Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете icon

Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете



НазваниеБорьба концепций в процессе становления и развития науки о свете
Дата конвертации26.07.2012
Размер372.47 Kb.
ТипРеферат
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете


ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ КУРСОВОЙ ПРОЕКТ НА ТЕМУ: «Борьба концепций в процессе становления и развития науки о природе света» Выполнила студентка Руководитель: Ацюковский Владимир Акимович Москва 1998 г. СОДЕРЖАНИЕ:1. Античные взгляды на природу свет______________________________________________________32. Взгляд на свет в период раннего средневековья______________________________________________________43. Опыты по измерению скорости света______________________________________________________54. Открытия Ньютона о природе цветов______________________________________________________55. Работы Гюйгенса. Волновая теория света_____________________________________________________106. Развитие взглядов на волновую теорию света. Работы Френеля_____________________________________________________117. Электромагнитная теория света. Работы Фарадея и Максвелла_____________________________________________________158. Давление света_____________________________________________________179. Поляризация_____________________________________________________1810. Квантовая теория света_____________________________________________________2011. Фотоны_____________________________________________________2312. Заключение_____________________________________________________2413. Список использованной литературы_____________________________________________________26 АНТИЧНЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРИРОДУ СВЕТА. Оптикой увлекались еще философы классического периода, которыебольше интересовались физиологическими, а не физическими проблемами.Они задавались вопросами: каким образом мы видим, каково соотношениемежду ощущением и видимым предметом? Дискуссия была, по-видимому,долгая и страстная, но дошедшие до нас документы весьма немногочисленныи толкования их сомнительны. Здесь будут упомянуты теории, развитые вклассический период и вновь появлявшиеся в ходе позднейшей истории. По-видимому, именно пифагорейцы впервые выдвинули гипотезу об особомфлюиде, который испускается глазами и «ощупывает» как бы щупальцамипредметы, давая их ощущение. Атомисты же были сторонниками испусканияпредметами «призраков» или «образов», которые, попадая в глаза приносятдуше ощущение формы и цвета теория эта связывается с именем Платона.Согласно Платону, от предметов исходит специальный флюид, которыйвстречается с «мягким светом дня», «ровно и сильно» бьющим из нашихглаз. Если оба флюида подобны друг другу, то, встречаясь, они «крепкосвязываются» и глаз получает ощущение видимого. Если же «свет очей»встречается с несхожим флюидом, он гаснет и не дает глазам никакихощущений. Наиболее ранним из известных нам документов, касающихся работ,является трактат по оптике Евклида, великого геометра, расцветтворчества которого относится к 300 г. до н.э.
Трактат состоит из двухчастей – «Оптики» и «Катоптрики». Как следует из первого положения, или постулата: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Евклид следует теории зрения Платона. От второго постулата до насдошло понятие конуса зрения и «точки наблюдения»: «Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершинакоторого находится в глазу, а основанием служит граница предмета». На этих и других десяти постулатах (по другим свидетельствам –двенадцати) Евклид основывает геометрическое рассмотрение оптики. В«Оптике» он исследует геометрические проблемы, связанные с постулатом опрямолинейном распространении света: образование тени, изображения,получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размеры предметов иих расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления, связанные спостулатом о прямолинейном распространении света: образование тени,изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размерыпредметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления,связанные с отражением от плоских и сферических зеркал. Из постулатов«Катоптрики» замечателен второй постулат: «Все, что видно, видно по прямой». Это основной принцип физиологической оптики. Однако непонятно, какего можно было согласовать с третьим постулатом, дающим точный законотражения света, известный грекам еще с древнейших времен. Еслисветовой луч – это то же самое, что «свет очей», то как он может неотклоняться на зеркале в соответствии со вторым постулатом и менятьсвое направление в соответствии с третьим? В истории физикипротиворечия часты, и ученые преодолевали их почти всегда так же, как иЕвклид, т.е. обходили молчанием. ВЗГЛЯД НА СВЕТ В ПЕРИОД РАННЕГО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ. Наиболее ярким в арабской физике был, несомненно, период Ибн Аль-Хатайна, известного на Западе под именем Альхазена. Умер Альхазен вКаире в 1039 г. По всеобщему мнению, это был наиболее крупный физиксредневековья. Кроме того, он был астрономом, математиком икомментатором Аристотеля и Галена. В своем первом фундаментальном постулате он утверждает: «Естественный свет и цветовые лучи воздействуют на глаза». Этот постулат он подкрепляет наблюдением, что глаза испытывают больпри падении на них солнечного света, прямого или отраженного отзеркала, приводя также другие примеры ослепления. Под естественнымсветом Альхазен понимает белый солнечный свет, а под цветовыми лучами –свет отраженный от цветных предметов. Затем с помощью ряда хорошо поставленных опытов физико-физиологического характера он показывает несостоятельностьпредставления о свете, исходящем из глаз и ощупывающем тела. В главе IVсвоего труда он описывает анатомическое строение глаза, заимствовав егоу Галена, и далее заявляет: «Зрительный образ получается с помощью лучей, испускаемых видимымителами и попадающих в глаз». Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида, а, так сказать, обобращенных световых лучах, которые идут не от глаза к предмету, а отпредмета к глазу. Но не это является главным открытием Альхазена. УЕвклида, как и у всех греческих физиков, зрение рассматривалось какглобальное явление; считалось, что ощущение воспринимает разом, ведином процессе образ всего наблюдаемого тела, потому ли, что внешняя«оболочка» тела, отделившись, проникает в зрачок, или же потому, что«свет очей» ощупывает его одновременно со всех сторон. Альхазен же сгениальной интуицией разложил этот глобальный процесс на бесконечноемножество элементарных процессов: он полагал, что каждой точкенаблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точкаглаза. Но чтобы объяснить отсутствие избранных направлений наблюденияпредмета, нужно предположить, что из каждой точки предмета выходитбесконечное число лучей. Но как же тогда одной точке предмета можетсоответствовать лишь одна воспринимающая точка? Альхазен преодолел этутрудность, приняв что из всех лучей, проникающих в глаз действеннымявляется лишь луч, перпендикулярный всем глазным оболочкам, которые онсчитал концентрическими. Поэтому на переднюю поверхность хрусталика,который по Альхазену, и есть орган чувства, действуют те лучи, которые,исходя из любой точки наблюдаемого предмета, проходят черезгеометрический центр глаза. Таким образом, Альхазен устанавливаетточное соответствие между точками восприятия на внешней поверхностихрусталика и приходит к выводу: «Зрительный образ получается с помощью пирамиды, вершина которойнаходится в глазу, а основание – на видимом теле». Насколько это положение отличается от евклидова! Это тот жеклассический закон перспективы, но физика явления здесь изменена.Поэтому, несмотря на серьезные недостатки этого положения, онопредставляет собой громадный шаг вперед. ОПЫТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА. Одним из первых пытался измерить скорость света Галилей - онпредлагает эксперимент для решения спора о том, конечна или бесконечнаскорость света. Два экспериментатора, вооруженные фонарями, становятсяна некотором расстоянии друг от друга и, согласно предварительнойдоговоренности, первый открывает свой фонарь, как только заметит светоткрытого фонаря второго. Тогда сигнал первого экспериментаторавернется к нему через удвоенное время распространения света от одногонаблюдателя ко второму. Этот опыт не мог получиться из-за чрезвычайно большой скоростисвета. Но за Галилеем остается заслуга первой постановки этой проблемыв экспериментальном плане и проектирования эксперимента стольгениального, что этот проект был осуществлен Физо через 250 лет припервом измерении скорости света в земных условиях. Действительно, впринципе опыт Физо отличается от опыта Галилея лишь тем, что один издвух экспериментаторов заменен зеркалом, тотчас отражающим пришедшийсветовой сигнал. ОТКРЫТИЯ НЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ. Дальнейшим развитием взглядов на природу света являются работыНьютона. В 1669 г. в Кембридже Ньютон начал читать оптику. К этомупериоду относятся его «Лекции по оптике», опубликованные посмертно в1729 г. Научный мир узнал открытии Ньютона о природе цветов из доклада,опубликованного в 1672 г. и вызвавшего критические замечания рядаученых, и в частности Гука. За ним последовала долгая полемика, сильноогорчившая Ньютона, человека весьма раздражительного и чувствительногок критике. Дело кончилось тем, что Ньютон заперся в своей лаборатории,чтобы там, в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике,которую опубликовал в Лондоне в 1704 г. под названием «Оптика» вмомент, представлявшийся ему благоприятным (годом раньше умер Гук.) Впредисловии Ньютон говорит, что значительная часть этой работы быланаписана в 1675 г. и направлена секретарю Королевского общества дляпрочтения на заседании. Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление,чтобы сделать теорию более полной. Еще позже он добавил третью книгу.Еще при жизни Ньютона вышли второе издание «Оптики» в 1717 г. и третьев 1721 г. «Оптика состоит из трех книг. В первой рассматриваются отражение,преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов) с приложением кобъяснению радуги и с отступлением, посвященным телескопам и отражению.Во второй книге рассматриваются цвета тонких пленок. Наконец, третьякнига содержит краткое экспериментальное исследование дифракции изаканчивается 31 «вопросом» теоретического характера». Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методуи обещанием описывать явления, не выдвигая гипотез: «Мое намерение в этой книге, - предупреждает автор, - не объяснятьсвойства гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами.Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы», - но нет иречи о том, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же послеэтого, поражает первое определение, которое либо ничего не означает,либо говорит о явно корпускулярном характере теории. Первое определениегласит: «Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в ихпоследовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременносуществующие по различным линиям». А что означает утверждение: «Луч света – это его мельчайшая часть»?Из этого утверждения ясно, что для Ньютона луч света – это уже нетраектория в понимании древнегреческих геометров, а, как говорится впояснении к этому определению, «наименьший свет или часть света …которая может быть оставлена одна, без остального света, или жераспространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либотакое, чего не совершает и не испытывает остальной свет». Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многимэкспериментаторам: заявляя о желании придерживаться только фактов иотбросить всякие теории, но одновременно основывает истолкование своихэкспериментальных результатов на новой теоретической концепциисветового луча – концепции корпускулярной, или если пользоватьсясовременным термином, квантовой. Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытаниевременем и по существу осталась основой современной физической оптики.Было бы излишне подчеркивать гениальность постановки проблемы,искусность ее решения, точность измерений. Достаточно лишь обратитьвнимание на громадный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона висследованиях преломления в призме, которыми занимались до него оченьмногие физики, начиная с Сенеки. Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении черезпризму двухцветной бумаги (красной и синей), освещенной солнцем. Этотопыт позволил Ньютону прийти к фундаментальному выводу: «Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степенипреломляемости». И если само это утверждение и не вполне ново, поскольку оновысказывалось еще в 1648 г. Марко Марчи (1595-1667), зато весь комплекспоследующих экспериментов, дающих ему окончательное подтверждение, былвесьма новым, так что не мог пройти незамеченным. Проделав небольшоекруглое отверстие в ставне окна темной комнаты, Ньютон заставил пучоклучей, проходящих через это отверстие, падать на призму с большойдисперсией и направлял «спектр» на противоположную стену, находившуюсяна расстоянии в несколько метров. В первой серии опытов, проведенных спомощью такого приспособления, выделяется опыт с двумя скрещеннымипризмами. Эти опыты убедили Ньютона в том, что цвета присутствуют всолнечном свете, а призма лишь разделяет их, и привели его кустановлению взаимно однозначного соответствия между степеньюпреломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломленияДекарта: показатели преломления действительно постоянны для двухзаданных сред при любых углах падения, но меняются только цвета. В другой серии опытов Ньютон разлагает свет с помощью призмы,направляет спектр на экран, в котором проделана узкая щель, инаправляет свет, проходящий через эту щель, на вторую призму, котораяотклоняет его, но уже не разлагает. Эта группа опытов, имеющаяфундаментальное значение для спектроскопии, привела Ньютона к понятиюоднородного света: «Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающуюстепени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться приотражениях и преломлениях». Тем самым с предельной очевидностью было экспериментальноподтверждено предвидение Декарта о природе цветов: тела на которыепадает свет, не производят цветов, и лучи не сами по себе; лучамсвойственна определенная способность возбуждать в нас ощущение того илииного цвета. Следуя многовековой традиции Ньютон насчитывает семьцветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий,фиолетовый), не считая белого и черного. После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов вравной серии изумительных, к синтезу цветов. Некоторые из этих опытовстали классическими и приводятся в учебниках физики. Сюда относится,например, опыт с гребенкой, которая быстро перемещается перед спектром,так что он кажется белым благодаря явлению стойкости изображения,которому Ньютон не дал более точного объяснения, или же опыт с обратным сложением цветов с помощью второй призмы. Все эти свойства открытые Ньютоном свойства света позволили ему датьновое, более полное объяснение радуги истолковать цвета тел какрезультат избирательного поглощения падающего на них света. В первой части второй книги «Оптики», состоящей из четырех частей,описывается теория основополагающих опытов, проведенных сисключительным и ставших классическими. Эта часть работы представляетсобой истинный шедевр экспериментального искусства. Здесь Ньютонвозобновляет исследование цветов тонких слоев, начатое еще Гуком, но вто же время как Гук исследовал слои постоянной толщины, которуюбезуспешно пытался непосредственно измерить, Ньютон воспользовалсясчастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывноизменяющейся толщиной. Применявшееся Ньютоном классическое устройствообщеизвестно: плосковыпуклая линза с очень малой кривизной, опирающаясясвоей плоской стороной на другую линзу, двояковыпуклую. При падении наповерхность линзы белого света Ньютон, как до него Бойль, а после него,все студенты, обучающиеся физике, наблюдая отражение света, т.е. глядяс той же стороны, откуда падает свет, видел темное пятно,соответствующее точке соприкосновения двух линз, окруженноепоследовательностью чередующихся светлых и темных концентрических колецрадужной окраски. Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете, но имонохроматическом. Качественно явление носило такой же характер, но вто время как в белом свете видны были лишь восемь или девять колец, вмонохроматическом свете было видно их несколько десятков. Это явлениепредставлялось значительно более эффектным, если кольца, полученные вбелом свете, рассматривать через призму: в этом случае каждое радужноекольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цвета,смещенных относительно друг друга. Многочисленные опыты с этим явлением и точные измерения позволилиНьютону открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и понастоящее время: радиусы колец (светлых и темных) растутпропорционально квадратному корню из их порядкового номера, так чторадиус четвертого кольца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиусдевятого кольца – втрое больше; кольца расположены тем ближе, чембольше степень преломляемости света, т.е. радиусы колец одного и тогоже порядкового номера регулярно уменьшаются при переходе от красногоцвета к фиолетовому; темные кольца образуются всегда при толщинахслоев, кратных некоторому наименьшему значению, зависящему от цвета;толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины,соответствующей фиолетовым кольцам того же порядка; кольца сближаются,если пространство между обеими линзами заполняется водой. Весь этот комплекс количественных экспериментальных результатов немог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли оналичии некоторой периодичности, характерной для каждого цвета. ПоэтомуНьютон был вынужден дать хотя бы формальные объяснение этойпериодичности. С этой целью он прежде всего замечает, что материюследует считать весьма «пористой», т.е. состоящей из отдельныхкрупинок, погруженных в пустое пространство, подобно тому как тумансостоит из капелек воды, окруженных воздухом. Отсюда следует, чтоотражение света не может быть обусловлено упругим ударом частиц света овещество, и, согласно Ньютону, многие оптические явления подтверждаютэту точку зрения. Как же тогда объяснить отражение? «Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющуюповерхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние,которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы ирасполагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению черезближайшую преломляющую поверхность, а между возвращениями – к легкомуотражению». Определив «приступы» отражения или преломления как периодическоевозвращение предрасположения луча к отражению или преломлению, апериоды приступов как промежутки времени между двумя последовательнымиприступами, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет,попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, ачастично преломляется: «Свет находится в состоянии приступов легкого отражения и легкогопреломления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получилтакие приступы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя ихво время своего пути». Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету, присущи емус самого момента его излучения или же они являются приобретеннымсвойством, т.е. приобретаются в момент прохождения света через тела?Ньютон считает свойства света то внутренними, то приобретенными, взависимости от того, что более удобно. Ньютон чувствовалпротиворечивость и затруднительность своей позиции, но настаивал натом, что не выдвигает никаких гипотез и что приступы – это простоконстатация факта, какова бы ни была их природа. Тут же он добавляет,правда, что те, кто любит строить гипотезы картезианского типа, могутпредставить себе, что, так же как камни падая в воду, вызывают в нейопределенное колебательное движение, так и световые корпускулы,ударяясь об отражающие поверхности, возбуждают колебания,распространяющиеся быстрее самих частиц света и потому обгоняющие их;эти волны, действуя на корпускулы определяют и обусловливают приступылегкого отражения. Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать: «Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той илииной причине попеременно располагаются к отражению или преломлению вомногих чередованиях». Несмотря на противоречия, неясности и поправки, теория приступовявляется весьма глубоким представлением, которое теперь, в светеволновой механики, может быть лучше понятно и точнее оценено. РАБОТЫ ГЮЙГЕНСА. ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. Фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в «Оптику» оказалибольшое влияние на современников. Мышление Гюйгенса находится подвоздействием этих работ. Действительно, будучи приверженцем теориицветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальнойстороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел квыводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-затрудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либофизического механизма». Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматриватьвопроса о цветах в своем трактате. Эта небольшая работа, занимающая лишь 77 страниц в его полномсобрании сочинений, состоит из шести глав. В первой рассматриваетсяпрямолинейное распространение света, во второй отражение, в третьей –преломление, в четвертой – атмосферная рефракция, в пятой – двойноелучепреломление и в шестой – формы линз. Работа начинается с критики предшествующих теорий Декарта и Ньютона.Если свет состоит из корпускул, то как же он может распространятьсяпрямолинейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть,чтобы два пересекающихся пучка лучей, т.е. два потока частиц, невозмущали друг друга путем взаимных соударений? Но достаточновспомнить, что свет возникает от огня и пламени, т.е. от тел,находящихся в очень быстром движении; что свет, сконцентрированныйзеркалом, способен сжигать предметы, т.е. разъединять их части, «чтослужит убедительным признаком движений, по крайней мере для истиннойфилософии»; что зрительное ощущение возникает при возбуждении окончаниязрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или несколькодвижений могут накладываться, не возмущая друг друга; чтораспространение звука происходит путем движения. Достаточно, говоритГюйгенс, учесть все эти факты, чтобы прийти к безусловному выводу: «Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-товещества». Но в какой же среде распространяется свет? Еще раз установивпараллель между звуком и светом, Гюйгенс замечает, что этой средой неможет служить воздух, поскольку опыты с пневматической машинойпоказали, что свет в отличие от звука распространяется и в пустоте, ипостулирует существование некоторой эфирной материи, которая заполняетвсю Вселенную, проникает во все тела, чрезвычайно разрежена, так чтоона не проявляет никаких свойств тяжести, но очень жесткая и упругая.Как видно, Декарт нашел достойного последователя! Приняв существование такого вещества, Гюйгенс рассматривает механизмраспространения движения. Он начинает с примера пламени. Каждая точкапламени сообщает движение частицам окружающего эфира, т.е. создает своюсобственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна,становится в свою очередь центром другой, меньшей волны. Таким образом,это движение распространяется от частицы к частице через посредствовторичных сферических волн, подобно тому, как распространяется пожар.Может показаться странным и почти невероятным, что волнообразноедвижение, вызываемое столь малыми движениями и частицами, способнораспространяться на такие огромные расстояния, как отделяющие нас отзвезд. На это Гюйгенс отвечает: «Но это число перестает быть удивительным, если принять во внимание,что бесконечное число волн, исходящих правда, из различных точексвятящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашегоощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладатьдостаточной силой, чтобы быть воспринятой». Это и есть принцип построения огибающей волны, сделавшей бессмертнымимя Гюйгенса. Он поясняет его рисунком, какой можно увидеть чуть ли нев каждом современном учебнике физики. Ясно, что при таком пониманииисчезает световой луч древних греков, исчезает и луч света Ньютона.Лейбниц сразу понял значение концепции и писал Гюйгенсу 22 июня 1964года: «Безусловно, господин Гук никогда бы не пришел к объяснению законовпреломления с помощью построенной им картины волновых движений. Всясуть в том, каким образом вы рассматриваете каждую точку луча какизлучающую и складываете основную волну со всеми вспомогательнымиволнами» К сожалению, при новом подходе исчезает и непосредственноеинтуитивное представление о прямолинейном распространении света.Гюйгенс выдвигает объяснение, утверждая, что за препятствиемраспространяющиеся там элементарные волны не имеют огибающей и потомуостаются незаметными, и делает вывод: «В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии». Однако это утверждение остается голословным, так что его можно сравным правом принять или отвергнуть. Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения светаГюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизмачастичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения –явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию,нагромождая одну теорию на другую. По существу эти объяснения Гюйгенсаи сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также темпреимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии создравым смыслом требовала меньшей скорости в боле плотной среде. РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ВОЛНОВУЮ ПРИРОДУ СВЕТА . РАБОТЫ ФРЕНЕЛЯ. Молодой дорожный инженер Огюстен Френель (1788-1827),присоединившийся волонтером к роялистским войскам, которые должны былипреградить дорогу Наполеону во время его возвращения с острова Эльба, впериод Ста дней был уволен со службы и вынужден был удалиться в Матье,близ Каэне, посвятил себя исследованию дифракции, имея в своемраспоряжении лишь случайное и примитивное экспериментальноеоборудование. Два мемуара, представленных им 15 октября 1815 г.Парижской Академии наук, были первым результатом этих трудов. Френельбыл приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благоприятныхусловиях. Френель начал исследовать тени, отбрасываемые небольшимипрепятствиями на пути лучей, и обнаружил образование полос не толькоснаружи, но и внутри тени, что до него уже наблюдал Гримальди и о чемумолчал Ньютон. Исследование тени, образуемой тонкой проволокой,привело Френеля к вторичному открытию принципа интерференции. Егопоразило, что, если край экрана был расположен вдоль одной стороныпроволоки, внутренние полосы исчезали. Итак, подумал он сразу, разпрерывание света от одного из краев проволоки приводит к исчезновениювнутренних полос, значит для их образования необходимо совместноедействие лучей, приходящих с обеих сторон проволоки. «Внутренние каемки не могут образовываться от простого смешения этихлучей, потому что каждая сторона проволоки в отдельности направляеттень только на непрерывный поток света; следовательно, каемкиобразуются в результате перекрещивания этих лучей. Этот вывод, которыйпредставляет собой, так сказать, перевод явления на понятный язык,полностью противоречит гипотезе Ньютона и подтверждает теориюколебаний. Легко можно догадаться, что колебания двух лучей, которыескрещиваются под очень малым углом, могут действовать в противоположныестороны в тех случаях, когда узлы одних волн соответствуют пучностямдругих». В Париже Френель узнал об опытах Юнга с двумя отверстиями, которыепо его мнению, были вполне подходящими для иллюстрации волновойприроды света. Тем не менее, для исключения всякой возможностиистолкования этого явления как действия краев отверстий Френельпридумал известный «опыт с двумя зеркалами», о котором он сообщает в1816г., а затем в 1819 г. «опыт с бипризмой», ставший с тех порклассическим методом демонстрации принципа интерференции. Взяв на вооружение принцип интерференции, волновая теориярасполагала теперь тремя принципами: принципом элементарных волн,принципом огибающей и принципом интерференции. Это были три отдельныхпринципа, которые Френель гениально решил слить воедино. Таким образом,для Френеля огибающая волн не просто геометрическое понятие, как дляГюйгенса. В произвольной точке волны полный эффект представляет собойалгебраическую сумму импульсов, создаваемых каждой элементарной волной;полная сумма всех этих импульсов, складывающихся согласно принципуинтерференции, может быть, в частности равна нулю. Френель произвелтакой расчет, хотя и не вполне строгим способом, и пришел к выводу, чтовлияние сферической волны во внешней точке сводится к влияниюнебольшого сегмента волны, центр которой находится на линии,соединяющей источник света с освещенной точкой; остальная часть волныдает в сумме нулевой эффект в рассматриваемой точке. Тем самым было определено препятствие, стоявшее в течение веков напути утверждения волновой теории – согласование прямолинейногораспространения света с его волновым механизмом. Каждая точка вне волныполучает свет лишь от очень небольшой ее области, прилегающей к точке,ближайшей к рассматриваемой; все происходит так, как если бы светраспространялся по прямой линии от источника к освещенной точке.Действительно, волны должны огибать препятствия, но это утверждение неследует понимать грубо качественно, поскольку отклонение волны запрепятствием зависит от длины волны. Зная длину волны, можнорассчитать, как и насколько отклонится свет за препятствием.Рассматривая явление дифракции, Френель произвел такой расчет, и егорезультаты прекрасно совпали с экспериментальными данными. После нескольких лет перерыва в исследованиях Френель вновь излагаетсвою теорию в обширном мемуаре о дифракции, представленном в 1818 г. наконкурс Парижской Академии наук. Этот мемуар рассматривался комиссией,состоявшей из Лапласа, Био, Пуассона, Араго и Гей-Люссака. Трое первыхбыли убежденные ньютонианцы, Араго был настроен в пользу Френеля, а Гей-Люссак, по существу, не был компетентен в рассматриваемом вопросе, нобыл известен своей честностью. Пуассон заметил, что из теории Френеляможно вывести следствия, находящиеся как будто в явном противоречии создравым смыслом, поскольку из расчета следует, что в центрегеометрической тени непрозрачного диска надлежащих размеров должнонаблюдаться светлое пятно, а в центре конической проекции небольшогокруглого отверстия на определенном расстоянии легко вычисляемомрасстоянии должно наблюдаться темное пятно. Комиссия предложила Френелюдоказать экспериментально выводы из его теории, и Френель блестяще этовыполнил, доказав, что «здравый смысл» в этом случае ошибается. Послеэтого по единодушному предложению комиссии Академия наук присудила емупремию, а в 1823 г. он был избран ее членом. После установления теории дифракции Френель перешел к исследованиюявления поляризации. Корпускулярная теория вынужденная дляинтерпретации многочисленных явлений, открытых в первое пятнадцатилетиеXIX века, вводить одну за другой различные гипотезы, совершеннонеобоснованные и порой противоречивые, к этому времени невообразимоусложнилась. В своем опыте с двумя зеркалами, расположенными под углом,Френель получил с помощью одного источника света два мнимых источника,всегда строго когерентных. Он попытался также видоизменить этот прибор,используя два луча, получающихся при двойном лучепреломлении одноголуча, и компенсируя надлежащим образом разносить оптических путей обоихлучей. Однако ему никак не удавалось добиться интерференции этихполяризованных лучей. Тот факт, что луч, поляризованный при отражении, обладает двумяплоскостями симметрии, ортогональными друг другу и проходящими черезлуч, мог натолкнуть на мысль о том, что колебания эфира происходят вэтих плоскостях перпендикулярно направлению луча. Эта идея былавысказана Френелю Ампером еще в 1815 г., но Френель не воспользовалсяею. Юнгу, едва лишь он узнал об опытах Френеля и Араго с поляризованнымсветом, тоже пришла мысль о поперечных колебаниях, однако то ли из-занеуверенности, то ли благоразумия он говорил об этом как о«воображаемом поперечном движении», т.е. как о понятии чистофантастическом, - столь бессмысленными с механической точки зренияпредставлялись ученым того времени поперечные колебания эфира. После того как в течение многих лет Френель пользовался языкомтеории продольных колебаний, в 1821 году он, не найдя другого путиинтерпретации поляризованных явлений, решился принять теориюпоперечности колебаний. В том же году он пишет: «Лишь несколько месяцев тому назад, размышляя с большим вниманием поэтому поводу, я признал весьма вероятным, что колебательные движениясветовых волн осуществляются только в плоскости волн, как для простого,так и для поляризованного света… Я постараюсь показать, что гипотеза,которую я представляю, не содержит ничего физически невозможного и чтоона уже не может служить для объяснения основных свойствполяризованного света». То, что эта гипотеза может объяснить основные свойстваполяризованного света, было детально показано Френелем; что же касаетсятого, что в этой гипотезе нет ничего физически невозможного, - это ужесовсем другое дело. Из поперечности колебаний следовало, что эфир,будучи тончайшим и невесомым флюидом, должен одновременно бытьнаитвердейшим телом, тверже стали, ибо только твердые передаютпоперечные колебания. Эта гипотеза представлялась исключительно смелой,почти безумной. Араго, физик явно не склонный к предрассудкам, тотсамый Араго, который был другом, защитником Френеля во всех случаях, ненашел возможным разделить ответственность за эту странную гипотезу иотказался подписать представленную Френелем статью. Таким образом, с 1821 г. Френель продолжал свой путь в одиночку, иэто был путь, полный побед. Гипотеза о поперечности колебаний позволилаему построить свою механическую модель света. Основой ее является эфир,заполняющий всю Вселенную и пронизывающий все тела, причем эти телавызывают изменение механических характеристик эфира. Из-за этихизменений, когда упругая волна переходит из свободного эфира в эфир,содержащийся в веществе, на поверхности раздела часть волныповорачивает обратно, а часть проникает в вещество. Тем самым было даномеханическое объяснение явления частичного отражения, остававшегося втечение нескольких веков тайной для физиков. Выведенные Френелемформулы, носящие теперь его имя, сохранили свой вид до наших дней.Скорость распространения колебаний в среде зависит от длины волны, апри заданной длине волны тем меньше, чем более преломляющей являетсясреда. Отсюда вытекают как следствие преломление света и его дисперсия.В изотропных средах волны имеют сферическую форму с центром в точечномисточнике излучения; в анизотропных средах форма волны описывается,вообще говоря, поверхностью четвертого порядка. В теории Френеля всесложнейшие явления поляризации интерпретируются в удивительном согласиис экспериментальными данными и предстают как частные случаи общегозакона сложения и разложения скоростей. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА. РАБОТЫ ФАРАДЕЯ И МАКСВЕЛЛА. То, что все физические явления представляют собой лишь различныепроявления одной и той же сущности, или идея «единства физических сил»,было основной философской предпосылкой физики прошлого века.Систематическое применение этого принципа мы постоянно находим вработах одного из самых проницательных исследователей всех времен –Майкла Фарадея (1791-1867). Какова связь между электричеством имагнетизмом? Можно ли превратить одно в другое? Другие физики тоже ставили перед собой эту проблему, котораясоответствовала общей тенденции науки того времени, тяготевшей кунифицирующим теориям. Еще в 1812 г. Доменико Морикили (1773-1836) и в1826 г. Гюнтер Кристи ошибочно считали, что им удалось добитьсянамагничивания под воздействием света. Но Фарадея убедили не опытыМорикини, который продемонстрировал их специально в 1814 г. в Риме,когда Фарадей, сопровождая Дэви, путешествовал по Италии. Большоевлияние на него оказали идеи Джона Гершеля, который в отклонениимагнитной стрелки под действием тока видел спиралевидную симметрию,аналогичную вращению плоскости поляризации светового луча при егопрохождении через некоторые тела. Однако проведенные Фарадеем в 1834 г.и повторенные в 1838 г. опыты с целью обнаружения действияэлектрического поля на свет не дали желаемого результата. Оставив этипопытки электрооптических исследований, Фарадей в 1845 г. приступил кмагнитооптическим опытам. После первых неудач, которые его, однако, необескуражили, он обнаружил новое явление. Параллелепипед из тяжелогостекла (фингласа) был помещен между полюсами электромагнита и черезнего пропускался поляризованный луч света параллельно силовым линиямиполя. При возбуждении электромагнита плоскость поляризации светаповорачивалась. Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г. в девятнадцатойсерии своих «Экспериментальных исследований по электричеству»,озаглавленной «Намагничивание света и освещение магнитных силовыхлиний». Еще до появления в печати этой статьи ее заглавие было многимираскритиковано, особенно из-за выражения «освещение магнитных силовыхлиний». Поэтому уже в корректуре Фарадей добавил примечание, чтобыпояснить и оправдать это выражение: «Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, светиспытал на магнитное действие , то есть что магнитному действиюподвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее всвою очередь воздействовало на то, что является подлинно магнитным всиле света» Иначе говоря, Фарадей считал, что в свете присутствует некиймагнетизм. Эти слова тогда, в 1845 г., казались физикам еще болеенепонятными, чем то выражение, которое они должны были пояснить, ибо потеории Френеля, которая тогда глубоко укоренилась, свет не имел ничегообщего с магнетизмом. Максвелл придерживался взглядов Фарадея относительно природы света. «В различных местах этого трактата, - пишет Максвелл, приступая в ХХглаве четвертой части своего «трактата о электричестве и магнетизме» кизложению электромагнитной теории света, - делалась попытка объясненияэлектромагнитных явлений при помощи механического действия,передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающейпространство между этими телами. Волновая теория света также допускаетсуществование какой-то среды. Мы должны теперь показать, что свойстваэлектромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды… Мы можем получить численное значение некоторых свойств среды,таких, как скорость, с которой возмущение распространяется через нее,которая может быть вычислена из электромагнитных опытов, а такженаблюдена непосредственно в случае света. Если бы было найдено, чтоскорость распространения электромагнитных возмущений такова же, как искорость света, не только в воздухе, но и в других прозрачных средах,мы получили бы серьезное основание для того, чтобы считать светэлектромагнитным явлением, и тогда сочетание оптической иэлектромагнитной очевидности даст такое же доказательство реальностисреды, какое мы получаем в случае других форм материи на основаниисовокупности свидетельств наших органов чувств». Максвелл исходит из своих уравнений и после ряда преобразованийприходит к выводу, что в пустоте поперечные токи смещенияраспространяются с той же скоростью, что и свет, что и «представляетсобой подтверждение электромагнитной теории света», - увереннозаявляет Максвелл. Затем Максвелл изучает более детально свойстваэлектромагнитных возмущений и приходит к выводам, сегодня уже хорошоизвестным: колеблющийся электрический заряд создает переменноеэлектрическое поле, неразрывно связанное с переменным магнитным полем.Уравнения Максвелла позволяют проследить изменения поля во времени влюбой точке пространства возникают электрические и магнитные колебания,т.е. интенсивность электрического и магнитного полей периодическиизменяется; эти поля неотделимы друг от друга и поляризованы взаимноперпендикулярно. Эти колебания распространяются в пространстве сопределенной скоростью и образуют поперечную электромагнитную волну:электрические и магнитные колебания в каждой точке происходятперпендикулярно направлению распространения волны. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА. В 1884 г. Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистентГельмгольца, приступил к изучению теории Максвелла. В 1887 г. онповторил опыты Гельмгольца с двумя индукционными катушками. Посленескольких попыток ему удалось поставить свои классические опыты,хорошо известные сейчас. С помощью «генератора» и «резонатора» Герцэкспериментально доказал (способом, который сегодня описывают во всехучебниках), что колебательный разряд вызывает в пространстве волны,состоящие из двух колебаний – электрического и магнитного,поляризованных перпендикулярно друг другу. Герц установил такжеотражение преломление и интерференцию этих волн, показав, что все опытыполностью объяснимы теорией Максвелла. По пути, открытому Герцем, устремились многие экспериментаторы, ноим не удалось многого прибавить у уяснению сходства световых иэлектрических волны, которую брал Герц (около 66 см.), онинаталкивались на явления дифракции, затемнявшие все другие эффекты.Чтобы избежать этого, нужны были установки таких больших размеров,которые практически в те времена были нереализуемы. Большой шаг впередсделал Аугусто Риги (1850-1920), которому с помощью созданного имнового типа генератора удалось возбудить волны длиной несколькосантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см.). Такимобразом, Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощьюприспособлений, которые в основном являются аналогами соответствующихоптических приборов. В частности, Риги первому удалось получить двойноепреломление электромагнитных волн. Работы Риги начатые в 1893 г. ивремя от времени описывавшиеся им в заметках и статьях, публиковавшихсяв научных журналах, были затем объединены и дополнены в теперь ужеставшей классической книге «Оптика электрических колебаний», вышедшей в1897 г., одно лишь название которой выражает содержание целой эпохи вистории физики. В 1891 г. русский ученый П.Н. Лебедев начал работать в Московскомуниверситете в должности лаборанта. Но у Петра Николаевича был ужебольшой план научной работы. Основные физические идеи этого плана были напечатаны П.Н. Лебедевымв Москве, в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающихтел». Начиналась она словами: «Максвелл показал, что световой илитепловой луч, падая на поглощающее тело, производит на него давление внаправлении падения…» Исследование светового давления стало делом всей,к сожалению короткой, жизни П.Н. Лебедева: последняя незаконченнаяработа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлениюсвета. Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равноплотности энергии электромагнитного поля. (При полном отражениидавление будет в два раза больше.) Экспериментальная проверка этогоположения представляла большую трудность. Во-первых, давление оченьмало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, неговоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку– систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это быликрутильные весы с невиданной до тех пор точностью. Во-вторых, серьезнойпомехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкиедиски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещеннойстороны будет больше, чем температура теневой. Возникает дополнительнаяотдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но вомного раз превосходящая его. Кроме того, при наличии разноститемператур возникаю конвекционные потоки газа. Все это надо былоустранить. П.Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшегоэкспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышкиподвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстромувыравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена внаивысший достижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.).П.Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне,где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегкаподогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. Апосле этого температура в баллоне понижалась и давление оставшихсяртутных паров резко уменьшалось (ртутные пары, как говорят,замораживались). Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение одавление света было сделано Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытахон рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков , а в1901 г. в немецком журнале «Анналы физики» была напечатана его работа«Опытное исследование светового давления». Работа получила высочайшуюоценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждениемтеории Максвелла. В. Томсон, например, узнав о результатах опытовЛебедева, в беседе с К.А, Тимирязевым сказал: «Вы, может быть, знаете,что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая светового давления, ивот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами». Ф. Пашенписал Лебедеву: «Я считаю Ваш результат одним из важнейших достиженийфизики за последние годы». К впечатляющим словам этих физиков можно добавить еще то, чтодоказательство существования светового давления имело огромноефилософское и мировоззренческое значение. Ведь из факта существованиядавления электромагнитных волн следовал очень важный вывод о том, чтоони обладают механическим импульсом, а значит, и массой. Итак,электромагнитное поле обладает импульсом и массой, т.е. ономатериально, значит, материя существует не только в форме вещества, нои в форме поля. ПОЛЯРИЗАЦИЯ. В свободно распространяющихся электромагнитных волнах происходят какэлектрические, так и магнитные колебания. Колебания всегда направленыстрого перпендикулярно лучу, указывающему направление распространенияволны. В свою очередь векторы электрического и магнитного полейперпендикулярны друг другу. Таким образом, электромагнитные волныявляются волнами поперечными. Во всех случаях первоначальноенаправление колебаний сохраняется неизменным для всего цуга волн.Образно выражаясь, электрическая компонента волны как бы «прибита» кстенке, которая перемещается в пространстве параллельно самой себе соскоростью света. Ввиду наличия строго определенного и неизменногонаправления колебаний такие волны называют линейно поляризованными.Однако говорить о поляризации имеет смысл лишь в случае поперечныхволн. Например, в воздушных звуковых волнах, где частицы движутся лишьвдоль направления распространения, возможно лишь одно-единственноенаправление колебаний. Сегодня ясен механизм возникновения поперечных волн и связанное сним явление поляризации, но раньше все это представляло очень серьезнуюпроблему. Особенно долго ученые ломали голову над явлением поляризациисвета, и только открытия Максвелла и Герца дали ему соответствующееобъяснение. Причина заложена в природе любого реального источникасвета. Начиная с Солнца и заканчивая современными ртутными лампамивысокого давления, все без исключения источники света содержатбесчисленное множество совершенно беспорядочно колеблющихся друготносительно друга атомов. Согласно изложенной выше теории, свет,излучаемый каждым отдельным атомом, строго поляризован. Однако в целомнаправления векторов поляризации света от всех атомов определяетсячисто случайными причинами и потому не имеют выделенной ориентации впространстве. В плоскости, перпендикулярной лучу, они образуют друг сдругом всевозможные углы. Таким образом, луч можно уподобить нити ,состоящей из множества свитых волнистых волокон. Если мы хотим поляризовать световой луч, мы должны внести порядок вэтот хаос. Для нити с этой целью можно было бы использовать гребень;для доказательства наличия поляризации исследуемых им волн Генрих Герциспользовал решетку из параллельных проволочек. Если, как это теперьобщепринято, под направлением поляризации понимать направлениеколебаний именно электрического вектора волны, то волна лишь тогдапройдет сквозь решетку, если колебания происходят перпендикулярнопроволочкам; в противном случае волна отразится. В настоящее время для исследования света применяется преимущественнополяризованные фильтры. По строению составляющих их молекул онипринадлежат к группе так называемых веществ с двойным лучепреломлением(к их числу относятся, например, естественные кристаллы исландскогошпата, кварца и др.). принцип действия этих фильтров основан на том,что произвольно ориентированный вектор колебаний в световой волне можноразложить на две взаимно перпендикулярные компоненты. Вдвоякопреломляющем кристалле каждая из двух взаимно перпендикулярныхкомпонент имеет свой показатель преломления, а следовательно, и своюскорость распространения. В некоторых веществах (в частности, в ужеупоминавшихся фильтрах) одна из компонент полностью поглощается ипропускается лишь вторая, которая оказывается таким образомполяризованной в строго определенном направлении. При входе в кристалл оба компоненты находятся в одинаковой фазе,однако по мере продвижения по кристаллу они все более сдвигаютсяотносительно друг друга. Выйдя с противоположной стороны кристалла,волны снова приобретают прежнюю дину, соответствующую воздуху, однаковозникший сдвиг фаз сохраняется. Таким образом, совершенно незаметнодля человеческого глаза свет внутри кристалла существенно изменяется. В любой точке луча две взаимно перпендикулярные компоненты даютрезультирующую. Несмотря на такое серьезное отличие от обычного света, циркулярнополяризованный свет при прохождении через кристалл не обнаруживаетникаких особенностей. Вектор электрической напряженности вращается счастотой света, то есть с такой скоростью, что заметить это вращениепростым глазом невозможно. 10. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. Несмотря на блестящие успехи электродинамики Максвелла- Герца, вконце прошлого столетия оставалась неразрешенной еще одна проблема.Речь идет об излучении, испускаемом нагретым телом, - мы можемнаблюдать его, например находясь возле горячей печи или раскаленногокуска железа не останавливаясь на частностях, связанных со свойствамиматериалов, рассмотрим тепловое излучение черного тела. Под этимтермином понимают тело, полностью поглощающее все длины волн падающегона него излучения. Однако черное тело обладает также способностью ксамостоятельному излучению. Как и любое другое тело (и даже в большейстепени), оно испускает в окружающее пространство непрерывный спектрволн, определяемый температурой тела. Абсолютно черное тело обладаеттакже наибольшей по сравнению со всеми другими телами излучательнойспособностью. Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от еготемпературы. Однако, не останавливаясь на этом, мы поставим следующийвопрос: каким образом при данной температуре распределяетсяинтенсивность излучения черного тела между волнами различной длины? Этоможно исследовать с помощью спектрального прибора, который разлагаетизлучение на отдельные линии. Излучение в каждой узкой области спектранаправляют на чувствительный приемник и измеряют его интенсивность.Оказывается, что каждая область длин волн характеризуется определеннойинтенсивностью, причем для каждой температуры наблюдается свое особоераспределение. Графически оно выглядит как колоколообразнаяасимметричная кривая и напоминает картину распределения молекул газа поскоростям. Сходство между кривыми столь велико, что следует ожидатьаналогии и в формулах, описывающих эти кривые. К этой мысли пришли два английских ученых – Джон В. Рэлей (1842-1919) и Джеймс Джинс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубической формыс «зеркальными» внутренними стенками, в который через отверстиевпускается небольшое количество лучистой энергии любой длины волны.Внутри ящика это излучение начинает «метаться», отражаясь то от однойстенки; при этом возникают стоячие электромагнитные волны. С помощьюдополнительного «хитрого трюка» подобный мысленный эксперимент можносделать очень интересным, если поместить в ящик Джинса небольшойкусочек угля, который практически является абсолютно черным телом ипоэтому жадно поглощает падающее на него излучение, а затем,нагреваясь, излучает сам. Излучение этого уголька состоит из волнразличной длины; в конце концов устанавливается равновесие междуволнами, допустимыми в кубическом ящике, и излучением черного тела,моделируемого кусочком угля. Какие же длины волн могут «существовать» в ящике? Какую энергию онинесут? Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию, приходящуюся наопределенный интервал частот, они получили неожиданный результат:плотность энергии излучения полости должна возрастать пропорциональноквадрату частоты. Но в этом случае заключенная в ящике Джинса энергиядолжна была бы почти полностью сосредоточиться в коротковолновой частиспектра. Тогда любая комнатная печь, которая с физической точки зрениядостаточно точно моделируется ящиком Джинса, была бы накопителемсмертоносного коротковолнового излучения. Мимолетного взгляда вприоткрытую дверцу печи было бы достаточно, чтобы излишнелюбознательный отправился бы к праотцам: он попал бы под действиеопасных для жизини ультрафиолетовых, рентгеновских и ?- лучей.Разумеется, подобный этому вывод резко противоречит всему жизненномуопыту. Он и по сей день носит название «ультрафиолетовой катастрофы» ислужит напоминанием о фиаско, которое потерпела наука, признававшаясявсеми физиками того времени совершенно непоколебимой. Но вот положение изменилось: это произошло после того достопамятногодня 14 декабря 1900 г., когда Макс Планк выступил на собрании Немецкогообщества выдвинул совершенно новую идею. Он рассматривал внутренниестенки излучающей полости как содержащие бесчисленное множествокрошечных «осцилляторов», которые действуют как источники излучения.Однако в отличие, например, от колеблющегося маятника, который можетиметь любые возможные значения энергии, подобный элементарныйосциллятор может обладать лишь энергией, строго равной целому числуквантов; если число квантов энергии равно нулю, осциллятор покоится. Каждый квант представляет собой, таким образом, как бы элементарныйпакет, дающий строго определенный вклад в энергию. Энергия квантов излучения, введенных Планком, зависит только отодной величины – частоты осциллятора (точнее, частоты испускаемого имизлучения). Вычислить ее можно по простой формуле E=hfГде под h понимается введенная Планком постоянная (квант действия),равная h=6,626 х 10^-34 Вт х с^2. Постоянная Планка относится к числу фундаментальных физическихконстант. На основе своей гипотезы Планку удалось вынести искомуюфункцию распределения, столь долго «не дававшуюся в руки». Если,согласно закону Рэлея – Джинса, интенсивность излучения с ростомчастоты неограниченно возрастает, то кривая, полученная Планком подостижении максимума, загибается вниз, принимая, таким образом,колоколообразную форму, точно совпадающую с экспериментальной кривой. Если бы успех новой идеи сводился только к этому, вряд ли стоило быпридавать ей особое значение. Она была бы гипотезой, предложеннойтолько для объяснения одного явления. Но гипотеза квантов все жепривела к единственно правильному решению очень важной проблемы и сразупопала в «горячую точку» дискуссий. Однако никто уже не удивился, когдана смену этой идеи пришла новая, более общая. Для окончательного решения проблемы необходимо было получить прямоедоказательство существования квантов и установить численное значениепостоянной Планка другими методами. В 1905 г. Эйнштейн опубликовал своитри знаменитые работы; одна из них относилась к внешнемуфотоэлектрическому эффекту (кратко – фотоэффект) – явлению, которое емуудалось убедительно объяснить на основе гипотезы квантов. Работа, необходимая для удаления электрона из атома калия, без трудаопределяется из экспериментов другого типа; она равна 2,24 эВ, или 3,6х 10^19 Вт х с. однако на поперечное сечение атома приходятсяежесекундно всего лишь две миллионных необходимой энергии! Для тогочтобы приобрести достаточную энергию, атом должен был бы накапливать еев течение полумиллиона секунд. Таким образом, должно миновать шестьдней, прежде чем фотоэлемент «выдаст» первые электроны, и весьмасомнительно, чтобы при таких условиях вообще удалось открытьфотоэффект. Как же объяснить, что в действительности фотоэффект наблюдаетсяспустя не более 10^-7с после действия облучения? Если человекзарабатывает 200 марок в месяц и в один прекрасный день выкладывает наприлавок 8000 марок на покупку автомашины, то здесь все более или менееясно. Он мог копить эту сумму в течение долгих месяцев или одолжить ееу щедрого дядюшки. Обе возможности не так просто вообразить себе, еслиречь идет об атомах. Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том, чтоволновая теория в этом случае «отказывает». Ее следует заменитьквантовой теорией. Энергия излучения распространяется не непрерывнымпотоком, а отдельными дискретными порциями. Подобно каплям града,бомбардируют они атом калия. Если такая частица попадает точно в атом иесли она обладает достаточной энергией, то из атома выбиваетсяэлектрон. Энергию такой частицы легко подсчитать с помощью соотношенияE = hf. Для зеленого света с длиной волны 540 нм Е= 3,68 х 10^19 Вт хс, или 2 эВ. Остается даже небольшой избыток энергии, которыйэмиттированный электрон уносит с собой в виде кинетической энергии. Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объясненияхарактерного для абсолютного черного тела распределения излучения. Онбыл достаточно осторожен и не стремился распространить ее на другиеявления. ФОТОНЫ Именно Эйнштейн впервые высказал мысль о том, что световоеизлучение всегда имеет квантовую структуру; он впервые применил терминфотоны. На съезде физиков в 1909 г. Эйнштейн выразил существо своейтеории в следующих словах: «И все же пока мне представляетсяестественным, что электромагнитные поля света так же возникают вотдельных точках пространства, как и электростатические поля, согласноэлектронной теории. Не исключено, что в подобной теории полная энергияэлектромагнитного поля может рассматриваться как всецело локализованнаяв этих дискретных точках». Как показывает уравнение E=hf, существуют не фотоны вообще, а высоко- и низкоэнергетические фотоны – соответственно частоте света. И толькоодно невозможно: существование половины (или какой-либо другой дробнойчасти) фотона. Каждый фотон представляет собой единое и неделимоецелое. Становится понятным еще одно явление, необъяснимое на основеволновой теории. Если частота излучения меньше определенного пороговогозначения, энергия фотона оказывается недостаточной для ионизации атома.Произойдет фотоэффект или нет, зависит лишь от частоты отельногофотона, но совершенно не зависит от числа световых квантов. Кванты света относятся к бозонам (подчиняются статистике Бозе);отличительной чертой этой группы частиц являются целочисленные значенияих спина, он равен ± 1 (h/2?). Это свойство привело Ферми к мысли, чтостатистика Бозе не распространяется на электронный газ. Наш глаз не в состоянии заметить ни малейшего признака какой-либовыделенной ориентации спина (или поляризации) в естественном свете. Если в обычном свете все спины ориентированы хаотически, то вциркулярно поляризованном свете они имеют некоторое выделенноенаправление. Пусть такой циркулярно поляризованный свет падает на атомметалла, тогда происходит тот же самый фотоэлектрический эффект. Этоозначает, что спин кванта никак не связан с его энергией. Что жепроисходит со спином, когда квант света исчезает? На этот вопроснетрудно ответить: согласно закону сохранения момента импульса,орбитальный момент импульса эмиттируемого электрона изменяется на h/2?(например, электрон переходит из состояния 2s в состояние 2p. Приэтом, по-видимому, спин эмиттируемого электрона не изменяется. Однако необходимо учитывать, что орбитальный момент импульса и спинатомных электронов связаны друг с другом. Взаимодействие со спиномполяризованного кванта света приводит к важному результату: большаячасть эмиттируемых электронов имеет преобладающую ориентацию спинавправо или влево в зависимости от длины волны света. Этот эффект былпредсказан в 1969 г. итальянским физиком Фано, а годом позднее онполучил экспериментальное подтверждение. Циркулярно поляризованный свет падает на пары атомов цезия, накоторых происходит фотоэффект. Эмиттированные электроны выводятся водну сторону и ускоряются напряжением в 120 кВ. затем они попадают наанализатор из тонкой золотой фольги, где пучок электронов расщепляетсяна два пучка, которые в зависимости от своей поляризации расходятся вразные стороны. В благоприятном случае поляризация может достигать 100%; это означает, что таким способом можно получить пучок электронов содной ориентацией спина. 14. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Ранее неизменно считали, что как свет, так и весь остальной спектризлучения представляют собой электромагнитные волны.




Похожие:

Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconТемы рефератов Исторические типы цивилизаций Роль науки в современном обществе Функции науки в истории развития общества Предпосылки становления научного знания

Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconВопросы к зачету по дисциплине «Психология» для студентов фия (Лингвистика/озо)
Краткая история становления психологической науки. Этапы развития психологии как науки
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconМинистерство образования и науки российской федерации департамент образования и науки тюменской области гоу впо «тобольский государственный педагогический институт имени д.
Целью Интернет-конференции является обсуждение перспективных направлений развития теоретических и прикладных исследований в свете...
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconРеферат по работе Л. Бызова "Воинская дисциплина с социально-психологической точки зрения"
Зачастую установление таких начальных концепций – дело, по сложности сопоставимое с решением труднейших задач в рамках уже сформировавшейся...
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconТема Предмет, метод и отрасли статистической науки
Общее представление о статистике и вехи ее становления и развития: описательное и математическое направления. «Политические арифметики»...
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconПрограммакурса «судебная статистика» Тема Предмет, метод и отрасли статистической науки
Общее представление о статистике и вехи ее становления и развития: описательное и математическое направления. «Политические арифметики»...
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconЕ. И. Алферова тгспа им. Д. И. Менделеева, г. Тобольск Стратегии формирования ответственности в процессе профессионального становления личности
Стратегии формирования ответственности в процессе профессионального становления личности
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconНациональный исследовательский томский государственный университет высшая школа бизнеса вопросы к вступительному экзамену в магистратуру по направлению 080100 «Экономика»
Основные этапы становления и развития экономической науки. Предмет экономики. Основные функции экономической науки
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Целью освоения дисциплины (модуля) Исторические тенденции возникновения и современного развития криминалистики является формирование...
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Целью освоения дисциплины (модуля) Исторические тенденции возникновения и современного развития криминалистики является формирование...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы