Введение. Вы, вероятно, знаете, что все вещества состоят всего из трех частиц – электронов, протонов и нейтронов

Вы, вероятно, знаете, что все вещества состоят всего из трех частиц – электронов, протонов и нейтронов. Из протонов и нейтронов образуются ядра. Из ядер и электронов образуются атомы, а из атомов – молекулы, из которых уже образуются разнообразные вещества. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сюда, конечно, надо добавить еще одну частицу – фотон, или квант света. Свет, который мы видим с вами, как раз и состоит из таких фотонов.

свет известен с незапамятных времен, однако его физическая природа стала понятной в историческом плане сравнительно недавно. Исаак Ньютон был первым, кто начал изучать свет систематически. Он обнаружил, что белый свет можно разложить призмой на разные цвета – от красного до фиолетового. Свет одного цвета при пропускании через другую призму далее уже не разлагался, из чего Ньютон сделал вывод, что белый свет представляет собой смесь нескольких чистых компонентов (цветов). Сейчас мы знаем, что каждому цвету можно сопоставить некоторое число, которое называется частотой. При возрастании частоты свет меняется от красного к фиолетовому и далее – к ультрафиолетовому, который мы уже не видим, но знаем, что он есть, так как его можно обнаружить по его действию на фотопластинки. При дальнейшем увеличении частоты мы получим рентгеновское излучение, далее – гамма излучение и т. д. При уменьшении частоты от красного цвета мы придем к тепловому (инфракрасному) излучению, затем к радиоволнам и т. д., вплоть до инфранизких частот. Любое светящееся тело, например Солнце, излучает свет во всем этом диапазоне, от инфранизких до сверхвысоких частот, однако мы видим лишь очень небольшую часть этого спектра (рис. 6.1^*).

Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, которые он назвал корпускулами. Почему он так считал, мы здесь разбирать не будем, так как его аргументация была ошибочной, но сама догадка оказалась гениальной: свет действительно состоит из частиц, которые сейчас называются фотонами. Однако вплоть до начала двадцатого века эта гипотеза Ньютона считалась ошибочной, поскольку она не могла объяснить два хорошо изученных к тому времени явления – дифракцию и интерференцию. Эти явления очень хорошо объясняются волновой теорией, согласно которой световое излучение представляет собой электромагнитную волну.

Дифракция.Дифракцией называется отклонение волн различной природы от прямолинейного распространения при наличии на их пути препятствия. Это явление имеет место для звуковых волн, волн на воде, для электромагнитных волн, в частности для радиоволн и видимого света. Впервые явление дифракции света было описано в 1665 г. италь-янским ученым Франческо Мария Гримальди, который, собственно, и ввел в обиход слово «дифракция», которое в переводе с латинского означает «разбить на части». Наиболее известной является дифракция света на отверстии. При этом на экране появляется светлое пятно, размеры которого превосходят размеры отверстия. Если бы свет распространялся прямолинейно, то, очевидно, размеры пятна совпадали бы с размерами отверстия. Кроме центрального светлого пятна появляются еще светлые пятна меньшей интенсивности, которые отделены от центрального пятна и между собой темными промежутками (рис. 6.2^*).

Интерференция. Интерференцией называется сложение двух или более волн с приблизительно одинаковыми частотами и фазами. В результате интерференции происходит либо усиление, либо ослабление волны в некоторой области пространства. Наиболее известной является интерференционная картина, возникающая при рассеянии света на двух щелях.

Этот эксперимент был впервые осуществлен в 1801 г. английским ученым Томасом Юнгом и с тех пор вошел во все классические учебники по физике и современному естествознанию. В этом эксперименте свет от источника S падает на две щели в преграде А (рис. 6.3^*). на экране В возникает интерференционная картина чередования светлых и темных полос. Эти полосы возникают в результате усиления (светлая полоса) и ослабления (темная полоса) амплитуды результирующей волны при сложении амплитуд волн, приходящих от двух щелей.

Дифракция, о которой говорилось выше, является результатом интерференции множества волн. Если в опыте Юнга убрать перегородку между двумя отверстиями, то мы придем к дифракции на одном большом отверстии. При этом распределение интенсивности на экране будет даваться огибающей кривой, показанной на рис. 6.3^*. Этот результат возникает вследствие интерференции от бесконечного количества точечных источников, на которые можно разбить большое отверстие.

Эти два волновых явления – дифракция и интерференция – со времен Ньютона успешно объяснялись волновой теорией. Однако впоследствии оказалось, что свет на самом деле состоит из отдельных частиц – фотонов. Эта гипотеза предложена еще Ньютоном, но она в его время была отвергнута, поскольку не могла объяснить дифракцию и интерференцию.