Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Тема 15. Природа світла. Квантово-хвильовий дуалізм

План

Ідеї стародавніх філософів про природу світла

Корпускулярна теорія світла.

Хвильова теорія світла

Електромагнітна теорія світла

Квантова теорія світла

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

1. Оптика вивчає поширення світла і його взаємодію з речовинами. Слово оптика походить від грецького слова „оптікос” і означає „зоровий”.

Питання „Що таке світло?” цікавило ще стародавніх філософів. Більшість із них дотримувалися тієї точки зору, що світло створюється усередині самої людини й випромінюється з її ока. Деякі філософи розглядали світло як матеріальні промені, що сполучають тіло, яке світиться, та людське око. Вони вважали, що відкрите око випромінює „флюїди” та „обмацує” ними, ніби найтоншими щупальцями, предмети, які бачить, інші вважали, що з кожного предмета зриваються оболонки, подібні до самих предметів. Ці „образи”, потрапляючи до ока, викликають відчуття форми й кольору предметів.

2. Першою науковою теорією, яка намагалася пояснити фізичну природу світла, стала теорія світлових частинок (корпускулярна теорія), розроблена І. Ньютоном і викладена ним у книзі „Оптика”. Відповідно до її положень, світло являє собою потік частинок, які випускаються тілом, що світиться у всіх напрямах (перенесення речовини). Виходячи з корпускулярних уявлень (відповідно до яких речовина складається з найдрібніших частинок – корпускул: молекул, атомів) Ньютон пояснив більшість відомих тоді оптичних явищ: прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі, відбивання та заломлення світла.

3. Відповідно до хвильової теорії X. Гюйгенса світло – це хвилі, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі – ефірі, який заповнює весь простір і проникає усередину всіх тіл. Гюйгенс не розглядав справжнього хвильового процесу, його міркування стосувалися лише поширення хвильового фронту. Він суто математично описав явище відбивання й заломлення хвиль і показав, що швидкість світла в більш густому середовищі має бути меншою, ніж у повітрі.

Хвильова теорія світла Гюйгенса знайшла підтвердження у роботах Юнга, Френеля та Фуко.

У 1801 році Т. Юнг на підставі хвильових уявлень дуже просто й наочно роз’яснив інтерференцію світла та розвинув, таким чином, хвильову теорію світла.

У 1818 році О. Френель незалежно від Юнга вивів докладну теорію дифракції й інтерференції світла, показавши, що інтерференція є прямим наслідком хвильової природи світла.

Остаточний удар по корпускулярній теорії був нанесений дослідами Ж. Фуко. Він виміряв швидкість світла у воді й показав, що її значення збігається з теоретично здобутим у хвильовій теорії.

Хвильова теорія з єдиної точки зору пояснила усі відомі тоді явища й передбачила низку нових. Понад сто років корпускулярна й хвильова гіпотези про природу світла існували паралельно. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Лише авторитет І. Ньютона змушував більшість учених віддати перевагу корпускулярній теорії.

4. У другій половині XIX століття Дж. Максвелл довів, що світло являє собою окремий вид електромагнітних хвиль. Його роботи заклали підґрунтя електромагнітної теорії світла. Після експериментального виявлення електромагнітних хвиль Г. Герцем не залишилося ніяких сумнівів у тому, що під час поширення світло „поводиться” як електромагнітна хвиля.

Під світлом часто розуміють ті електромагнітні хвилі, довжина яких становить приблизно від 700 до 400 нм, тобто ті, які сприймаються оком людини. Сучасна оптика вивчає хвилі і меншої довжини – (ультрафіолетові), і більшої (інфрачервоні). Тіло, яке випромінює світло, називають джерелом світла. Джерела світла розрізняють за багатьма параметрами, наприклад, штучні і природні. Теплові джерела – ті, які світяться в результаті нагрівання, і нетеплові– вони світяться завдяки реакціям, у яких беруть участь, наприклад, (окиснення і т. д.). Джерела світла можуть бути точковими і масивними, випромінювати біле світло і монохроматичне (одного кольору). Детальне вивчення показує, що теплові джерела випромінюють світло різних довжин хвиль, яке називають некогерентним. Газові лазери випромінюють упорядковане, когерентне світло, частинки якого називають фотонами або квантами. Фотони утворюються окремими атомами чи молекулами і в результаті їх незалежності в нагрітому тілі потік фотонів виявляється невпорядкованим.

У 1899 році П.М. Лебедєв навів новий доказ тотожності світлових і електромагнітних хвиль. Він виявив дослідним шляхом, що світло тисне на тіла, на які падає, й виміряв цей тиск. За теорією Максвелла електромагнітні хвилі також чинять подібний тиск. Таким чином, у другій половині XIX століття була заснована електромагнітна теорія світла.

Оскільки світло є електромагнітною хвилею, то в однорідному середовищі воно поширюється рівномірно і прямолінійно. Це дозволяє використовувати пучки світла для точних робіт (будівництва тунелів, високих будинків і т.п.).

Прямолінійне поширення світла від точкового джерела утворює різкі контури тіней – зон, куди не потрапляють промені від частин поверхонь джерела світла. Якщо джерело світла протяжне, то утворюються також зони півтіней, куди попадають промені від частин поверхні джерела світла.

5. На початку XX століття уявлення про природу світла почали докорінно змінюватися. Раптом з’ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все-таки має відношення до реальності.

Намагаючись подолати труднощі класичної фізики щодо пояснення випромінювання нагрітого твердого тіла німецький фізик Макс Планк 1900 року. висловив таку гіпотезу: запас енергії коливальної системи, яка знаходиться у рівновазі з електромагнітним випромінюванням, не може набувати довільних значень. Мінімальну кількість енергії, яку система може поглинати або випромінювати, називають квантом енергії.

У 1905 році А. Ейнштейн припустив, що світло поширюється в просторі у вигляді дискретних об’єктів – квантів світла. Пропускаючи і поглинаючи енергію світло поводиться як потік частинок з певною енергією. Порція світла випадково почала бути схожою на те, що називають частинкою. Властивості світла, які виявляються під час поглинання і випромінювання, називають корпускулярними, а саму світлову частинку – фотоном чи квантом електромагнітного випромінювання. У сучасній фізиці фотон розглядають як одну із елементарних частинок.

Таким чином, були виявлені властивості переривистості або, як кажуть, квантові властивості світла.

6. За сучасними уявленнями світло випромінюється і поглинається порціями, а тому і поширюється порціями. Фотон зберігає свою індивідуальність протягом всього свого існування. Водночас світлу властиві явища інтерференції, дифракції, поляризації та інші хвильові властивості. Ці факти дозволили зробити припущення, що світлу властивий дуалізм (подвійність).

Виникла надзвичайна ситуація: явища інтерференції та дифракції, як і раніше, можна було пояснити, вважаючи світло хвилею, а явища випромінювання й поглинання – вважаючи світло потоком частинок.

У результаті численних обговорень, пошуків і досліджень виникла сучасна дуалістична (подвійна) теорія світла, що є синтезом корпускулярної та хвильової теорій. В основі цієї теорії лежить думка, що світло одночасно має і хвильові й корпускулярні властивості: під час поширення світла проявляються його хвильові властивості, а у разі взаємодії з речовиною – корпускулярні.

Запитання для самоперевірки

1. Що вивчає оптика?

2. Поясніть сутність корпускулярної теорії світла.

3. В чому суть хвильової теорії світла?

4. Яке підґрунтя електромагнітної теорії світла?

5. Світлові хвилі якої довжини сприймає людське око?

6. Що називають джерелом світла?

7. У чому різниця між тепловими і нетепловими джерелами світла?

8. У чому відмінність некогерентного і когерентного світла?

9. Як поширюється світло в однорідному середовищі? Чому?

10. Сутність гіпотези Планка.

11. Що таке фотон?

12. Основа дуалістичної теорії світла.

Теми рефератів

1. Геометрична оптика

2. Закони відбиття світла

3. Лінзи

4. Інтерференція, дифракція, поляризація світла

5. Фотоефект