Двойственная природа света (корпускулярно-волновой дуализм)

Введение

Квантовые свойства материи

Лекция №7

Вывод

В моей расчетно-графической работе ярасчитала элементы линейного тракта и определила ширину спектральной линии в Гц, считая, что длина волны (l) находиться точно на середине диапазона спектра излучения Dl_0,5. Нашла добротность резонатора лазера.

В истории естествознания принято выделять три естественнонаучных революции, в которых коренным образом пересматривались предшествующие представления о природе:

1. Натурфилософия Аристотеля и утверждение геоцентрической системы.

2. Классическая механика Ньютона и утверждение гелиоцентрической системы.

3. Появление теории относительности и квантовой механики.

Всё, что связано с первыми е.н. революциями, мы уже прошли. Теперь мы вплотную подошли к третьей. Рассмотрим подробнее.

Связать естественнонаучные революции с изменениями в других сферах человеческой деятельности:

· 2-я е.н. революция – возрождение – реформация – буржуазные революции;

· 3-я е.н. революция – социалистические революции – фашизм – мировые войны – крушение классического искусства (декаданс в литературе, сюрреализм в живописи, джаз и авангард в музыке). Рассказать о фильме Бернардо Бертолуччи «XX век» (смерть Верди и т.д.)

Что же касается естествознания, то чтобы получить ситуацию, сложившуюся в нём к концу XIX в., достаточно собрать воедино всё, что мы уже знаем. К этому моменту завершилось построение так называемой классической физики, включающей в себя:

1. Оформление классической аналитической механики Ньютона

2. Создание молекулярно-кинетической теории тепловых процессов на основе развития методов статистической физики

3. Создание волновой теории Гюйгенса-Френеля, объясняющей все известные в то время оптические явления

4. Создание Дж. Максвеллом электродинамики, объединившей электромагнетизм и оптику

Считалось, что физика уже в общем и целом закончилась, делать там больше нечего. Практически все природные явления полностью объяснены. Осталось лишь подчистить некоторые шероховатости:

· Выяснить с какой скоростью распространяется свет в различных системах отсчета. Что-то там не так.

· Непонятно, как объяснить спектральную плотность излучения абсолютно черного тела.

В результате из первой проблемы родилась теория относительности Эйнштейна, а из второй – квантовая механика. Это привело к тому, что пришлось полностью пересмотреть все классические физические теории, так как они оказались верными лишь приближённо, да и то не всегда.

На прошлой лекции мы узнали, что существует масса причин считать свет электромагнитной волной: опыты Герца, дифракция, интерференция, поляризация. Однако, на рубеже XIX и XX веков были обнаружены новые явления, не вписывающиеся в представление о свете как об электромагнитной волне.

Излучение абсолютно черного тела.

§ Тепловое излучение – испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел.

С появлением спектрального анализа электромагнитное излучение любого нагретого тела стали рассматривать как совокупность различных длин волн, испускаемых телом. Предметом исследования стало количество тех или иных длин волн в спектре излучения. Особенно важную роль в этих исследованиях играет испускательная способность абсолютно черного тела как функция его температуры и длины волны излучения.

§ Абсолютно черное тело – тело, поглощающее все падающие на него лучи (Г.Кирхгоф).

Демонстрация: «Модель абсолютно черного тела»

Демонстрация: «Тепловое излучение»

§ Закон смещения Вина: При увеличении температуры максимум спектральной плотности смещается в область малых длин волн

§ Закон Стефана – Больцмана: Энергия, испускаемая единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям пропорциональна четвертой степени температуры: R=σ·T⁴

Существовавшая к тому времени теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики, приводила к расходящемуся с экспериментом выводу. Согласно формуле Рэлея-Джинса в области малых длин волн испускательная способность должна была бы возрастать до бесконечности. Это получило название «ультрафиолетовая катастрофа».

Для разрешения этого противоречия Макс Планк (1858-1947) выдвинул квантовую гипотезу:

Излучение света осуществляется не непрерывно, а порциями – квантами.

§ Энергия кванта: , где – постоянная Планка. На основе этого предположения Планк вывел формулу для спектральной плотности абсолютно черного тела, которая идеально согласовалась с экспериментом. Нобелевская премия 1918 г.

Гипотеза квантов энергии положила начало новой эры в развитии физики. Это привело к признанию наряду с атомизмом вещества «атомизма» энергии.

Попытки обосновать гипотезу М.Планка с классических позиций оказались безуспешными. Интересно, что сам автор не видел в идее квантов реального физического смысла, а рассматривал её только как удачный математический приём. Но за эту идею ухватился Альберт Эйнштейн.

Фотоэффект

Фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом при облучении его светом.

Запишем закон сохранения энергии: . Однако, в эксперименте обнаружено, что при низких частотах эффект отсутствует даже при очень высокой энергии. Это легко объяснить, воспользовавшись формулой Эйнштейна, которая и продолжает гипотезу Планка: .

Демонстрация: «Фотоэффект»

Создание Эйнштейном теории фотоэффекта подтвердило справедливость гипотезы Планка.

Резюме:

§ Свет излучается квантами (Планк),

§ поглощается квантами (Эйнштейн),

§ а следовательно и распространяется квантами (Эйнштейн).

Вывод: СВЕТ – ЧАСТИЦА!!!

Эта частица получила название фотон (Г.Льюис, 1929).

Свет – объект, проявляющий в одних опытах свойства волны, а в других – свойства частицы. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма.

Другие эксперименты, подтверждающие корпускулярные свойства света

§ 1899. Давление света. Пётр Николáевич Лéбедев (1866–1912)

Основатель первой в России научной школы физиков, профессор Московского университета с 1900 по 1911. Был уволен в результате действий министра просвещения известных как «дело Кассо» – 1911 году была уволена большая группа либерально настроенных университетских профессоров Министром народного просвещения Л. А. Кассо. В Московском университете были уволены: П. Н. Лебедев (в ответ им было основано Московское физическое общество). Н. А. Умов, С. А. Чаплыгин, В. И. Вернадский, К. А. Тимирязев, В. П. Сербский. Всего уволено или подало в отставку около 130 преподавателей и сотрудников университета (в том числе 21 профессор). П.Н.Лебедев впервые получил и исследовал миллиметровые электромагнитные волны. Открыл и измерил давление света на твёрдые тела (1899) и газы (1907), количественно подтвердив электромагнитную теорию света. Имя Лебедева носит Физический институт РАН.

§ 1923. Эффект Комптона (Комптон-эффект). Артур Комптон (1892-1962)

Явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Нобелевская премия 1927 г.

Идея Де-Бройля: применить квантовую гипотезу в обратном направлении. А что если объекты, известные как частицы, по аналогии со светом обладают волновыми свойствами?

Дата добавления: 2015-06-04