Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики (стр. 6 из 11)

В роботі «Про теорію світла і кольорів» Юнг писав, що світло є хвильовим процесом в заповнюючому Всесвіт світлоносному ефірі. Відчуття кольору, по Юнгу, залежать від різної частоти коливань, порушуваних світлом в сітківці. Далі Юнг пояснював кольори подряпин на непрозорих поверхнях і робив висновок про те, що ці кольори мають те ж походження, що і кольори тонких прозорих плівок. При цьому Юнг детально обговорював досліди Ньютона, в ході яких спостерігалися веселкові кільця.

В роботі «Лекція про природу світла і кольорів» з курсу лекцій «по натуральній філософії і механічним ремеслам» Т.Юнг висунув ідею про те, що, якщо світло — хвильовий процес, то для нього повинні спостерігатися ті ж явища, які характерні для механічних хвиль (наприклад, для хвиль на воді і для звуку). Юнгом був зроблений дуже важливий висновок про те, що для спостереження взаємного посилення або гасіння світлових хвиль (тобто для спостереження явища інтерференції) світло повинне виходити від одного джерела. При цьому світло слід розділяти за допомогою явищ дифракції, віддзеркалення або заломлення: світло повинне приходити в деяку область простору різними шляхами, але при цьому так, щоб різниця цих шляхів була не дуже велика.

Тепер ми розуміємо, що при великій різниці ходу не зможуть зустрітися цуги хвиль, отримані при розділенні яким-небудь чином хвильового цугу, утвореного в одному акті випуску світла атомом речовини.

Юнг запропонував найпростіший, на його думку, спосіб розділення світла від одного джерела на дві частини: пропустити світло через два дуже маленьких отвори або дві щілини в екрані, які можна розглядати як центри що розходяться у всі сторони пучків світла (мал., де А — щілина, що є джерелом світла — вона виділяє вузький пучок світла від джерела, що знаходиться за нею; б і З — дві щілини в екрані, завдяки яким світло від джерела .А ділиться на дві частини). Якщо на шляху отриманих пучків світла поставити екран, то в області, куди потрапляє світло від обох отворів (або обох щілин) повинне спостерігатися взаємне посилення і гасіння світла залежно від відстаней, які світло пройшло, перш ніж потрапив в ту або іншу точку екрану (залежно від різниці ходу проміння).

На екрані дійсно спостерігалася картина, в центрі якою була біла пляма або біла смуга. Далі симетрично щодо центру картини розташовувалися кольорові смуги.

Досвід Юнга одночасно був прикладом інтерференції і дифракції світлових хвиль, оскільки інтерференційна картина виходила при накладенні двох пучків світла, утворених в результаті дифракції на двох отворах або двох щілинах.

В роботі Юнга не мовилося про спосіб формування пучка світла, падаючого на два отвори або дві щілини. Тепер ми розуміємо, що перша щілина А в установці Юнга (див. мал.) була необхідна для тогна щілини В is. З падало світло тільки від близько розташованих ділянок реального світиться тіла, що знаходиться за першою щілиною. В цьому випадку щілини В і З «ділили» світло фактично від одного джерела на дві частини і тому ці щілини можна було вважати когерентними джерелами світла. Хвилі від когерентних джерел при накладенні давали інтерференційну картину.

Таким чином, досліди Юнга неспростовно свідчили про те, що світло є хвильовим процесом.

2.3 Досліди по поляризації світла

Явище незвичайного заломлення світла (порушення закону заломлення) було вперше знайдено Э. Бартолином в 1669 р. Кристал карбонату кальцію, званий ісландським шпатом, розділяв вузький пучок світла на два, які йшли по різних напрямах . Один пучок світла взагалі не підкорявся закону заломлення: при нульовому куті падіння кут заломлення був відрізнений від нуля, а другий пучок заломлювався відповідно до закону заломлення. З цієї причини перший промінь отримав назву незвичайного, другий — звичайного.

Ісландський шпат — різновид карбонату кальцію; він кристалізується у вигляді кристалів гексагональної системи і володіє яскраво вираженим подвійним променезаломленням. Кристали ісландського шпату зустрічаються в природі у вигляді великих і оптично чистих зразків. І зараз ісландський шпат є якнайкращим матеріалом для вивчення явища подвійного променезаломлення, не дивлячись на те, що існує багато штучних кристалів з властивостями, подібними властивостям ісландського шпату.

Кристал ісландського шпату легко виколюється у вигляді ромбоедра з гранями у формі ромбів з кутами близько 102 і 78°.

Досліди по подвійному променезаломленню були повторені Гюйгенсом і описані їм в «Трактаті про світло». Гюйгенс помітив, що якщо пропустити світло послідовно через два кристали ісландського шпату, то після вторинного проходження через кристал при певній орієнтації світлового променя і кристала, промінь практично повністю зникає. Це означало, що, пройшовши через кристал, світло придбаває нові властивості, стає не таким, яким був до кристала.

Згодом явище, яке спостерігав Бартолін, а потім Гюйгенс, дослідив і назвав полярністю світла Етьен Луї Малюс (1775-1812).

В 1808 р. Французька академія запропонувала досліджувати подвійне променезаломлення з погляду його теоретичного пояснення. Це дослідження провів Малюс. Спостерігаючи через кристал ісландського шпату віддзеркалення Сонця, що заходить, від скла Люксембургського палацу, Малюс помітив, що через кристал видні або одне, або два зображення Сонця. Далі Малюс став досліджувати світло від різних джерел, відображений від поверхні води або скла. В результаті цих досліджень Малюс зробив висновок про те, що властивості світла змінюються не тільки при проходженні через кристал, але і при віддзеркаленні.

Своє відкриття Малюс намагався пояснити, виходячи з корпускулярної теорії світла. Адже визнання світла подовжніми хвилями в світлоносному ефірі не допускало саму можливість поляризации світла. Юнг також визнавав, що відкриття Малюса не вдається пояснити на основі існуючих теоретичних уявлень. Юнг вважав, що в процесі розвитку фізичної теорії іноді доводиться залишати невирішеним окремі питання, які можна вирішити надалі.

Явище поляризації було пояснено після створення Дж.К.Максвеллом теорії електромагнітних явищ, підтвердження цієї теорії в дослідах Р. Герца, вимірювання швидкості світла і встановлення завдяки всьому цьому електромагнітної природи світла. Світло як окремим випадком електромагнітних хвиль є поперечні хвилі і саме тому за певних умов спостерігається його поляризація, властива тільки поперечним хвилям.

На основі ісландського шпату створюють різноманітні кристали, що дозволяють отримати після проходження через них тільки незвичайний промінь.

Одним з таких кристалів є турмалін — двозаломлюючий кристал, в якому звичайний промінь заломлюється значно сильніше незвичайного.

Якщо провести досвід з двома пластинами — кристалами турмаліну, пропустивши світло послідовно спочатку через перший, а потім через другий кристал, то при зміні положення осей кристалів Т1 і Т2 один щодо одного, тобто при повороті однієї з пластин в площині, перпендикулярній напряму розповсюдження світла (мал.8,а),

можна отримати істотне зменшення інтенсивності світла, що пройшло через кристали. Пропускаючи світло тільки через одну з пластин (мал.8,б) і повертаючи її, не можна добитися зміни інтенсивності світла, що пройшло через турмалін. Перший з кристалів є в даному випадку поляризатором — перетворить світло в хвилю, коливання в якій відбуваються в певній площині, другий кристал виступає в ролі аналізатора, знаходячи поляризовану хвилі, пропускаючи лише світлову хвилю з визначеною площиною коливань.

Мал.8

Зараз ми називаємо поляризацією, по-перше, особлива властивість світлової (як і будь-якої електромагнітної) хвилі, що полягає в тому, що вектора напруженості електричного поля і індукції магнітного поля в хвилі, що володіє цією властивістю (тобто в поляризованій хвилі), коливаються не в будь-яких напрямах, а або уздовж однієї прямої (якщо хвиля лінійно поляризована), або в одній площині (якщо хвиля плоскополяризована). При цьому вектор напруженості електричного поля завжди перпендикулярний вектору індукції магнітного поля. По-друге, поляризацією ми називаємо процес перетворення природного світла, в якому присутні самі різні напрями коливань, в поляризовану хвилю. По-третє, ми назвемо поляризацією цілу сукупність фізичних явищі, включаючу подвійне променезаломлення (яке яскравіше за все спостерігається в ісландському шпаті), дихроізм — анізотропію поглинання (різне поглинання звичайного і незвичайного проміння яке добре спостерігати за допомогою кристалів турмаліну), і нарешті, ще одну групу явищ — обертання площини поляризації світла оптично активними середовищами (кварцем, нікотином, розчином цукру і ін.).

Всі явища відносяться до поляризації, знаходять широке застосування: визначення концентрації розчинів, при виготовленні поляроїдів для оптичних приладів і фар автомобілів, поляризаційних світлофільтрів і ін.

2.4 Проблема швидкості світла у фізичній науці

Перші тортури зміряти швидкість світла були зроблені Г. Галілеєм в XVII в. Галілей і його помічник намагалися, знаходячись на відомій відстані один від одного, визначити час між відкриттям заслінки ліхтаря в руках одного експериментатора і моментом, коли світло від ліхтаря помітить інший експериментатор. Проте людські реакції (тактильні і зорові) дуже повільні, щоб можна було зареєструвати такі малі проміжки часу.

Важливість цих перших спроб вимірювання швидкості світла — в самій постановці проблеми: довести кінцівку швидкості світла. Галілей називав світло «якнайшвидшим рухом». І він, мабуть, усвідомлював неможливість вимірювання швидкості світла. Адже час йому, як ми вже знаємо, доводилося виміряти за допомогою власного пульсу або водяного годинника. Тому досвід Галілея носив якісний характер. Головне було встановити, чи миттєво розповсюджується світло.