Корпускулярно-волновой дуализм
Реферат
на тему:
«Корпускулярно-волновой дуализм»
Выполнила:
ученица 11 класса Г
средней школы №18
Амосова Александра
(активную помощь в написании реферата
оказывал студент факультета Технической кибернетики и информатике
Казанского государственного технического университета)
Бужин Юрий
ICQ number: (257333541)
mailto:larry-lamer@mail.ru
Казань 2003 г.
Содержание.
1. Введение.
2. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного
излучения.
3. Волновые свойства света.
а) Дисперсия.
б) Дифракция.
в) Поляризация
4. Квантовые свойства света.
а) Фотоэффект.
б) Эффект Комптона.
5. Заключение.
6. Список использованной литературы.
Введение.
Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о
природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие
теории – корпускулярную и волновую теории света.
Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало
свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При
этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы
ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела большое число
последователей, среди которых был Эвклид. Формулируя первый закон
геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Эвклид
писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”. Такого
же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы.
Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе
света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим
взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой.
Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и,
достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета.
Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.
Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в.,
оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток
каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.
Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он
рассматривал свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие
или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в
дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и
положила начало волновой теории света.
К середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль
за пределы геометрической оптики. Одним из первых ученых, подтолкнувшим
научную мысль к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци.
Его работы известны не только в области оптики, но также и в области
механики и даже медицины. В 1648 им открыто явление дисперсии света.
В XVII в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света стал
вызывать все больший и больший интерес. При этом постепенно происходит
образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.
Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва.
Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть
поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное
распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо
объяснялись с точки зрения этой теории.
Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие
с корпускулярной теорией света. В то время в основе взглядов на строение
вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами
существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что
межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от
небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно,
что в XVII в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной
теории света. В это же время начинает развиваться и представление о
волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать
Декарта.
Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
Рассмотренные в данном разделе явления- излучение чёрного тела,
фотоэффекта, эффект Комптона- служат доказательством
квантовых(корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов. С
другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация
света, убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света.
Наконец, давление и преломление света объясняются как волновой, так и
квантовой теориями. Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает
удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств-
непрерывных(волны) и дискретных(фотоны), которые взаимно дополняют друг
друга.
Более детальное рассмотрение оптических явлений приводит к выводу,
что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой
волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для
фотона. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами,
обнаруживает определённые закономерности в их проявлении. Так, волновые
свойства света проявляются в закономерностях его распространения,
интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах
взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше
энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства
света (с этим связано, например, существование красной границы
фотоэффекта). Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и
импульс фотона и тем труднее обнаруживается волновые свойства (например,
волновые свойства (дифракция) рентгеновского излучения обнаружены лишь
после применения в качестве дифракционной решётки кристаллов).
Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми
свойствами света можно объяснить, если использовать, как это делает
квантовая оптика, статистический подход к рассмотрению закономерностей
рассмотрения света. Например, дифракция света на щели состоит в том, что
при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в
пространстве. Так как вероятность попадания фотонов в различные точки
экрана неодинакова, то и возникает дифракционная картина. Освещённость
экрана пропорциональна вероятности попадания фотонов на единицу площади
экрана. С другой стороны, по волновой теории, освещённость пропорциональна
квадрату амплитуды световой волны той же точке экрана. Следовательно,
квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой
вероятности попадания фотонов в данную точку.
Волновые свойства света.
1.1 Дисперсия.
Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света,
в связи с попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы
возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком
изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при
преломлении, Ньютон сделал свои величайшие оптические открытия.
Сущность открытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис.1) свет от
фонаря освещает узкое отверстие S (щель). При помощи линзы L изображение
щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника S`.
Поместив на пути призму P, ребро которой параллельно щели, обнаружим, что
изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы
цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге.
Это радужное изображение Ньютон назвал спектром.
Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо
белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику,
располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от
цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального
изображения S`. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета
различно преломляются призмой.
Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них
состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета,
выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN , на котором получается
спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через
отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения
однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного
стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй
призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный
показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного
пучка.
Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из
спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда
как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать
одним каким то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения,
Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при
прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых,
имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть
такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая
спектральное изображение щели.
Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:
1)Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления
в данном веществе (дисперсия).
2)Белый цвет есть совокупность простых цветов.
Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные
длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать
следующим образом:
Показатель преломления вещества зависит от длины световой волны.
Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.
1.2 Дифракция.
У световой волны не происходит изменения геометрической формы
фронта при распространении в однородной среде. Однако если распространение
света осуществляется в неоднородной среде, в которой, например, находятся
не прозрачные экраны, области пространства со сравнительно резким
изменением показателя преломления и т. п., то наблюдается искажение фронта
волны. В этом случае происходит перераспределение интенсивности световой
Страницы: 1, 2
