Þ в результаті яких експериментальне значення швидкості світла збіглося з теоретичним значенням швидкості поширення електромагнітних хвиль, отриманим з електромагнітної теорії Максвелла.
2) досліди П.М. Лебедєва[j] (1899г.) з виміру світлового тиску.
Уявлення про хвильову (електромагнітну) природу світла залишалося непорушним аж до кінця 19в. На той час накопичився досить великий матеріал, який узгоджується з цими уявленнями і навіть суперечить йому. Це були дані:
1) про спектри світіння хімічних елементів;
2) про розподіл енергії у спектрі теплового випромінювання чорного тіла;
3) про фотоелектричний ефект та ін.
Щоб зняти протиріччя, було зроблено припущення, що випромінювання, поширення та поглинання електромагнітної енергії носить дискретнийхарактер, тобто. що світло випромінюється, поширюється і поглинається не безперервно (як це випливало з хвильової теорії), а порціями ( квантами).
Виходячи з цього припущення, німецький фізик М. Планк [k] у 1900р. створив квантову теорію електромагнітних процесів, а Альберт Ейнштейн [l] 1905р. розробив квантову теорію світла, згідно з якою світло є потік світлових частинок – фотонів. Таким чином, на початку 20-го століття виникла нова теорія про природу світла. квантова теорія, що відроджує у сенсі корпускулярну теорію Ньютона. Однак фотони істотно (якісно) відрізняються від звичайних матеріальних частинок: всі фотони рухаються зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла, володіючи при цьому кінцевою масою (маса спокою фотона дорівнює нулю).
Важливу роль подальшому розвитку квантової теорії світла зіграли теоретичні дослідження атомних і молекулярних спектрів, виконані Бором[m] (1913), Шредінгером[n] (1925), Діраком[o] (1930), Фейнманом[p] (1949), В .А. Фоком [q] (1957).
За сучасними поглядами, світло є складним електромагнітним процесом, що володіє як хвильовими, так і корпускулярними властивостями.
У деяких явищах (інтерференція, дифракція, поляризація світла) виявляються хвильові властивості світла; ці явища описуються хвильовою теорією. В інших явищах (фотоефект, люмінесценція, атомні та молекулярні спектри) виявляються корпускулярні властивості світла; такі явища описуються квантовою теорією. Таким чином, хвильова (електромагнітна) та корпускулярна (квантова) теорія не відкидають, а доповнюють один одного, відбиваючи тим самим двоїстий характер властивостей світла. Тут ми зустрічаємося з наочним прикладом діалектичної єдності протилежностей: світло є хвилею та часткою.
Доречно наголосити, що подібний дуалізмвластивий не лише світлу, а й мікрочастинкам речовин, наприклад, електрону, який ми зазвичай розглядаємо як частинку, але в деяких явищах він виявляє себе як хвилю.
На перший погляд здається, що дві точки зору на природу світла: хвильова (електромагнітна) та квантова (корпускулярна) взаємно виключають одне одного. Ряд ознак хвиль і частинок справді протилежні. Наприклад, рухомі частинки (фотони) знаходяться в певних точках простору, а хвилю, що розповсюджується, потрібно розглядати як «розмазану» в просторі і не можна говорити про місцеперебування хвилі в деякій певній точці.
Необхідність приписувати світлу з одного боку хвильові властивості, а з іншого – квантові, корпускулярні, – створює враження незавершеності наших уявлень про природу світла. Виникає навіть думка, що двоїстість природи світла є штучною. Однак розвиток оптики, вся сукупність оптичних явищпоказала, що властивості безперервності, характерні для електромагнітного поля світлової хвилі, не слід протиставлятивластивостям дискретності (перервності), притаманним фотонів.
Світло, як ми вже казали, має подвійну природу. І ця природа, зокрема, знаходить свій вираз, як ми покажемо далі, наприклад, у формулах, що визначають основні характеристики фотонів: енергію; імпульс; масу. Тобто. корпускулярні властивості фотонів пов'язані з хвильовою характеристикою світла – його частотою: ; [n] = c -1;
У прояві двоїстих, суперечливих властивостей світла є важлива закономірність. У довгохвильового випромінювання (наприклад, ІЧ-випромінювання) квантові властивості виявляються малою мірою і основну роль грають хвильові властивості. Велика групаоптичних явищ пояснюється з урахуванням хвильових уявлень, тобто, в хвильової оптиці.
Однак якщо переміщатися за шкалою електромагнітних хвиль у бік більш коротких довжин хвиль, то хвильові властивості світла будуть проявлятися все слабше, поступаючись місцем більш виразно квантовим властивостям. (Це видно, наприклад, із закону червоного кордону фотоефекту). Зокрема, хвильову природу короткохвильового рентгенівського випромінюваннявдалося тільки виявити при використанні як дифракційної решітки кристалічної структуритвердих тел.
Хвильові та квантові властивості світла пов'язані між собою. Розглянемо цей зв'язок з прикладу проходження світла через щілину в непрозорому екрані (рис.1). Нехай плоскопаралельний пучок монохроматичного світла проходить через щілину АВ вздовж осі Y.
З точки зору двоїстої природи світла це означає, що через щілину проходить одночасно і потік частинок – фотонів та електромагнітна хвиля.
Відомо, що на екрані ЦД виникає дифракційна картина. Освітленість Е у кожній точці екрану буде пропорційна інтенсивності світла у цій точці (див. рис.1, де праворуч зображено розподіл інтенсивності світла екраном). Також відомо, що інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди A світлової хвилі. Þ.
З квантової точкизору освіти на екрані дифракційної картини означає, що при проходженні світла через щілину відбувається перерозподіл фотонів у просторі і тому різні точкиекрану потрапляє різне числофотонів. Освітленість Е в кожній точці екрану пропорційна сумарній енергії фотонів, що потрапляють в одиницю часу дану точку. А ця енергія пропорційна n 0 де n 0 – число фотонів, що доставили цю енергію. Þ.
Уявімо ситуацію, коли на щілину падає дуже слабкий світловий потік і нехай в межі його можна було б вважати, що складається з дуже не великої кількостіфотонів, що почергово летять. Кожен фотон має проявити себе в тій точці екрана, куди він потрапив. Однак досліди показують, що і при зменшенні інтенсивності світлового потоку, дифракційна картина не змінюється
У реальному експерименті створення світлового потоку, що складається з фотонів, що почергово летять, неможливо. Щоб можна було говорити про зіставлення з експериментом, необхідно уявити, що досвід із попаданням фотона в якусь точку екрану повторюється дуже багато разів. При кожному такому досвіді фотон з певною ймовірністюможе потрапити до тієї чи іншої точки. Якщо спостереження проводити тривалий час, то результат буде такий самий, якби одночасно проходив світловий потік, що складається з дуже великої кількості фотонів.
Тепер можна порівняти два вирази для освітленості. З них випливає, . Тобто. Квадрат амплітуди світлової хвилі в будь-якій точці простору пропорційний числу фотонів, що потрапляють у цю точку. Або іншими словами: квадрат амплітуди світлової хвилі в цій точці простору є мірою ймовірності попадання фотонів у цю точку.
Таким чином, хвильові та квантові властивості світла не виключають, а, навпаки, взаємно доповнюють одна одну. Вони висловлюють справжні закономірності поширення світла та її взаємодії з речовиною.
З усього сказаного випливає, що хвильові властивості притаманні не тільки сукупності великої кількості фотонів, що одночасно летять. Кожен окремий фотон має хвильові властивості.. Хвильові властивостіфотонів проявляються в тому, що для нього неможливо точно вказати, яку саметочку екрана він потрапить після проходження щілини (рис.1). Можна говорити лише про ймовірностівлучення кожного фотонав ту чи іншу точку екрана.
Таке тлумачення взаємозв'язку між хвильовими та квантовими властивостямисвітла було запропоновано Ейнштейном. Воно зіграло видатну рольу розвитку сучасної фізики, хоча розробка єдиноютеорії про природу світла, що відбиває двоїстий корпускулярно-хвильовий характер світла, ще поки що не завершена.
Зараз ми розпочнемо розгляд групи оптичних явищ, які цілком можна пояснити з погляду хвильової оптики.