1. Proprietățile de undă ale luminii
1.1 dispersie
Urmărind îmbunătățirea telescoapelor. Newton a subliniat că imaginea produsă de lentile, marginile pictate. El a devenit interesat de acest lucru și primul „explorat o varietate de raze de lumină și care derivă din aceasta culoare special, care, înainte de nimeni chiar“ (cuvintele inscripția de pe mormântul lui Newton) Experiența principală a lui Newton a fost strălucit simplu. Newton a dat seama îndreptat spre grinda prismei secțiune transversală redusă. O rază de soare a avut loc într-o cameră întunecată printr-o gaură mică în obturatorul. Care cade pe o prismă de sticlă, este refractată și dat pe peretele opus al imaginii alungite alternativ cu culorile curcubeului. Urmând tradiția veche de secole, potrivit căruia curcubeu a fost considerată ca fiind compusă din șapte culori de bază, Newton a identificat, de asemenea, șapte culori: violet, albastru, cyan, verde, galben, portocaliu și roșu. Samu dungi curcubeu Newton numit spectru.
Închiderea roșu de sticlă de deschidere. Newton a văzut pe perete doar la fața locului roșu, închiderea albastru-albastru, etc. A urmat că nu culori prismatice lumină albă, așa cum trebuia mai devreme. Prism nu se schimba culoarea, ci doar se descompune în părțile sale componente. lumină albă are o structură complexă. Din aceasta puteți selecta grinzi de diferite culori, iar singura lor acțiune comună ne face impresie de culoare alba. De fapt, în cazul în care de-a doua prismei, rotită cu 180 de grade în raport cu primul. Colecta toate spectrului, veți obține încă lumină albă. Evidențierea orice parte a spectrului, de exemplu, verde, și forțând lumina să treacă printr-o altă prismă, nu vom primi în continuare modificări de culoare.
O altă concluzie importantă la care a ajuns Newton, a fost formulată într-un tratat despre „Optica“, după cum urmează: „fasciculelor de lumină de culori diferite, diferite în refrangibility grad“ violete cel mai puternic refractate, mai puțin decât ceilalți - roșu. Dependența indicelui de refracție al luminii de culoare se numește dispersie (de la Dispergo scatter-latinescul).
Mai târziu, Newton îmbunătățit de monitorizare a spectrului, pentru a obține o culoare pură. După colorat rotund spotului fasciculului de lumină care trece prin prisma, se suprapun parțial. În loc de o gaură circulară a folosit un spațiu îngust (A), iluminat sursă luminoasă. Lens situat în spatele fantei (B), dând ecran (D), imaginea unei benzi înguste de culoare albă. Dacă plasat în calea fasciculului unei prisme (C), imaginea fantă întinsă în spectru, o bandă de culoare tranziții de culoare, în care de la roșu la violet similare cu cele observate în curcubeu. Experiența lui Newton este prezentată în figura 1
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Fig.1
Dacă acoperi diferența cu sticlă colorată, de exemplu, dacă îndreptate spre prisma în loc de culoare alba, imaginea cu fantă este redusă la un dreptunghi colorat este dispus într-o locație adecvată a spectrului, adică în funcție de culoarea luminii este deviată la unghiuri diferite de imaginea originală. Descris de observație arată că diferite culori sunt raze de diferite prisme refractată.
Aceasta este o concluzie importantă, Newton a testat de mai multe experimente. Cel mai important dintre acestea a fost de a identifica și a indicelui de refracție a razelor de diferite culori, izolate din spectrul. În acest scop, un ecran pe care se obține un spectru, taie o gaură; se deplasează pe ecran, a fost posibil să se elibereze prin gaura fascicul îngust de lumină al unei anumite culori. O astfel de metodă de alocare a unei raze omogene perfecte decât selecția prin sticlă colorată. Experimentele au constatat că o astfel de fascicul dedicat este refractată în al doilea Prism, aceasta nu se întinde banda. Acest fascicul corespunde unui indice de refracție, valoare care depinde de culoarea fasciculului selectată.
Astfel, în principalele experimentele lui Newton a concluzionat două descoperiri importante:
1.Svet culori diferite caracterizate prin diferiți indici de refracție în acest material (dispersie).
2. Culoarea albă este o colecție de culori simple.
Știind că lumina albă are o structură complexă, este posibil să se explice uimitoare varietate de culori în natură. În cazul în care un obiect, cum ar fi o foaie de hârtie, care reflectă toate razele care se încadrează pe ea în culori diferite, va apărea alb. Acoperind strat de hârtie de vopsea, nu vom crea în această nouă lume de culoare, dar este întârziată cu o foaie de o parte din cel existent. Va reflecta acum doar razele roșii, iar restul va fi absorbit strat de vopsea. Iarbă și frunze verzi apar la noi, din cauza tuturor ca ele reflecta doar un verde, absorbind restul cade pe ele la lumina soarelui. Dacă te uiți la iarba printr-un pahar roșu. transmite doar razele roșii, acesta va apărea aproape negru.
Știm acum că diferite culori corespund la diferite lungimi de undă ale luminii. Prin urmare, prima deschidere a lui Newton pot fi rezumate după cum urmează: indicele de refracție al unei substanțe depinde de lungimea de undă a luminii. De obicei, aceasta crește cu scăderea lungimii de undă.
1.2 Interferența
a fost observată Interferența luminii pentru o lungă perioadă de timp, dar să nu fie conștienți de acest lucru. Mulți au văzut modelul de interferență atunci când un copil care are distracție suflare bule și vizionarea jocul irizat de culori ale unui film subțire de kerosen pe suprafața apei. Această interferență de lumină face ca bula este atât de admirabil.
Savantul englez Thomas Young a venit mai întâi la ideea ingenioasă de explicații posibile culori de filme subtiri prin adăugarea a două valuri, dintre care una (A) este reflectată de suprafața exterioară a filmului, iar a doua (B) - din interior (Figura 2)
Fig.2
Astfel, există o interferență a undelor de lumina - adăugarea a două valuri, în urma căreia există o creștere sau scădere a oscilațiilor ușoare la diferite puncte în spațiu. Rezultatul interferenței (amplificarea sau atenuarea oscilațiilor rezultate) depinde de grosimea filmului și lungimea de undă. amplificarea luminii ar fi cazul dacă două unda refractată (reflectată de suprafața interioară a filmului) rămâne în urma valului 1 (reflectată de suprafața exterioară a filmului) asupra numărului integral de lungimi de undă. În cazul în care al doilea val va rămâne în urmă din prima jumătate a lungimii de undă sau un număr impar de jumătate, nu va fi atenuarea luminii.
Pentru a forma un model de interferență stabilă atunci când se adaugă valuri, valurile trebuie să fie coerente, adică Noi trebuie să aibă aceeași lungime de undă și o diferență de fază constantă. Coerența undelor reflectate de suprafața exterioară și interioară a filmului, cu condiția ca acestea să fie ambele parte din același fascicul de lumină. Valurile ca emise de două surse independente convenționale nu oferă modelul de interferență datorită faptului că diferența de fază dintre două valuri din aceste surse nu este constantă.
Jung a înțeles, de asemenea, că diferența de culoare din cauza diferenței de lungime de undă (sau frecvența undelor de lumină). fluxurile luminoase de culoare diferite corespund diferite lungimi de undă. Pentru valuri de potențare reciprocă, care diferă în lungime unul de altul, o grosime de film diferit necesar. În consecință, în cazul în care filmul are o grosime uniformă, care atunci când sunt iluminate cu lumină albă să apară diferite culori.
1.3 Difracția. Experiența lui Young
Difractia luminii în sens restrâns - fenomenul de bariere de lumină și de difracție de lumină intră în regiunea umbrei geometrice; în sensul cel mai larg - orice abatere de la propagarea luminii din legile opticii geometrice.
Determinarea Sommerfeld sub difracția luminii înțeleg orice abatere de la propagarea rectilinie, în cazul în care nu pot fi explicate ca rezultat al reflexie, refracție sau îndoire a razelor luminoase în medii cu variația continuă a indicelui de refracție.
În 1802. Jung a descoperit lumina interferență, pus în scenă o experiență de difracție clasică (Figura 3).
Figura 3
Ecranul opac, a perforat pin două găuri mici B și C, la o distanță mică unul de altul. Aceste deschideri sunt acoperite fascicul de lumină îngustă, care a trecut la rândul său, printr-un mic port A la un alt ecran. Este acest detaliu la care a fost foarte greu de ghicit la momentul respectiv, am decis să experimenteze succesul. Interfera valuri doar coerente. Apărut în conformitate cu principiul Huygens val sferic excitat de găuri A în deschiderile B și oscilații coerente C. Ca urmare a difracției a deschiderilor B și C din două con de lumină care se suprapun parțial. Ca urmare a interferenței undelor de lumină a apărut pe ecran luminos alternativ și dungi închise la culoare. Închiderea una dintre deschiderile, Young a constatat că franjele de interferență dispar. Este prin această experiență pentru prima dată au fost măsurate lungimile de undă Jung, care corespunde fasciculelor de lumină de culori diferite, și foarte precise.
Studiul de difracție a fost punctul culminant în lucrările lui Fresnel. A studiat în detaliu diferitele funcții ale experimentelor de difracție și construit pe o teorie cantitativă a difracției, care permite calcularea modelului de difracție care apare atunci când rotunjire lumina orice obstacol.
Folosind teoria de difracție a rezolva astfel de probleme, ca o protecție împotriva zgomotului cu ajutorul ecranelor acustice de propagare deasupra pământului, lucrarea dispozitivelor optice (deoarece imaginea dată de obiectiv, - difracție întotdeauna model), măsurarea calității suprafeței studiului structurii materiei și mai mult .
1.4 polarizare
noi proprietăți cu privire la natura undelor de lumină experiența trecerea luminii prin cristale. în special prin turmalina.
Ia două identice dreptunghiulare tăiate placă turmalina, astfel încât una dintre laturile dreptunghiului coincide cu o direcție specifică în cristal, purtând denumirea axei optice. Impune o placă la alta, astfel încât axele lor coincid în direcția și se trece printr-o pereche de plăci îndoite unui fascicul îngust de lumină de la o lampă sau la soare. Turmalina este un cristal maro - culoare verde, amprenta fasciculului transmis pe ecran este reprezentat sub forma unei pete de culoare închisă - verde. Vom începe să transforme una dintre plăcile din jurul fasciculului păstrând în același timp celelalte staționare. Considerăm că traseul fasciculului devine mai slabă, iar când placa se va transforma 90 0. să dispară cu totul. La rotirea suplimentară a fasciculului se extinde placa începe din nou să crească și să ajungă la aceeași intensitate atunci când placa este rotită cu 180 0. adică când axa optică a plăcilor fi din nou situate în paralel. La rotirea în continuare a fasciculului tourmaline slăbește din nou.
Din aceste fenomene se pot trage următoarele concluzii:
1. fluctuații de lumină în fasciculul direcționat perpendicular pe linia de propagare a luminii (Undele luminoase sunt transversale).
2. Turmalina capabile să transmită undelor de lumină numai în cazul în care acestea sunt îndreptate într-un anumit mod în raport cu axa sa.
3. În lumina lămpii (soare) sunt vibrațiile transversale ale orice direcție, și mai mult decât atât, în aceeași proporție, astfel încât nici o direcție nu este avantajoasă.
Pin 3 explică de ce lumina naturala trece la fel prin turmalină orice orientare a acestora, deși turmalina, potrivit concluzie 2, este capabil să treacă doar anumite direcții de oscilații ușoare. Trecerea luminii naturale prin turmalina duce la faptul că oscilațiilor transversale sunt selectate numai acelea care pot fi transmise tourmaline. Prin urmare, lumina transmisă prin turmalina va fi o multitudine de oscilații transversale într-o direcție definită de axa de orientare a turmalina. O astfel de lumină va fi numit polarizată liniar și planul care conține direcția de vibrație și axa fasciculului, - planul de polarizare.
Acum devine clar din experiența trecerea luminii prin cele două plăci de serie set de turmalina. Prima placă de polarizare care trece prin ea fasciculul de lumină lăsând în aceasta o singură direcție de oscilație. Aceste oscilații pot trece prin a doua turmalina complet numai atunci când direcția coincide cu direcția vibrațiilor transmise de către al doilea turmalina, adică când axa sa este paralelă cu prima axă. În cazul în care direcția de oscilație a luminii polarizate perpendicular pe direcția de vibrațiile transmise de-a doua turmalina, lumina va fi complet arestat. Dacă direcția de oscilație în lumină polarizată face un unghi ascuțit cu direcția, sări peste turmalina, oscilațiile vor fi omise parțial.
2. Proprietățile cuantice ale luminii
2.1 Efectul fotoelectric
În 1887. fizician german Hertz a explicat efectul fotoelectric. Baza pentru aceasta a fost ipoteza lui Planck cuantice.
Fenomenul efectului fotoelectric atunci când lumina este placa de zinc detectată conectată la tija de electrometru. În cazul în care placa si tija a trecut sarcină pozitivă, electrometru nu este descărcat pe placa de iluminare. Atunci când raportează placa electrometru sarcină electrică negativă este descărcată imediat ce radiațiile ultraviolete cade pe placa. Acest experiment demonstrează că, pe suprafața plăcii de metal de sarcini negative poate fi eliberată sub acțiunea luminii. Măsurarea încărcăturii și masa particulelor, lumina ejectat a arătat că aceste particule - electroni.
încearcă să explice legile efectului fotoelectric extern pe baza unor concepte val de lumină au fost făcute. Conform acestui concept, mecanismul efectului fotoelectric este după cum urmează. Metal val de lumină incidente. Electronii din stratul său de suprafață, absorb energia valurilor și energia lor este crescută treptat. Când devine mai mare decât funcția de lucru, electronii încep să se îndepărteze de metal. Astfel, teoria ondulatorie a luminii părea să fie în măsură să explice calitativ efectul fotoelectric.
Cu toate acestea, calculele au arătat că, de această dată o explicație între începutul iluminatului de metal și începutul emisiei de electroni ar trebui să fie de aproximativ zece secunde. Între timp, din experimentul că t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.
Conform teoriei val de energia cinetică a fotoelectronilor ar trebui să crească odată cu creșterea intensității luminii care cade pe metal. Iar intensitatea undei este determinată de amplitudinea de oscilație intensitate E în loc de frecvența luminii. (Din intensitatea luminii incidente numai numărul de electroni ejectat și curentul de saturație depinde de puterea).
Din teoria ondulatorie că energia necesară pentru evacuarea electronilor din metal, este capabil de a furniza radiatii de orice lungime de undă, în cazul în care intensitatea este suficient de mare, adică efectul fotoelectric, care poate fi cauzată de orice emisie de lumină. Cu toate acestea, există marginea roșie a efectului fotoelectric, și anume, electroni de energie primite nu depinde de amplitudinea undei și frecvența acestora.
Astfel, încearcă să explice legile efectului fotoelectric pe baza reprezentărilor despre val de lumină au eșuat.
2.2 Efectul Compton
efectul Compton se numește modificarea frecvenței sau lungimi de undă ale fotonilor prin împrăștiere electroni și nucleoni. Acest efect nu se potrivește teoria ondulatorie conform căreia lungimea de undă a împrăștierii nu trebuie să varieze: sub acțiunea unui câmp optic periodic variază în funcție de frecvența câmpului de electroni și, prin urmare, emite undele împrăștiate de aceeași frecvență.
Efectul Compton este diferit de efectul fotoelectric pe care un foton transferă energia particulelor de materie nu complet. Un caz special al efectului Compton este împrăștierea razelor X pe gloantele de electroni ale atomilor și risipire de raze gamma în nucleele atomice. In cel mai simplu caz, efectul de împrăștiere Compton reprezintă o monocromatice substanțe cu raze X ușoare (grafit, parafina si altele.) Și analiza teoretică a acestui efect, în acest caz, este considerat a fi un electron liber.
Explicația dată de Compton efect pe baza ideilor cuantice despre natura luminii. Dacă presupunem, la fel ca și teoria cuantică, că radiația are un caracter corpuscular.
efect Compton se observă nu numai pe electroni, ci și pe alte particule încărcate, cum ar fi protoni, dar din cauza masei mari a unui proton returnează „văzut“ doar în împrăștierea de fotoni cu energii foarte mari.
Deoarece efectul Compton și efectul fotoelectric bazat pe reprezentări cuantice ale electronilor datorită interacțiunii cu fotoni. În primul caz, fotonul este împrăștiată, în al doilea - este absorbită. Imprastiere are loc atunci când o interacțiune foton cu electroni liberi si efectul fotoelectric - cu electroni legați. Se poate demonstra că coliziunea dintre fotoni cu electroni liberi nu se poate întâmpla de absorbție de fotoni, deoarece este în contradicție cu legile conservării impulsului și energiei. Prin urmare, numai împrăștierea lor poate fi observată în interacțiunea fotonilor cu electroni liberi, adică, efect Compton.
concluzie
Fenomenul de interferență, difracție, polarizarea luminii din surse convenționale de lumină dovezi incontestabile ale proprietăților undelor de lumină. Cu toate acestea, în aceste fenomene în condiții adecvate prezintă proprietăți ale particulelor ușoare. La rândul său, modelele de radiații termice ale corpurilor, efectul fotoelectric și alte concludent indică faptul că lumina se comportă ca un val continuu, prelungit, dar ca fluxul de „grupări“ (porțiuni cuante) de energie; ca un flux de particule - fotoni.
Astfel, lumina combină undă continuă și particule discrete. Dacă luăm în considerare faptul că fotonii există doar în timpul mișcării (cu viteză), am ajuns la concluzia că atât lumina are atât undă și particulă proprietăți. Dar, în unele fenomene în anumite condiții joacă un rol major sau a valurilor sau proprietăți corpusculare și lumina poate fi considerată fie ca un val sau ca particule (corpusculi).