Корпускулярная теория света.

 

Раньше мы уже говорили о том, что по современным представлениям свет – это электромагнитное излучение. Основные закономерности, связанные с отражением и преломлением света, в общих чертах известные ещё в Античности, были исследованы и уточнены в XVII в. Кеплером, Гюйгенсом, Декартом и другими учёными. В середине 60-х гг. XVII в. природой света, иначе говоря оптикой, заинтересовался Исаак Ньютон. Он утверждал в соответствии с атомистическими настроениями своего времени, что свет представляет собой поток мельчайших частиц, которые, двигаясь по прямой линии, образуют лучи – тончайшие составляющие светового излучения. Такое объяснение природы света получило название корпускулярной теории   от принятого тогда названия мельчайшей частицы – корпускула. Отражение и преломление света Ньютон считал результатом «пористости» вещества, о чём говорилось в предыдущем параграфе. Продвигаясь внутри вещества, корпускулы света сталкиваются с частицами вещества и либо меняют направление движения, что объясняет преломление света, либо отскакивают назад, в результате чего происходит его отражение.

 

Волновая теория света.

 

Другой точки зрения придерживался голландский физик, математик, астроном и изобретатель Христиан Гюйгенс (1629–1695). Будучи последователем Гримальди, впервые предположившего, что свет является волной (§ 29), он утверждал, что свет представляет собой не поток движущихся частиц, а распространяющуюся волну. Его объяснение впоследствии получило название волновой теории света.   Главный вопрос заключался в том, что представляет собой среда, в которой распространяются эти волны. Гюйгенс считал, что всё пространство заполнено особой средой – эфиром и что свет представляет собой волны в этом эфире. Вспомните, что говорилось в § 30 о дифракции. Точка, через которую проходит волна, начинает вести себя как самостоятельный источник новой волны. Гюйгенс полагал, что каждая частичка светящегося тела сообщает движение окружающим частичкам окружающего эфира, т. е. создаёт собственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна, становится центром другой волны.

 

Рис. 104. Бензиновая плёнка на поверхности воды

 

Таким образом, движение распространяется от частицы к частице посредством кольцевых волн подобно тому, как распространяется пожар. Это утверждение впоследствии стали называть принципом Гюйгенса.  

Ньютон в силу своего неизменного принципа «не измышлять гипотез» не мог признать существование непонятной эфирной материи, которая проникает во все тела, не проявляет свойств тяжести и к тому же жёсткая и очень упругая. Явление дифракции он объяснял всё тем же «пористым» строением вещества: столкновение частиц света с атомами вследствие многократного отражения вызывает колебательные процессы.

 

Интерференция.

 

Исследования, проводившиеся в XVIII в. и в начале XIX в., всё более подтверждали волновую теорию. В 1807 г. английский врач Томас Юнг (1773–1829) экспериментально установил и теоретически обосновал законы интерференции. Интерференцию света легко наблюдать на тонких прозрачных плёнках. Вероятно, вы замечали, что, если по поверхности лужи разлито немного бензина, на ней можно наблюдать цветные разводы (рис. 104). Они образуются из-за того, что падающий на тонкую плёнку бензина свет частично отражается, а частично проходит через неё и отражается уже от поверхности воды, находящейся под этой плёнкой. Оба отражённых луча сливаются, но из-за того что луч, отражённый от воды, прошёл большее расстояние, чем тот, который отразила бензиновая плёнка, они встречаются в разных фазах. В этом случае одни волны могут взаимно гасить друг друга, а другие – взаимно усиливать, т. е. возникает явление интерференции. Если свет, обладающий длиной волны, которая воспринимается как красный цвет, в данном месте усиливается, мы будем наблюдать красное пятно. В соседний участок лучи придут таким образом, что здесь усилятся волны, соответствующие зелёному цвету, и мы увидим зелёное пятно.

 

Поляризация.

 

Приблизительно в то же время было открыто явление, названное поляризацией света.   Суть его сводится к следующему. Если взять два кристалла определённого типа (для этого опыта подходят не все кристаллы) и, расположив один перед другим, посмотреть сквозь них на свет, можно заметить, что яркость света меняется в зависимости от того, как повёрнуты кристаллы друг относительно друга (рис. 105). Если найти положение, в котором свет будет наиболее ярким, а затем вращать один из кристаллов, мы увидим, что свет становится всё слабее и слабее, пока поле зрения не станет совсем тёмным. Это произойдёт тогда, когда кристалл повернётся на 90° по отношению к исходному положению.

 

Рис. 105. Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T 1,вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО'. Вращая кристалл Т 1 вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т2 и вращать её вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла между оптическими осями кристаллов

 

Вначале были предприняты попытки объяснить поляризацию света с помощью корпускулярной теории. Предполагали, что корпускулы света, идущего от обычного источника, ориентированы беспорядочно, а при прохождении через кристалл они приобретают определённую ориентацию. Но вскоре в результате исследований французского инженера Огюстена Френеля (1788–1827) волновая теория света получила безоговорочное подтверждение и широкое признание. Френель установил, что волны света представляют собой поперечные колебания, чем принципиально отличаются от звуковых, которые являются продольными. С точки зрения волновой теории Френеля поляризация света объясняется следующим образом. Свет, исходящий от обычного источника, например от Солнца или свечи, представляет собой множество колебаний. Эти колебания происходят в самых разных плоскостях под любым углом друг к другу. Никакой выделенной предпочтительной плоскости для них не существует. Но когда волны света проходят через кристалл, он пропускает только те из них, плоскость колебания которых соответствует его структуре. Пройдя через кристалл, все световые волны начинают колебаться практически в одной плоскости. Такой свет называется поляризованным. Если поляризованный свет попадёт на другой такой же кристалл, он пройдёт через него, если его структура будет параллельна структуре первого кристалла. Если же они окажутся перпендикулярными, поляризованные волны не проходят через второй кристалл.

Во второй половине XIX в. волновая теория света полностью восторжествовала, и создалось впечатление, что все проблемы, связанные с природой света, в целом успешно решены. Однако ближе к концу века стали накапливаться факты, которые не согласовывались с этой теорией. Вначале выяснилось, что волновая теория не может объяснить некоторых фактов, связанных с электромагнитным инфракрасным излучением, испускаемым некоторыми телами при определённых условиях.

 

Рис. 106. Макс Планк

 

Подвергнув результаты многочисленных экспериментов, проведённых различными исследователями, тщательному математическому анализу, немецкий физик Макс Планк (1858–1947) (рис. 106) в 1900 г. пришёл к совершенно неожиданному и парадоксальному выводу. Оказалось, что эти результаты можно объяснить теоретически только в том случае, если предположить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а определёнными порциями. Суть открытия Планка заключается в том, что источник электромагнитных колебаний может излучать энергию только прерывисто, квантами, которые представляют собой порции энергии, равные hv, где v  – частота испускаемого колебания, а h – константа, названная постоянной Планка. Получается, что чем больше частота излучения, тем большей энергией обладают его кванты. Интересно, что сам Планк не вполне оценил важность своего открытия и даже позже, когда квантовая теория была обоснована А. Эйнштейном, возражал против того, чтобы считать её способной заменить классические физические теории. Однако к тому времени Эйнштейн, занимавшийся другими физическими проблемами, вполне убедительно обосновал квантовую теорию.

 

Проверьте свои знания

 

1. Каких точек зрения на природу света придерживались И. Ньютон и Х. Гюйгенс?

2. Что такое поляризация света?

3. Что такое квант и чему равна его энергия?

 

Задания

 

Подберите эпиграф к данному параграфу.

 

Фотоэффект

 

Фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом,   называют процесс испускания электронов веществом под действием света. Фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем. Явление фотоэффекта можно наблюдать на опыте (рис. 107). Зарядим цинковую пластину, присоединённую к электрометру отрицательно.

 

Рис. 107. Опыт, иллюстрирующий явление фотоэффекта

 

При освещении пластины ультрафиолетовым светом, например от электрической дуги, электрометр будет очень быстро разряжаться. Если же сообщить пластине положительный заряд и затем осветить ультрафиолетовым светом, то электрометр не разрядится.

Единственная возможная гипотеза, объясняющая данное явление, заключается в том, что с поверхности цинковой пластины могут вылетать отрицательно заряженные частицы – электроны. К фотоэффекту применимо всё, что мы говорили о катодных лучах. Поток электронов, испускаемый катодом, может возникать или усиливаться под действием света. Поверхность, с которой под действием света могут испускаться электроны, называют фотокатодом.

Экспериментальными исследованиями фотоэффекта занимался российский физик Александр Григорьевич Столетов (1839–1896). Он установил, что при одном и том же спектральном составе, т. е. при одинаковых длинах волн падающего на фотокатод света, поток выбиваемых электронов пропорционален интенсивности облучения. В этом не было ничего неожиданного с точки зрения классической волновой теории света. Понятно, что волны света приносят с собой энергию, которая, передаваясь электронам, увеличивает их кинетическую энергию, т. е. скорость, в результате чего они вылетают с фотокатода.

Однако в дальнейшем обнаружились факты, которые волновая теория объяснить не могла. Выяснилось, что интенсивность облучения влияет только на количество электронов, покидающих фотокатод за единицу времени, но не оказывает влияния на их энергию. Энергия выбиваемых электронов зависит только от частоты падающего света. Вы уже знаете, что частота колебаний световой волны определяет ощущение определённого цвета. Свет с самой маленькой частотой воспринимается как красный, с самой большой – как сине-фиолетовый. Ещё большей частотой обладает невидимое для человека ультрафиолетовое излучение.

 

Рис. 108. Альберт Эйнштейн

 

Оказалось, что именно это излучение приводит к испусканию электронов с самой высокой энергией. Из видимой части спектра самым эффективным оказывается синий цвет, а далее энергия, с которой вылетают электроны, снижается по мере снижения частоты колебаний света. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота облучающего света, при которой ещё наблюдается эффект.

Фотоэлектрический эффект используют в самых различных технических приспособлениях. Достаточно вспомнить двери магазинов и других учреждений, которые открываются при приближении к ним человека. Их устройство объясняется довольно просто. Перед входом установлен источник часто не видимого для человека излучения, луч которого падает на специальное устройство, вызывая в нём фотоэлектрический эффект. Когда на пути луча оказывается препятствие, ток в датчике прекращается, и это служит сигналом к включению механизма, открывающего двери.

Однако значение фотоэффекта в понимании устройства мира оказалось гораздо важнее, чем все его практические применения. В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955) (рис. 108), уже знакомый с работой Планка, посвящённой инфракрасному излучению, выдвинул гипотезу, что свет состоит из частиц, энергия каждой из которых пропорциональна частоте колебаний этого света. Эти частицы впоследствии были названы фотонами.   Энергия фотона, таким образом, равна энергии кванта, которая определяется в соответствии с формулой Планка. Таким образом, Эйнштейн распространил вывод Планка, касающийся инфракрасного излучения, на всю область электромагнитных волн. Гипотеза Эйнштейна хорошо объясняла законы фотоэффекта: если каждый фотон в результате столкновения выбивает один электрон, то чем больше будет интенсивность света, т. е. чем больше фотонов, тем больше будет выбито электронов, а энергия каждого выбитого электрона будет зависеть от энергии фотона – от частоты световой волны.

Такую зависимость легко себе представить, если вообразить кегельбан, где в ряд выстроено большое количество кеглей. Допустим, что каждый брошенный шар может выбить только одну кеглю. Поэтому чем больше будет брошено шаров, тем больше будет сбито кеглей. Но если все шары будут лететь с небольшой скоростью, то и сбитые ими кегли отлетят недалеко. Если же мы пустим совсем немного шаров, но с очень большой скоростью, то собьём мало кеглей, но зато они отлетят на гораздо большее расстояние.

Таким образом, получилось, что свет представляет поток фотонов, т. е. существуют частицы света. Но это возвращает нас к, казалось бы, уже отвергнутой корпускулярной теории, горячим сторонником которой был Ньютон. Как же быть с общеизвестными и неоспоримо доказанными волновыми свойствами света? Этого никто не мог понять, и среди физиков завязалась оживлённая дискуссия. Многие считали, что обнаруженное противоречие является временным и вскоре будет разрешено в пользу классических теорий физики. Сам Эйнштейн, выступая в 1911 г. на научном конгрессе, говорил:

 

«Мы все согласны с тем, что теория квантов в своём нынешнем виде может иметь полезное применение, но на самом деле она не представляет собой настоящей теории в обычном смысле этого слова, во всяком случае, такой теории, которую можно было бы последовательно развивать дальше».

 

Однако постепенно квантовая теория, пробиваясь через всевозможные недоумения, завоёвывала всё большую популярность. Сам Планк полностью поверил в неё только после того, как она уже имела повсеместный успех. А Нобелевскую премию учёный получил лишь в 1923 г., т. е. через двадцать три года после первой публикации, посвящённой квантам. Интересно, что, когда Планк был студентом, он сказал преподавателю о своём намерении заниматься теоретической физикой. Профессор пытался отговорить его, доказывая, что в теоретической физике уже всё сделано и она не может представлять интереса для серьёзного исследователя.

 

Проверьте свои знания

 

1. Что такое фотоэлектрический эффект?

2. Как зависит энергия выбитых электронов от частоты облучающего света?

3. Что такое красная граница фотоэффекта?

4. Что такое фотон?

 

Задания

 

Подберите эпиграф к данному параграфу.