Государственная Академия Управления имени С. Орджоникидзе
Институт информационных систем управления
НА ТЕМУ:
Двойственная природа света, ее проявления. Шкала электромагнитных волн.
Студент группы ММиИОЭ 1-2 Булатов А.В.
Научный руководитель: Карпенков С.Х.
Москва, 1998 год.
1.Оглавление……………………………………………………….…. 2
2.Аннотация…………………………………………………………... 3
3.Введение…………………………………………………………….. 4
4.Основная часть……………………………………………………... 6
5.Дифракция………………………………………………………….. 7
6.Дифракционная решетка…………………………………………... 9
7.Дисперсия………………………………………………………..… 10
8.Поляризация……………………………………………………….. 11
9.Фотоэффект………………………………………………………... 14
10.Шкала электромагнитных волн…………………………………... 17
11.Радиоволны………………………………………………………... 18
12.Инфракрасное излучение…………………………………………. 25
13.Видимый свет…………………………………………………….... 25
14.Ультрафиолетовое излучение…………………………………….. 26
15.Рентгеновские лучи……………………………………………….. 27
16.Гамма-излучение………………………………………………….. 28
17.Заключение………………………………………………………… 28
18.Список использованной литературы ……………………………. 30
Чувствительность нашего зрительного аппарата к свету чрезвычайно велика. По современным измерениям для получения светового ощущения достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоятельствах попадало около 10-17Дж световой энергии в секунду, т. е. мощность, достаточная для ощутимого светового раздражения, равны 10-17Вт. Трудно переоценить значение света в продуктивной жизни человека, т. к. большинство информации поступает в мозг человека именно через зрительные нервы.
Химическое действие света можно наблюдать при выцветании различных красок.
Нагревание тел при поглощении света есть самый общий и наиболее легко осуществимый процесс, который может быть использован для обнаружения и использования световой энергии.
Освещение металлической поверхности может вызвать вырывание из нее электронов.
Из перечисленных примеров видно, сколь разнообразны могут быть действия света поэтому, в данной работе раскрывается природа света, и объясняются многие явления им вызываемые.
Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в 17 веке. К этому времени были обнаружены два замечательных свойства света – прямолинейность распространения в однородной среде и независимость распространения световых пучков, т.е. отсутствие влияния одного пучка света на распространение другого светового пучка.
И. Ньютон в 1672 г. высказал предположение о корпускулярной природе света. Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона – Р. Гук и Х. Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света.
Скорость света. Первым большим успехом в изучении природы света было измерение скорости света.
Самый простой способ измерения скорости света заключается в измерении времени распространения светового сигнала на известное расстояние. Например, можно встать с электрическим фонарем напротив зеркала, в момент включения фонаря запустить секундомер, а в момент времени, соответствующий возвращению света, отраженного зеркалом, остановить секундомер. По измеренному времени t и расстоянию 2l, пройденному светом, находится скорость c света:
c=2l/t
Однако попытки осуществления такого рода опытов оканчивались неудачей, никакого запаздывания света даже при расстоянии до зеркала в несколько километров обнаружить не удалось.
Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Датский ученый Олаф Ремер (1644-1710) в 1676 г. обнаружил, что при изменении расстояния между Землёй и планетой Юпитер вследствие их обращения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появления спутника Юпитера Ио из его тени. В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спутник Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты позже, чем это должно произойти по расчетам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, - следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной запаздывания появления спутника Юпитера при увеличении расстояния между Землёй и Юпитером является конечность скорости света. При перемещении Земли на противоположную сторону ее орбиты расстояние между Землёй и Юпитером увеличилось на диаметр земной орбиты, т.е. на 300млн. км. Разделив это расстояние на кажущееся время запаздывания, Ремер нашел, что скорость света превышает 200 000 км/с.
Более точные измерения показывают, что скорость света равна 299 792 км/с или примерно 300 000 км/с.
Электромагнитная природа света. Одним из наиболее трудных для волновой теории света был вопрос о том, что же колеблется при распространении световых волн, в какой среде они распространяются.
На вопрос о природе света и механизме его распространения давала ответ гипотеза Максвелла. На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости света в вакууме со значением скорости распространения электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет – электромагнитные волны. Эта гипотеза подтверждается многими экспериментальными фактами. Представлениям электромагнитной теории света полностью соответствуют экспериментально открытые законы отражения и преломления света, явления интерференции, дифракции и поляризации света.
Корпускулярно-волновой дуализм. Законы фотоэффекта, явления взаимодействия света с веществом электромагнитная теория света объяснить не может. В 20 веке в физике утвердились представления о корпускулярно-волновом дуализме свойств света.
Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что природа света более сложна, чем природа привычных нам тел окружающего мира. Свет не является совокупностью частиц, подобных маленьким дробинкам, нельзя его представлять себе и подобным звуковым волнам или волнам на поверхности воды.
В любых световых явлениях при глубоком их изучении обнаруживается неразрывная связь корпускулярных и волновых свойств света.
Рассматривая двойственную природу света, следует понимать, что эта двойственность означает одновременное наличие у света молекулярных и волновых свойств. Так какие же свойства присущи свету и как их отличать друг от друга? Я предлогаю следущую таблицу:
Волновые | Квантовые |
| -отражение | -фотоэффект |
| -преломление | -давление света |
| -интерференция | -эффект Комптона |
| -поляризация | -отражение |
| -дисперсия | |
| -давление света |
Сначала напомню ключевые понятия.
Интерференция – физическое явление перераспределения волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн.
Поляризация – физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне.
Дисперсия – зависимость показателя преломления вещества от длинны волны падающего излучения.
Дифракция (результат интерференции) – физическое явление нарушения прямолинейного распространения волн в неоднородных средах.
Фотоэффект- явление вырывания электронов с поверхности тел под действием света.
Эффект Комптона- явление изменения длины волны излучения при его рассеивании.
Легко заметить, что некоторые явления включены в обе колонки. Это означает, что их природу можно объяснить как с квантовых, так и с волновых позиций. Однако существуют как число волновые свойства света (поляризация, дисперсия, дифракция), так и квантовые(фотоэффект и эффект Комптона). Рассмотрим их чуточку подробнее.
Простейший случай нарушения законов геометрической оптики наблюдается в случае прохождения света через очень малое отверстие, при этом наблюдается несоблюдение правил прямолинейного распространения: свет на краях отверстия заметно отклоняется в стороны, огибая края.
Так, свет, идущий от небольшого яркого источника через круглое отверстие, должен по законам геометрической оптики дать на экране резко ограниченный светлый кружок на темном фоне. Такая картина и наблюдается при обычных условиях опыта. Но если расстояние от отверстия до экрана в несколько тысяч раз превосходит размеры отверстия, то удается наблюдать важные детали явления: образуется более сложная картина, которая состоит из совокупности светлых и темных концентрических колец, постепенно переходящих друг в друга. При другом соотношении между диаметром отверстия и расстоянием до экрана в центре картины может быть темное пятно. Этот случай совершенно необъясним с позиции геометрической оптики, однако он получает простое объяснение с точки зрения волновой теории и является естественным следствием этой теории.
Появление чередующихся колец или полос в области геометрической тени французский физик Френель объяснил тем, что световые волны, приходящие из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой.
Метод зон Френеля для объяснения дифракции на отверстии.
1) Разобьем волновой фронт, находящийся в пределах отверстия, из точки наблюдения на отдельные участки (зоны).
2) Если из данной точки отверстие разбивается на четное число зон, то в этой точке наблюдается дифракционный минимум, а если в отверстие укладывается нечетное число зон, то максимум.
В нашей жизни мы не встречаем дифракции на отверстии и это не удивительно, т. к. для этого необходимо чтобы размер отверстия был соизмерим с длинной волны.