Развитие представлений о природе света

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

Энергия электромагнитных волн

Возможность обнаружения электромагнитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность энергии w электромагнитной волны складывается из объемных плотностей w_Эл и w_м электрического и магнитного полей:

w=w_эл+ w_м=e₀eЕ²/2 +m₀mН²/2.

Исходя из выражения (2.4), получим: плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент времени одинакова, т.е. w_эл=w_м. Поэтому

w=2w_эл=e₀eЕ²= ЕН.

Умножив плотность энергии w на скорость V распространения волны в среде (см. 2.3), получим модуль плотности потока энергии:

S=wV=EН.

Так как векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [ Е, Н ] совпадает с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен Е Н. Вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Умова - Пойнтинга:

S=[E Н].

Вектор S направлен в сторону распространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.

В конце XVIII в. на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две теории света: корпускулярная

(И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямолинейным траекториям. Движение световых корпускул Ньютон подчинил сформулированным им законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика при ударе о плоскость, где также соблюдался закон равенства углов падения и отражения. Преломление света Ньютон объяснил притяжением корпускул преломляющей средой, в результате чего скорость корпускул меняется при переходе из одной среды в другую. Из теории Ньютона следовало постоянство синуса угла падения i₁ к синусу угла преломления i₂:

, (3.1)

где V - скорость распространения света в среде; с - скорость распространения света в вакууме. Так как n в среде всегда больше единицы, то, по теории Ньютона, скорость распространения света в среде должна быть всегда больше скорости его распространения в вакууме.

Согласно волновой теории, развитой на основе аналогии оптических и акустических явлений, свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в особой среде, - эфире. Эфир заполняет все про-странство, пронизывает все тела и обладает механическими свойствами - упругостью и плотностью. Согласно Гюйгенсу, большая скорость распространения света обусловлена особыми свойствами эфира.

Волновая теория основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Принцип Гюйгенса позволяет анализировать распространение света и вывести законы отражения и преломления.

По Гюйгенсу . (3.2)

Из сравнения выражений (3.1) и (3.2) видно, что выводы по волновой теории отличны от вывода теории Ньютона. По теории Гюйгенса, v<c, т.е. скорость распространения света в среде должна быть всегда меньше скорости его распространения в вакууме.

Таким образом, к началу XVIII в. существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе эти теории объяснили прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Экспериментальное доказательство справедливости волновой теории было получено в 1851 г., когда Э. Фуко измерил скорость распространения света в воде и получил значение, соответствующее формуле (3.2). К концу XIX в. корпускулярная теория была полностью отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу, исследовавшему явления дифракции и интерференции, и французскому физику О. Френелю, дополнившему принцип Гюйгенса и объяснившему эти явления.

Признанная волновая теория обладала целым рядом недостатков. Например, явления интерференции, дифракции и поляризации могли быть объяснены только в том случае, если световые волны считать поперечными. Теория Гюйгенса не могла объяснить также физической природы наличия разных цветов.

Наука о свете накапливала экспериментальные данные, свидетельствующие о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений, что позволило Максвеллу в 70-х годах XIX в. создать электромагнитную теорию света, согласно которой

,

где с и V - соответственно скорости распространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m. Это соотношение связывает оптические, электрические и магнитные постоянные вещества.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца имели огромные успехи, но вместе с тем были несколько противоречивы, поэтому при их применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только <<упругий эфир>> был заменен <<эфиром электромагнитным>> (теория Максвелла) или <<неподвижным эфиром>> (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессов испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассечения и т.д. Теория Лоренца, в свою очередь, не смогла объяснить многие явления, связанные со взаимодействием света с веществом, в частности, вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были представлены благодаря смелой гипотезе (1900 г.) немецкого физика М. Планка, согласно которой излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой n:

e₀=hn, (3.3)

где h - постоянная Планка.

Теория Планка не нуждалась в понятии об эфире. Она объясняла тепловое излучение черного тела. Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света, согласно которой не только излучение света, но и его распространение происходит в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется соотношением (3.3), а масса

. (3.4)

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, взаимодействия света с веществом. Однако как с помощью этих представлений объяснить такие изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света?

Эти явления легко объясняются на основе волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействие с веществом показывает, что свет имеет сложную природу. Он представляет собой единство противоположных видов движения - корпускулярного и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Выражения (3.3) и (3.4) связывают корпускулярные характеристики излучения - массу и энергию кванта - с волновыми - частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, что находится в полном соответствии с выводами материалистической диалектики.

Дата добавления: 2014-11-16