Эволюция представления о свете

Единицы измерения.

Общепринятыми являются следующие единицы для обозначения длины волны (l) различных участков спектра:

1 мкм = 10⁴ Å,

1 мкм = 10³ нм,

1 мкм = 10^-4 см.

Шкала в Å, нм и мкм – неравномерная. Равномерная шкала обозначается в волновых числах:

1 мкм = 10000/см^-1.

Длина электромагнитной волны связана с частотой, числом колебаний в секунду, n, Гц. Известно, что частота n = с/l, где с – скорость света, равная 3×10¹⁰ см/с, l - длина волны. Легко подсчитать, что оптический диапазон занимает область частот от 10¹⁵ до 10¹¹ Гц.

На практике широко применяются величины, обозначающие, какую энергию несет квант света, фотон. Вводится внесистемная единица энергии – электронвольт, эВ. 1 эВ – энергия, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциала в 1 В. Тепловая энергия kТ = 1эВ соответствует Т = 11600 К (k – постоянная Больцмана).

Какую энергию несет излучение, квант света, фотон с длиной волны l = 1 мкм? Энергия электромагнитной волны Е = h·n = hс/l, h – постоянная Планка, равная 6,63·10^-27 эрг·с. Так как 1 эВ = 1,6·10^-12 эрг, имеем, что фотон с длиной волны l = 1 мкм несет энергию Е = 1,24 эВ.

Таким образом, в оптическом диапазоне излучения длина волны кванта света, фотона, l, измеряется

- в Å, нм, мкм,

- в волновых числах, см^-1 = 10000/l, (l в мкм),

- в частотах, Гц = с/l, с^-1,

- энергия фотона, эВ = 1.24/l, (l в мкм).

Длина волны – расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания (или разность начальных фаз волны равна 2p). Если волну представить синусоидой, то расстояние между двумя пучностями и будет длиной волны. Длина волны l связана с периодом колебания n и скоростью распространения волнового процесса соотношением l = с/n.

Человечество давно интересовал вопрос, что такое свет? Еще Пифагор (~ 550 лет до н.э.) говорил, что, мы видим предметы потому, что мельчайшие частицы испускаются ими и попадают нам в глаз. Т.е. была высказана корпускулярная точка зрения. Почему же тогда не уменьшаются размеры предметов, которые мы видим, например, Солнца?

Во второй половине ХV11 столетия Рёмер измерил скорость света. В это же время Христиан Гюйгенс развил волновую природу света. К этому времени были проведены опыты по дифракции и интерференции света. В своем «Трактате о свете» Исаак Ньютон уже не столь категорично говорит о корпускулярной теории света, но утверждает, что световая волна есть упругая, подобная механической. Однако рассматривать эфир, как упругую среду становилось всё труднее. В начале Х1Х столетия были проведены опыты по поляризации света, определен угол Брюстера.

В 1864 г. Максвелл предложил систему уравнений электродинамики и теоретически показал, что электромагнитные колебания распространяются в вакууме со скоростью света. Были установлены общие законы электромагнитного поля, свет – электромагнитная волна. Установлено единство природы радиоволн, света, рентгеновского и гамма излучения. Дифракция, интерференция света – волновые процессы. Но волновая теория не объясняла явления атомного масштаба – эффект Комптона (изменение длины волны при рассеянии рентгеновского излучения); распределение энергии излучения абсолютно черного тела. Вновь ученые обратились к корпускулярной теории.

В 1900 г. М. Планк получил согласующуюся с опытом формулу распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Он ввел чуждое классической физике понятие: излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а порциями, корпускулами, квантами света. Были объяснены явления фотоответа, Комптона и др. Таким образом, была установлена двойственная природа света, дуализм света: волновая и корпускулярная природа света.

Квант света, фотон, нейтральная частица, в покое имеет нулевую массу, энергию Е = hn, импульс р = hn/c = h/l, где h – постоянная Планка. Впоследствии выяснилось, что более удобной является величина ħ = h/2p, тогда Е = ħw, где w = 2pn - круговая частота волны.

Всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые характеристики. Так, например, электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляются как частицы, движущиеся по классическим траекториям и обладающие определенными энергией и импульсом, а в других – обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц.

Дата добавления: 2014-01-05