Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну, т.е. совокупность двух поперечных взаимно перпендикулярных волн - электрической и магнитной, идущих вдоль общей прямой r, называется световым лучом (рис.4.3.а)

Луч (свет), у которого электрические колебания совершаются всё время в одной и только в одной плоскости, называется поляризованным лучом (светом); разумеется, что при этом магнитные колебания совершаются в другой (перпендикулярной) плоскости (плоскость поляризации света). Из данного определения следует, что свет, излучаемый отдельным атомом, является поляризованным.

На практике мы никогда не встречаемся со светом от одного отдельного атома, поскольку всякий реальный источник света (светящееся тело) состоит из множества атомов, излучающих беспорядочно, т.е. испускающих световые волны со всевозможными ориентациями плоскости колебаний. Эти волны налагаются друг на друга, в результате чего другому лучу, исходящему от реального (естественного) источника света, будет соответствовать множество разнообразно ориентированных плоскостей колебания. (рис.4.3.б).

Такой луч является неполяризованным и называется естественным лучом (светом). Естественный свет можно поляризовать, т.е. превратить его поляризованный свет. Для этого надо создать такие условия, при которых колебания вектора напряжённости электрического поля Е могли бы совершаться только вдоль одного определённого направления. Подобные условия могут, например, иметь место при прохождении естественного света через среду, анизотропную в отношении электрических колебаний (в различных направлениях кристалл обладает различными физическими свойствами). Поэтому можно ожидать поляризацию света, проходящего через кристалл. Действительно, опыт показывает, что многие природные и искусственно созданные кристаллы поляризуют проходящий через них естественный свет.

К природным кристаллам, поляризующих свет, относится, например турмалин. Естественный луч, прошедший через пластинку турмалина 1, вырезанную параллельно оптической оси ОО' кристалла (в каждом кристалле имеется направление, относительно которого атомы кристаллической решетки расположены симметрично; оно называется кристаллической осью кристалла), полностью поляризуется и имеет электрические колебания только в главной плоскости Q, содержащей оптическую ось и луч (рис. 4.3.в).

Если за пластинкой 1 помещена вторая пластинка турмалина 2, ориентированная так, что её оптическая ось перпендикулярна оптической оси пластинки 1,то через вторую пластинку луч не пройдёт (т.к. его электрические колебания перпендикулярны главной плоскости Q пластинки 2). Если же оптически оси пластинок 1 и 2 составляют угол б, отличный от 90о, то свет (луч) проходит через пластинку 2 (рис. 4.3.г).

Однако, как это следует из рисунка, амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку 2, будет меньше амплитуды Ео световых колебаний, падающих на эту пластинку:

Е=Еоcosб (4.3.1)

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, то

J=Jocos2б, (4.3.2)

где Jo - интенсивность света, падающего на пластинку 2, J - интенсивность света, прошедшего через эту пластинку. Это соотношение называется законом Малюса.

Таким образом, поворот пластинки 2 вокруг поляризованного луча сопровождается изменением интенсивности света, прошедшего через эту пластинку; максимум интенсивности имеет место при б=0о, минимум (соответствующий полному гашению света) - при б=90о.

Пластинка 1, поляризующая естественный свет, называется поляризатором, а пластинка 2, посредством которой изменяется интенсивность поляризованного света (тем самым обнаруживается факт поляризации), называется анализатором.

3.4 Дисперсия света

Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц - фотонов. Но при этих явлениях свет имеет и волновые свойства, они для этих явлений просто не существенны.

Возникает вопрос, что представляет собой свет - непрерывную электромагнитную волну, излучаемую источником, или поток дискретных фотонов, испускаемых источником? Необходимость приписывать свету, с одной стороны, квантовые, корпускулярные свойства, а с другой стороны, волновые - может создать впечатление несовершенства наших знаний о свойствах света. Необходимость пользоваться при объяснении экспериментальных фактов различными и как будто бы исключающими друг друга представлениями кажется искусственной. Хочется думать, что всё многообразие оптических явлений можно объяснить на основе одной из двух точек зрения на свойства света.

Одним из наиболее значительных достижений физики нашего века служит постепенное убеждение в ошибочности попытки противопоставить друг другу волновые и квантовые свойства света. Свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не исключают свойств дискретности, характерные для световых квантов - фотонов. Свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Он представляет собой диалектическое единство этих противоположных свойств. Электромагнитное излучение (свет) - это поток фотонов, распространение и распределение которых в пространстве описывается уравнениями электромагнитных волн. Таким образом, свет имеет корпускулярно - волновую природу.

Корпускулярно - волновая природа света отражена в формуле 5.1,связывающей корпускулярную характеристику фотона - импульс с волновой характеристикой света - с частотой (или длиной волны).

pф=hv/c=h/l--(5.1)

Однако корпускулярно - волновая природа света не означает, что свет - это и частица, и волна в привычном классическом их представлении. Взаимосвязь корпускулярных и волновых свойств света находит простое истолкование при статистическом (вероятном) подходе к рассмотрению распределения и распространения фотонов в пространстве.

Рассмотрим дифракцию света, например, на круглом отверстии.

Если через отверстие пропустить один фотон, то на экране не будет чередующихся светлых и тёмных полос, как следовало бы ожидать с волновой точки зрения; фотон попадает в одну, ту или иную, точку экрана, а не расплывается по нему, как должно бы быть по волновым представлениям. Но при этом нельзя фотон рассматривать как частицу и рассчитать, в какую именно точку он попадает, что можно бы сделать, если бы фотон был классической частицей.

Если пропустить через отверстие N фотонов по одному друг за другом, разные фотоны могут попасть в разные точки экрана. Но в те места, где согласно волновым представлениям должны быть светлые полосы, фотоны будут попадать чаще.

Если же через отверстие пропустить все N фотонов сразу, то в каждой точке пространства и экрана оказывается столько фотонов, сколько попадало туда при пропускании их по одному. Но в этом случае соответствующее число фотонов в каждую точку экрана попадает одновременно и, если N велико, на экране будет наблюдаться дифракционная картина, ожидаемая с точки зрения волновых представлений.

Например, для темных интерференционных полос квадрат амплитуды колебания и плотность вероятности попадания фотонов минимальна, а для светлых полос квадрат амплитуды и плотность вероятности максимальны.

Таким образом, если свет содержит очень большое число фотонов, то при дифракции его можно рассматривать как непрерывную волну, хотя он состоит из дискретных не размытых фотонов.

В явлении внешнего фотоэлектрического эффекта важно, что каждый фотон сталкивается только с одним электроном (как частица с частицей) и поглощается им, не делясь на части, как целое, а не то, какой именно фотон, в какой именно свободный электрон попадает (это определяется волновыми свойствами) и выбивает его. Поэтому при фотоэффекте свет как будто можно рассматривать как поток частиц.

Корпускулярно - волновая природа электромагнитного излучения была установлена именно для света потому, что обычный солнечный свет, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, с одной стороны, представляет поток большого числа фотонов и четко проявляет волновые свойства, а с другой стороны, фотоны света имеют энергию, достаточную для осуществления таких эффектов, как фотоионизация, фотолюминесценция, фотосинтез, фотоэффект, в которых определяющую роль играют корпускулярные свойства. Фотоны же, соответствующие, например, радиоволнам, имеют малую энергию, и отдельные фотоны заметных действий не оказывают, и регистрируемые радиоволны должны содержать много фотонов и вести себя скорее как волны. ? -лучи же, возникающие при радиоактивных распадах ядер и ядерных реакциях, имеют большую энергию, их действие легко регистрируется, но поток большого числа фотонов получается в специальных условиях в ядерных реакторах. Поэтому ??- лучи чаще проявляют себя как частицы, а не как волны.

Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс, масса и спин локализованы в фотонах, а не размыты в пространстве, но не в том, что фотон может находиться в данном точно определенном месте пространства. Свет ведет себя как волна в том смысле, что распространение и распределение фотонов в пространстве носят вероятный характер: вероятность того, что фотон, находится в данной точке, определяется квадратом амплитуды в этой точке. Но вероятностный (волновой) характер распределения фотонов в пространстве не означает, что фотон в каждый момент времени находится в какой-то одной точке.

Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

5. Действие света

Световая волна, падающая на тело, частично отражается от него, частично проходит насквозь, частично поглощается. В большинстве случаев энергия поглощенной световой волны целиком переходит во внутреннюю энергию вещества, что приводит к нагреванию тела. Нередко, однако, известная часть этой энергии вызывает и другие явления. Очень важными действиями света, получившими большие практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фотолюминесценция и фотохимические превращения.

Простейший опыт обнаруживающий фотоэлектрический эффект описан на рисунке 6.1. Хорошо очищенная цинковая пластинка 1 прикреплена к электроскопу 2 и освещается источником 3, богатым ультрафиолетовым излучением (электрическая дуга или кварцевая ртутная лампа). Если электроскоп заряжен отрицательно, то под действием света ртутной лампы он разрежается. Разряд происходит тем быстрее, чем больше освещённость пластинки, т.е. чем больше световой поток, падающий на пластинку. Явление разряда не происходит, если на пути лучей помещено стекло 4, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Если электроскоп заряжен положительно, то заряд на нём сохраняется, несмотря на освещение.

Из этих опытов, равно как из других, им подобных, можно прийти к следующим заключениям. Отрицательный заряд теряется с поверхности металла при освещении. Положительный заряд сохраняется на поверхности металла, несмотря на освещение. Этот важный вывод, показывающий, что эффект наблюдается лишь в том случае, когда освещаемая пластинка соединена с отрицательным полюсом батареи, впервые с полной определённостью был установлен русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839 - 1896). В случае цинковой пластинки существенное значение для явления имеет освещение ультрафиолетовым излучением.

Описанный опыт показывает различие в свойствах отрицательных и положительных зарядов, входящих в состав металла. Первые представляют собой электроны, слабо связанные с металлом и могущие легко перемещаться в металле (проводимость) и сравнительно легко удаляться за его пределы (фотоэффект). Вторые же являются положительными ионами, составляющими решетку этого металла, так что вырывание их есть не что иное, как распыление самого металла. Если металл заряжен отрицательно, то освобождённый электрон удаляется прочь от металла под действием электрического поля, созданного заряженным металлом. В случае положительного заряда, электроны, которых всегда имеются в металле, могли бы быть также освобождены светом. Но электрическое поле, имеющееся вокруг положительного заряженного тела, тормозит вылетевшие электроны и стремится вернуть их обратно к телу. Поэтому если кинетическая энергия вылетевшего электрона (а, следовательно, и его скорость) не достаточна, велика, то электроны, не смотря на действие света, не могут покинуть пластинку, и положительный заряд её остаётся неизменным.

Способность света вызывать отделение электронов от металла является одним из важнейших доказательств электромагнитного характера световой волны.

Список используемой литературы