Коллектив авторов - Концепции современного естествознания - Шпаргалка

Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором при определенных условиях возникает дифракционная картина. Рассмотрим в качестве примера дифракцию от щели, когда волновая поверхность ограничена двумя полуплоскостями, расположенными на расстоянии b друг от друга.

Если экран располагается близко от щели, то, как показывает опыт и теоретические расчеты, при выполнении условия b 2/(/λ) >> 1 (/ – расстояние от щели до экрана; λ – длина волны света) на экране будет наблюдаться четкое изображение щели, т. е. в этом случае будет выполняться закон прямолинейного распространения света. При увеличении расстояния от щели до экрана, когда начинает выполняться условие b 2/(/ λ) ~ 1, граница света и тени на изображении щели становится размытой, а распределение интенсивности света в центральной части изображения щели становится неоднородным – появляются минимумы и максимумы интенсивности. Это означает, что дифракция света начинает играть существенную роль

и законы геометрической оптики перестают работать. Дифракция света, имеющая место при выполнении указанного условия, носит название дифракции Френеля.

При дальнейшем увеличении /, когда начинает выполняться условие b 2/(/λ) << 1, в каждую точку на экране приходят почти параллельные лучи от волновой поверхности в области щели и дифракционная картина приобретает иной вид: она имеет четко выраженную систему максимумов и минимумов, глубоко заходящих в область геометрической тени. Дифракцию, возникающую при этом условии, называют дифракцией Фраунгофера.

Изучение явлений интерференции, дифракции, поляризации электромагнитных волн (упорядочения колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей) и дисперсии света (круга явлений, в которых важную роль играет зависимость показателя преломления среды от длины волны) привело, как это могло показаться, к окончательному утверждению волновой теории света. Однако при исследовании теплового излучения энергии нагретыми телами, фотоэлектрического эффекта (испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения), рассеяния рентгеновского излучения веществом было установлено, что объяснить эти явления в рамках электромагнитной теории Максвелла не удается.

Разрешить эти противоречия удалось благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 году немецким физиком М. Планком,согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой v:

ε = hν , (1)

где е – энергия кванта; h = 6,63 10 -34Дж • с – постоянная Планка (квант действия), являющаяся одной из универсальных постоянных в физике.

Развивая идею Планка, Эйнштейн в 1905 году выдвинул гипотезу о том, что свет не только излучается квантами, но распространяется и поглощается квантами, и на ее основе объяснил фотоэффект. С квантами света стали ассоциировать реальные элементарные частицы, которые были названы в 1929 году американским физико-химиком Г. Льюисом(1875–1946) фотонами. Фотон является особой частицей, так как в отличие от других частиц (электронов, протонов и т. п.) он существует только в движении, причем скорость его движения равна скорости света. Масса фотона равна нулю. Энергия фотонов определяется формулой Планка (1), а импульс

p = h /λ, (2)

где p – импульс фотона; λ – длина волны.

Исследуя процессы излучения, Эйнштейн в 1909 году установил, что свет одновременно обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, т. е. свету фактически присущ корпускулярно-волновой дуализм(двойственность), который нельзя объяснить с позиций классической физики. Таким образом, можно сказать, что свет представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного), дискретного и непрерывного. К корпускулярным параметрам, характеризующим свет, относятся энергия и импульс, а к волновым – частота и длина волны. Корпускулярные и волновые параметры связаны между собой через соотношения (1) и (2).