Электромагнитная природа света. Интерференция

В начале XIX в. опытным путём была подтверждена справедливость гипотезы о волновой природе света. В то время ни о каких волнах, кроме механических, учёные ещё не знали. Поэтому считали, что свет, подобно звуку, представляет собой механическую упругую волну.







Вы уже знаете, что упругие волны могут возникать только в веществе, поскольку именно частицы вещества совершают упругие колебания, распространяющиеся в пространстве (вспомните опыт, доказывающий, что звук не распространяется в вакууме).

Значит, если свет — упругая волна, то для его распространения нужна среда.

Однако свет от звёзд доходит до нас через такие области космического пространства, где нет вещества. Учитывая этот факт, сторонники волновых воззрений на природу света выдвинули гипотезу о том, что всё мировое пространство заполнено некой невидимой упругой средой, которую они назвали светоносным эфиром (идея о существовании эфира была высказана ещё в XVII в.). Считалось, что именно в этом эфире и распространяется свет.

В то же время предположение о существовании светоносного эфира порождало много противоречий и вопросов. Так, например, в конце второго десятилетия XIX в. было выяснено, что свет является поперечной волной. Известно, что упругие поперечные волны возникают только в твёрдых телах. Получалось, что светоносный эфир представляет собой твёрдое тело.

В связи с этим возникал вопрос о том, как планеты и другие небесные тела могут двигаться сквозь твёрдый эфир, не испытывая при этом никакого сопротивления.

Во второй половине XIX в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электромагнитные волны, подобно световым, являются поперечными и распространяются в вакууме со скоростью света. Исходя из того, что световые и электромагнитные волны обладают общими свойствами, Максвелл предположил, что свет является частным проявлением электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие физики подтвердило это предположение. Стало ясно, что видимый свет — это только небольшой диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 3,8 · 10-7 до 7,6 · 10-7 м или с частотами от 4,0 · 1014 до 8,0 · 1014 Гц (см. рис. 136).

Тем не менее представление о том, что в некоторых случаях свет ведёт себя аналогично потоку частиц, не потеряло своей актуальности.

К началу XX в. выяснилось, что электродинамика Максвелла не позволяет объяснить некоторые экспериментальные факты. Противоречия между теорией и экспериментальными данными удалось разрешить, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения:

Е = hν,

где h — коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Планка.

В 1905 г. немецкий физик Альберт Эйнштейн выдвинул идею, согласно которой электромагнитные волны с частотой ν можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией Е = hv.

В настоящее время квант электромагнитного излучения называют также фотоном. Фотон (от греч. phos, photos — свет) — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в том числе света). Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

Таким образом, свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

С увеличением частоты электромагнитного излучения в большей степени проявляются его корпускулярные свойства, т. е. свойства, присущие потоку частиц, и в меньшей — волновые. Из всех диапазонов электромагнитных волн наиболее ярко выраженными корпускулярными свойствами обладает гамма-излучение (см. рис. 136). Подробнее о гамма-квантах вы узнаете из следующей главы.

Интерференция света

Изучая в 8 классе распространение, отражение и преломление света, мы не задавались вопросом о его природе. Теперь уместно было бы обратиться к атому вопросу в связи с изучением электромаг­нитных волн.

С давних пор существовало два взгляда на природу света. Одни ученые считали, что свет представляет собой волну, другие рас­сматривали свет как поток частиц (корпускул). Но до начала XIX в. не было достаточно веских доказательств ни в пользу вол­новых, ни в пользу корпускулярных представлений.

В 1802 г. английский ученый Томас Юнг поставил опыт по сложению пучков света от двух источников, в результате чего полу­чил не меняющуюся во времени картину, состоящую из чередую­щихся светлых и темных полос. Юнг смог дать правильное толкова­ние результатов опыта, объяснив возникновение полос интерфе­ренцией света.

Вы уже знакомы с интерференцией звуковых волн. Напомним, в чем заключается это явление.

При наложении двух когерентных волн (т. е. волн с оди­наковой частотой и постоянной разностью фаз) образу­ется так называемая интерференционная картина, т. е. не меняющаяся со временем картина распределения амплитуд колебаний в пространстве.

Это значит, что в одних точках пространства колебания всегда происходят с максимальной амплитудой. Это те точки, в которые ко­лебания от обоих источников в любой момент времени приходят в одинаковых фазах и поэтому всегда усиливают друг друга.

В других точках колебания происходят с минимальной амплиту­дой. Эти точки расположены по отношению к источникам так, что к ним колебания всегда приходят в противоположных фазах, ослабляя друг друга (а при равных амплитудах колебаний волны в любой мо­мент времени полностью гасят друг друга).

В остальных точках колебания также происходят с постоянными амплитудами, значения которых лежат в промежутке от минималь­ной до максимальной.

Поскольку явление интерференции при­суще только волновым (т. е. периодичес­ким) процессам, то опыт Юнга явился не­опровержимым доказательством того, что свет обладает волновыми свойст­вами.

Опыт Юнга сложно осуществить в усло­виях школьного физического кабинета. По­этому мы рассмотрим опыт, в котором све­товую интерференционную картину можно получить с помощью простого и доступного оборудования.

На рисунке 156, а изображено прово­лочное кольцо с ручкой, затянутое мыльной пленкой. Если в затемненном классе напра­вить на пленку свет какого-либо цвета, на­пример желтого, то на пленке образуются горизонтально расположенные чередую­щиеся желтые и черные полосы. (Желтый свет можно получить, внеся в пламя спир­товки кусочек ваты, смоченный раствором хлорида натрия.)

Чтобы понять причину появления этих полос, рассмотрим рисунок 156, б. На нем в сильно увеличенном виде показано, как примерно вы­глядит средняя часть мыльной пленки, если смотреть на нее сбоку. Мы видим, что книзу пленка утолщается. Эго связано с тем, что под дейст­вием силы тяжести мыльный раствор постепенно стекает вниз.

Пусть в точку А пленки падает световая волна. При этом часть света отражается от передней поверхности в точке А, а часть — от задней в точке В, выходя из пленки в точке С.

Волны, выходящие из точек А и С, являются когерентными, т. е. имеют одну и ту же частоту и постоянную разность фаз, поскольку они порождены одной и той же волной. Разность фаз этих волн зави­сит, в частности, от того, во сколько раз разность хода АВС больше длины световой волны. А разность хода зависит от толщины пленки в том месте, куда падает световая волна.

Допустим, в каких-либо сечениях толщина пленки такова, что волны, выходящие из точек А и С, имеют одинаковые фазы. Тогда эти волны при сложении усилят друг друга. Значит, в этом месте пленки мы увидим яркую желтую линию.

В других сечениях толщина пленки окажется такой, что волны будут выходить из точек А и С в противоположных фазах. В этом случае волны будут полностью гасить друг друга. При этом мы увидим на пленке темную полосу.

Таким образом, раз наблюдается явление интерференции света, то это означает, что свет представляет собой поток волн.

Юнг не только доказал, что свет — это волна, но и измерил длину световой волны.

Оказалось, что свету разных цветов соответствуют разные интер­валы длин волн. Самые большие значения длин волн у красного све­та: от 7,6 · 10-7 м до 6,2 · 10-7 м.

Поскольку частота колебаний в волне обратно пропорциональна длине волны, то красному цвету соответствуют наименьшие по срав­нению с другими цветами частоты: 4,0 · 1014 Гц — 4,8 · 1014 Гц.

Длины волн убывают (а частоты возрастают) в следующей после­довательности цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Из этого ряда следует, что фиолето­вый свет — самый коротковолновый, его длины волн лежат в ин­тервале 4,5 · 10-7 м — 3,8 · 10-7 м, им соответствует интервал час­тот 6,7 · 1014 Гц — 8,0 · 1014 Гц.

Итак, полученные Юнгом световые интерференционные картины свидетельствовали о справедливости волновых взглядов на природу света.

В то же время по мере развития физики к концу XIX в. был открыт целый ряд экспериментальных фактов, которые можно было объяснить только на основе корпускулярных представлений о свете, т. е. рассматривая его как поток частиц.

Поэтому в настоящее время признана справедливой как волновая, так и корпускулярная теория.

Обе эти теории, дополняя друг друга, позволяют объяснять мно­гие физические явления.

 Домашнее задание:
I. Учить § 47; конспект в тетрадях.
II. Ответить на вопросы:
1. Каковы были представления учёных о природе света в начале XIX в.?
2. Чем была вызвана необходимость выдвижения гипотезы о существовании светоносного эфира?
3. Какое предположение о природе света было сделано Максвеллом? Какие общие свойства света и электромагнитных волн явились основанием для такого предположения?
4. Как называется частица электромагнитного излучения?

5. Какие два взгляда на природу света существовали с давних пор среди ученых?
6. В чем заключалась суть опыта Юнга, что этот опыт доказывал и когда был поставлен?
7. Как проводился опыт, изображенный на рисунке 156. а?
8. Пользуясь рисунком 156, б, объясните, почему не мыль­ной пленке появляются чередующиеся полосы.
9. Что доказывает опыт, изображенный на рисунке 156. а?
10. Что можно сказать о частоте (или длине волны) све­товых волн разных цветов?