Волновые свойства света

Содержание

Введение

1. Развитие представлений о природе света

2. Волновые свойства света

2.1 Свет - электромагнитная волна. Скорость распространения света

2.2 Интерференция световых волн

2.3 Дифракция света

2.4 Поляризации света

2.5 Спектральные приборы. Дифракционная решетка

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света.

Раздел физики, изучающий свойства, физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом, называется оптика. Ее раздел волновая оптика, изучает явления, в которых проявляются волновые свойства света. Однако в оптике, как разделе физики, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения - инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ).

По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов - различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны и частотой.

Таким образом, световая волна - это электромагнитная волна видимого диапазона длин волн.

Цель данной работы: изучение и характеристика основных волновых свойств света.

Работа состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы. Общий объем работы 18 страниц.

1. Развитие представлений о природе света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян, но представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболического зеркала, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века 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. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений.

Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн (плоскость A₁A₂ на рис.1) дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Под волновым фронтом Гюйгенс понимал геометрическое место точек, до которых одновременно доходит волновое возмущение. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.

Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.

Рисунок 1 - Построения Гюйгенса для определения направления

преломленной волны

Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т.Юнгу и французскому физику О.Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж.Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде.

И, хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнанна, вопрос о природе световых волн оставался открытым. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет - это электромагнитные волны. Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г.Герца по исследованию электромагнитных волн (1887-1888 гг.). В начале XX века после опытов П.Н.Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт. Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости.

2. Волновые свойства света

2.1 Свет - электромагнитная волна. Скорость распространения света

Итак, благодаря работам Х.Гюйгенса, О.Френеля, Т.Юнга устоялось мнение, что свет - это процесс распространения колебаний, т.е. волна. Согласно представлениям Гюйгенса и Френеля при распространении света происходят колебания плотности невидимой среды - эфира, заполняющего все пространство.

Сходство свойств электромагнитных волн, открытых Герцем в 1887 г., и свойств света позволило утвердиться представлениям о том, что свет - это электромагнитная волна, т.е. при распространении света в среде, в том числе и в вакууме, происходит распространение колебаний напряженности электрического поля и индукции магнитного поля с частотой примерно (4ё7)·10¹⁴ Гц. В пользу этого говорят следующие экспериментальные факты:

- распространение света в вакууме со скоростью 300 000 км/c, совпадающей со скоростью распространения электромагнитных волн, невидимых глазу;

- объяснение закона преломления света на границе вода-воздух уменьшением скорости распространения волны в воде;

- наблюдение явлений интерференции, дифракции и поляризации света.

Ниже приведены схемы классических опытов по определению скорости распространения света (рис.2).

Рисунок 2 - Классические опыты по определению скорости распространения света

Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях дифракции и интерференции.

2.2 Интерференция световых волн

Интерференция (от лат. inter- ударяю и ferio - взаимно) - одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков (интерференционная картина). С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков - все это проявление интерференции света.

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И.Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны (рис. 3.7.1). Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис. 3, 4).

Рисунок 3 - Наблюдение колец Ньютона.

Интерференция возникает при сложении волн, отразившихся от двух сторон воздушной прослойки. «Лучи» 1 и 2 - направления распространения волн; h - толщина воздушного зазора

Рисунок 4 - Кольца Ньютона в зеленом и красном свете

Ньютон не смог с точки зрения корпускулярной теории объяснить, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов. Первыми опытами, позволившими реализовать количественные измерения длин волн видимого света на основе интерференции, являются опыты Юнга. Для наблюдения интерференции электромагнитных волн необходима когерентность (согласованность) источников. В начале XIX в. он использовал для получения двух когерентных источников следующий прием. Между двумя щелями, которые должны были стать когерентными источниками света, и естественным источником света он поставил еще один экран с щелью (рис.5). Юнгу удалось обнаружить, что каждая светлая интерференционная полоса представляет собой радужную полоску, в которой есть цвета от фиолетового до красного. Фактически Юнг, соглашаясь с мнением Ньютона в том, что солнечный белый свет является смесью излучений разного цвета, поставил в соответствие понятию «цвет» количественную характеристику - длину (а значит, и частоту) световой волны. С тех пор монохроматической световой волной (греч. хромос - цвет) называется волна с заданной частотой колебаний, а значит, и длиной.

Рисунок 5 - Количественные измерения длин волн видимого света на основе интерференции Юнга

Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной.

Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики. При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.

Современные источники света - лазеры излучают свет, который можно описать в виде плоской синусоидальной волны длиной синусоидального цуга в сотни и тысячи метров. Поэтому если осветить два отверстия светом лазера, то на экране за отверстиями можно наблюдать картину чередования интерференцион-ных максимумов и минимумов (рис. 6).

Рисунок 6 - Чередование интерференционных максимумов и минимумов

На рисунке 7 приведены оптические схемы, с помощью которых можно наблюдать интерференцию, раздваивая световую волну от одного источника света.

Рисунок 7 - Оптические схемы наблюдения интерференции

Проблема когерентности волн. Теория Юнга позволила объяснить интерференционные явления, возникающие при сложении двух монохроматических волн одной и той же частоты. Однако повседневный опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не просто. Так, если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке складываются интенсивности света и никакой интерференции не наблюдается. Интерференция может возникнуть только при сложении когерентных колебаний, т. е. колебаний, относящихся к одному и тому же цугу. Волны, создающие в точке наблюдения когерентные колебания, также называются когерентными. Волны от двух независимых источников некогерентны и не могут дать интерференции и Юнг интуитивно угадал, что для получения интерференции света нужно волну от источника разделить на две когерентные волны и затем наблюдать на экране результат их сложения.

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter5/section/paragraph1/theory.htmlквантовых представлений. Наука вновь вернулась к идее корпускул - световых квантов. Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других - корпускулярные, означает, что он имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.

2.3 Дифракция света

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина - система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т.Юнгом, когда в опыте по интерференции света от двух отверстий проявляется и второе волновое свойство света - дифракция - явление переноса энергии волной в область геометрической тени. Действительно, плоский фронт лазерного света, падая на экран с двумя отверстиями, должен был бы согласно представлениям геометрической оптики давать на экране Э (см. рис.6) два освещенных пятна размером несколько больше размера отверстий. Однако он дает расходящиеся конусы, а при пересечении конусов именно на перпендикуляре, проведенном через центр отрезка между отверстиями S₁ и S₁, где должна была бы быть тень, получается самая яркая полоса света.

Независимо от Юнга в 1818 г. французский ученый О.Френель развил количественную теорию дифракционных явлений. В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом. Принцип Гюйгенса-Френеля также представлял собой определенную гипотезу, но последующий опыт подтвердил ее справедливость. В ряде практически важных случаев решение дифракционных задач на основе этого принципа дает достаточно хороший результат. Рис. 8 иллюстрирует принцип Гюйгенса-Френеля.

Рисунок 8 - Принцип Гюйгенса-Френеля.

ДS₁ и ДS₂ - элементы волнового фронта, и - нормали

Другим ярким экспериментом, иллюстрирующим дифракцию света, является эксперимент, когда в лазерный пучок помещается непрозрачный шар, диск или стержень и в центре его тени наблюдается светлое пятно или полоса.

Следует отметить, что теория дифракции (и интерференции) световых волн применима к волнам любой физической природы. В этом проявляется общность волновых закономерностей.

2.4 Поляризации света

В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде - эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. Однако постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие о поперечности световых волн.

В конце XVII в. Х.Гюйгенсом было открыто явление поляризации света, которое состоит в том, что у светового пучка от естественного источника (Солнце, свеча), пропущенного через кристаллы некоторых минералов (полевой шпат, турмалин), появляется анизотропия в плоскости, перпендикулярной направлению распространения (рис.9,а,б). Иными словами, в поперечном сечении такого пучка можно выделить особое направление, которое проявляется в том, что если второй кристалл того же минерала направить так же, как и первый, то свет сквозь него проходит (рис.9,в), а если второй кристалл повернуть на 90°, то свет сквозь него не проходит (рис.9,г).

Рисунок 9 - Явление поляризации света

Позже было обнаружено: свет, отраженный и преломленный от любой границы раздела двух сред, частично поляризуется, что связано с особенностями взаимодействия света и вещества. В поляризованном свете вектор напряженности электрического поля колеблется в одной плоскости, поэтому такая волна называется плоско поляризованной.

В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет - это электромагнитные волны. К тому времени поперечность световых волн уже была доказано экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света. Электромагнитная теория света приобрела должную стройность, поскольку исчезла необходимость введения особой среды распространения волн - эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.

2.5 Спектральные приборы. Дифракционная решетка

В состав видимого света входят монохроматические волны с различными значениями длин. В излучении нагретых тел (нить лампы накаливания) длины волн непрерывно заполняют весь диапазон видимого света. Такое излучение называется белым светом. Свет, испускаемый, например, газоразрядными лампами и многими другими источниками, содержит в своем составе отдельные монохроматические составляющие с некоторыми выделенными значениями длин волн. Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром. Белый свет имеет непрерывный спектр, излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеет дискретный спектр. Приборы, с помощью которых исследуются спектры излучения источников, называются спектральными приборами.

Для разложения излучения в спектр в простейшем спектральном приборе используется призма (рис.10). Действие призмы основано на явлении дисперсии - то есть зависимости показателя преломления n вещества от длины волны света л.

Рисунок 10 - Разложение излучения в спектр при помощи призмы

Щель S, на которую падает исследуемое излучение, находится в фокальной плоскости линзы Л₁. Эта часть прибора называется коллиматором. Выходящий из линзы параллельный пучок света падает на призму P. Вследствие дисперсии свет разных длин волн выходит из призмы под разными углами. В фокальной плоскости линзы Л₂ располагается экран или фотопластинка, на которой фокусируется излучение. В результате в разных местах экрана возникает изображение входной щели S в свете разных длин волн. У всех прозрачных твердых веществ (стекло, кварц), из которых изготовляются призмы, показатель преломления n в диапазоне видимого света убывает с увеличением длины волны л, поэтому призма наиболее сильно отклоняет от первоначального направления синие и фиолетовые лучи и наименее - красные.

Возможность полного внутреннего отражения на гранях призмы позволяет использовать призму для отражения лучей вместо зеркала. Такое использование призмы показано на рисунке 11 в призматическом бинокле.

Рисунок 11 - Призматический бинокль

Дисперсией света объясняется и такое природное явления, как радуга. Еще со времен Ньютона призма используется и как устройство для разложения белого света на составляющие.

В спектральных приборах высокого класса вместо призм применяются дифракционные решетки. Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки (рис.12). У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10-15 см.

Рисунок 12 - Дифракционная решетка

Простейшая дифракционная решетка состоит из прозрачных участков (щелей), разделенных непрозрачными промежутками. На решетку с помощью коллиматора направляется параллельный пучок исследуемого света. Наблюдение ведется в фокальной плоскости линзы, установленной за решеткой (рис.13).

Рисунок 13 - Дифракция света на решетке

В каждой точке P на экране в фокальной плоскости линзы соберутся лучи, которые до линзы были параллельны между собой и распространялись под определенным углом и к направлению падающей волны. Колебание в точке P является результатом интерференции вторичных волн, приходящих в эту точку от разных щелей.

При дифракции света на решетке главные максимумы чрезвычайно узки. Как следует из формулы дифракционной решетки (где d -- период решётки, б -- угол максимума данного цвета, k -- порядок максимума, л -- длина волны) положение главных максимумов (кроме нулевого) зависит от длины волны л. Поэтому решетка способна разлагать излучение в спектр, то есть она является спектральным прибором.

С помощью дифракционной решетки можно производить очень точные измерения длины волны. Одной из важнейших характеристик дифракционной решетки является ее разрешающая способность.

Дифракционную решётку применяют в спектральных приборах, также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные дифракционные решётки), поляризаторов и фильтров инфракрасного излучения, делителей пучков в интерферометрах и так называемых «антибликовых» очках. Разрешающая способность спектральных приборов, и, в частности, дифракционной решетки, также как и предельное разрешение оптических инструментов, создающих изображение объектов определяется волновой природой света.

Таким образом, волновые свойства света экспериментально неопровержимо доказаны.

Заключение

Итак, благодаря работам Х. Гюйгенса, О. Френеля, Т. Юнга устоялось мнение, что свет - это процесс распространения колебаний, т.е. волна.

То, что свет обладает волновыми свойствами, было известно давно. Роберт Гук в своей работе «Микрография» сравнивает свет с распространением волн. Христиан Гюйгенс в 1690 г. опубликовал «Трактат о свете», в котором развивает волновую теорию света.

На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн было выявлено, что свет -- это электромагнитная волна. Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.

Интересно, что Ньютон в своем трактате об оптике убеждает себя и других в том, что свет состоит из частиц - корпускул. Авторитет Ньютона какое-то время даже препятствовал признанию волновой теории света, хотя Ньютон сам сконструировал и изготовил прибор, на котором наблюдал явление интерференции, известное сегодня каждому школьнику под названием «Кольца Ньютона».

Интерференция света - это сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей. Интерференция света наблюдается, при условии: волны имеют одинаковую частоту, постоянную во времени разность фаз.

Имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого.

Дифракция - это явление огибания светом препятствия вследствие интерференции вторичных волн от источников на краях препятствия. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина - система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос. Условие дифракции: размеры препятствий должны быть меньше или равны размеру волн.

Играет существенную роль при рассеянии света в мутных средах, например на пылинках, капельках тумана и т.п. На дифракции света основано действие спектральных приборов с дифракционной решёткой (дифракционных спектрометров). Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов). Благодаря дифракции света изображение точечного источника (звезды в телескопе) имеет вид кружка.

Дисперсия - это зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны). При прохождении света через вещество, имеющее преломляющий угол, происходит разложение света на цвета.

Поляризация - одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). Возникает, когда свет под определенным углом падает на поверхность, отражается и становится поляризованным.

Таким образом, явления интерференции, дифракции, дисперсии, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света.

Итак, мы изучили все волновые свойства света и выяснили, где и когда в жизни мы используем эти свойства. Во многих отраслях естествознания цвет служит важным диагностическим признаком. Имея точную его характеристику, легче определять виды растений, животных, минералов. Огромное значение свет и цвет имеют в изобразительном искусстве.

Список литературы

1. Громов С.В. Физика. Оптика. Тепловые явления. Строение вещества. 11 кл. / С.В. Громов; под ред. Н.В. Шароновой. - М.: Просвещение, 2005. - 287 с.

2. Демонстрационный эксперимент по физике «Волновая оптика». Руководство к выполнению экспериментов.- М.: МГИУ, 2006.- 35 с.

3. Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы / О.Ф. Кабардин. - М.: Дрофа, 2008. - 367 с.

4. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. -- М.: Просвещение, 2009. - 399 с.

5. Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. - М.: Наука 2002. - 624 с.