Тема 2.1. ПРИРОДА СВЕТА

Тема 2.1.
ПРИРОДА СВЕТА
1. Краткая история развития представлений о природе света.
2. Понятие об электромагнитной теории света. Диапазон световых волн.
3. Понятие о квантовой теории света. Постоянная Планка.
4. Источники света. Явление люминесценции.
5. Скорость распространения света.
1. Краткая история развития представлений о природе света.
Часть физики, рассматривающую световые явления, называют оптикой
(от греческого «оптикос» — зрительный), а сами световые явления называют
оптическими.
Падающий на предметы свет позволяет нам видеть их и ориентироваться
в пространстве. Однако этим действие света не ограничивается. Вспомните,
например, как сильно нагреваются тела, на которые попадает солнечный свет.
Следовательно, свет обладает энергией и переносит ее в пространстве.
Поскольку энергию могут переносить либо тела, либо волны, можно выдвинуть
две гипотезы о природе света. Световое излучение должно состоять либо из
потока мельчайших частиц, которые Ньютон назвал корпускулами, либо из
волн, распространяющихся в какой-либо среде.
На основе первой гипотезы Ньютон создал корпускулярную теорию
света, с помощью которой объяснялись очень многие оптические явления.
Например, различные цвета излучения объяснялись различной формой
составляющих его корпускул. На основе второй гипотезы в XVII в.
голландский ученый X. Гюйгенс создал волновую теорию света. С помощью
теории Гюйгенса хорошо объяснялись такие явления, как интерференция и
дифракция света и др.
Поскольку ни одна из этих теорий в отдельности не могла полностью
объяснить все оптические явления, вопрос об истинной природе светового
излучения оставался нерешенным. В начале XIX в. после исследований О.
Френеля, Ж. Фуко и многих других ученых выяснилось преимущество
волновой теории света перед корпускулярной. Однако у волновой теории был
один крупный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение
представляет собой поперечные механические волны. Следовательно, между
Солнцем и Землей должно быть вещество, так как свет свободно проходит от
Солнца до Земли. Поэтому был создана гипотеза о мировом эфире,
заполняющем все пространство между телами и молекулами. Если вспомнить,
что поперечные волны возможны только в твердых телах, то придется
допустить, что эфир должен обладать свойствами упругого твердого тела.
Однако присутствие эфира никак не отражается на движении Земли в мировом
1
пространстве. Значит, эфир ничем себя не проявляет, кроме того, что в нем
распространяется свет, хотя и обладает свойствами твердого тела. Такие
противоречивые свойства эфира ставили под сомнение гипотезу о его
существовании.
Это противоречие в волновой теории света в основном было устранено Д.
Максвеллом. Максвелл обратил внимание на то, что скорость распространения
света в вакууме совпадает с вычисленной им скоростью распространения
электромагнитных волн. На этом основании он выдвинул гипотезу об
электромагнитной природе света, которая затем была подтверждена многими
опытами. Таким образом, к концу XIX в. была создана электромагнитная
теория света, которой пользуются и в настоящее время.
2. Понятие об электромагнитной теории света. Диапазон световых волн.
Согласно электромагнитной теории света всякое световое излучение
является электромагнитными волнами. Однако далеко не все электромагнитные
волны являются световыми, а только те, что вызывают у человека зрительное
ощущение. К световому излучению относятся только волны с частотой
колебаний от 4 ⋅ 1014 до 7,5 ⋅ 1014 Гц. В этом интервале каждой частоте
соответствует свой цвет излучения. Например, частоте 5,4 ⋅ 1014 Гц
соответствует зеленый цвет. По частоте излучения всегда можно найти длину
его волны в вакууме:
λ=
c
.
ν
Расчет показывает, что световое излучение в вакууме имеет длины волн
от 400 нм (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет).
Заметим, что при переходе светового излучения из одной среды в другую
его цвет сохраняется, так как сохраняется его частота, а длина волны
изменяется вследствие изменения скорости распространения света. Когда на
2
практике цвет излучения характеризуют длиной волны, то длины волн
указывают для вакуума.
Максвелл теоретически показал, что световое излучение (как и другие
электромагнитные волны) должно осуществлять давление на тела, что
подтвердилось опытами П. Н. Лебедева.
3. Понятие о квантовой теории света. Постоянная Планка.
Анализ состава излучения светящихся тел показал, что его распределение
по частотам колебаний не согласуется с законами излучения, выведенными из
волновой теории света. Стремясь найти объяснение этому факту, немецкий
физик М. Планк (1858—1947 гг.) предположил, что свет излучается не в виде
волн, а в виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал
квантами (от латинского «квантум» - количество, масса). В настоящее время
кванты света называют фотонами.
На основе анализа оптических явлений было установлено, что те из них,
которые связаны с распространением света в какой-либо среде, можно
объяснить только с помощью волновой теории, а те, которые связаны с
испусканием и поглощением света, объяснялись только с помощью
представления о квантовом составе светового излучения. Все это означало, что
для объяснения оптических явлений необходима новая теория, объединяющая
волновые и корпускулярные свойства света. Эта новая теория получила
название квантовой теории света ив своем первоначальном виде была создана
трудами Планка, Эйнштейна, Бора и других ученых.
В настоящее время квантовая теория объясняет не только оптические
явления, но и множество других явлений из всех разделов физики. Эта теория
раскрыла новые свойства вещества и поля, предсказала много новых явлений,
которые впоследствии были обнаружены опытным путем.
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света по этой
теории выражается формулой Планка:
ε = hν
(1)
где ε - энергия кванта, ν - частота колебаний электромагнитного излучения и
h - постоянный коэффициент, одинаковый для всех волн и квантов, который
называют постоянной Планка. В СИ числовое значение h следующее:
=
h 6,62 ⋅ 10−34 Дж*с.
Итак, согласно квантовой теории
световое излучение заданной
частоты ν состоит
из
фотонов (квантов)
с
определенной
энергией ε , выражаемой формулой (1). Следовательно, энергия кванта прямо
пропорциональна частоте колебаний электромагнитного излучения.
Поскольку c = νλ , то из формулы (1) получим
3
ε=
hc
,
λ
(2)
т. е. энергия кванта обратно пропорциональна длине волны излучения в
вакууме.
Опыт показал, что, пока фотон существует, он движется со скоростью с (в
вакууме) и ни при каких условиях не может замедлить свое движение или
остановиться. При встрече с веществом он может быть поглощен частицей
вещества. Тогда сам фотон исчезает, а его энергия целиком переходит к
поглотившей его частице. Фотон не имеет массы покоя. Эта замечательная
особенность фотонов отличает их от частиц вещества, например от протонов
или электронов.
Заметим, что до сих пор не ясно, почему в одних явлениях свет
обнаруживает ярко выраженные волновые свойства, а в других корпускулярные свойства и каким образом такие противоречивые свойства
могут объединяться в излучении. По квантовой теории объединение
корпускулярных и волновых свойств является природным качеством всей
материи вообще, т. е. каждая частица вещества обладает волновыми
свойствами и каждая волна обладает корпускулярными свойствами.
4. Источники света. Явление люминесценции.
Все тела, молекулы и атомы которых создают видимое излучение,
называют источниками света. Можно привести множество примеров
различных источников света: лампа накаливания, горящая спичка, газосветные
трубки.
Условно их можно разделить на группы по способу возбуждения частиц,
испускающих свет.
К первой группе относятся температурные источники света, в которых
свечение возникает за счет возбуждения атомов и молекул хаотическим
движением частиц в теле при достаточно высокой температуре. Энергия
излучения таких источников света получается за счет их внутренней энергии.
Ко второй группе относятся люминесцентные источники света,
возбуждение атомов и молекул которых обусловлено не высокой температурой,
а потоком летящих частиц вещества, например электронов, воздействием
внешнего электромагнитного излучения или химической реакцией.
Такое свечение всегда возникает за счет какой-либо поглощенной телом
энергии, которая не вызвала его нагревания. Если между моментом
поглощения энергии телом и ее выделением в виде излучения, возникающего
независимо от температурного излучения, проходит измеримый на опыте
промежуток времени, то это излучение называется люминесцентным, а
вызванное им свечение - люминесценцией.
При поглощении какой-либо энергии частицы люминесцентного
вещества (молекулы, атомы или ионы) переходят в возбужденное состояние, в
котором они могут находиться в течение определенного времени (в
4
зависимости от рода вещества от 10-9 с до нескольких часов). При возвращении
в нормальное состояние они испускают люминесцентное излучение. В
зависимости от способа возбуждения различают несколько видов
люминесценции.
Свечение разреженного газа при прохождении через него электрического
тока
называется
электролюминесценцией.
Электролюминесценция
наблюдается также в полупроводниках и используется в светодиодах. При
пропускании прямого тока через p − n -переход светодиода происходит
интенсивная рекомбинация электронов и дырок с испусканием квантов
излучения. В этом случае происходит преобразование электрической энергии в
световую, т. е. процесс, обратный внутреннему фотоэффекту. Кремниевые
светодиоды являются источниками инфракрасного излучения, а светодиоды на
карбиде кремния ( SiC ), фосфиде галлия ( GaP ) излучают видимый свет.
Люминесценция, возникающая в результате поглощения телом светового
излучения,
называется
фотолюминесценцией.
Как
правило,
при
фотолюминесценции твердых веществ и жидкостей наблюдается излучение
более длинных волн, чем у поглощенного излучения. Обычно для возбуждения
используется ультрафиолетовое излучение, а возникает фотолюминесцентное
излучение в видимой части спектра.
Таким образом, происходит как бы трансформация излучения. Эта
особенность фотолюминесценции была установлена в 1852 г. английским
ученым А. Стоксом и теперь называется правилом Стокса: спектр
фотолюминесценции сдвинут в сторону длинных волн по сравнению со
спектром поглощённого излучения.
Квантовая теория излучения дает следующее объяснение этому правилу:
поглотив квант излучения hν 0 и перейдя в возбужденное состояние, молекула
(атом, ион) может потерять часть полученной энергии, передав ее другим
молекулам в процессе теплового движения, а оставшаяся энергия излучается в
виде кванта hν . Если потерянную молекулой энергию обозначить A , то
hν = hν 0 − A .
Следовательно, частота люминесцентного излучения меньше частоты
поглощенного, а длина волны соответственно больше.
Спектр фотолюминесценции почти не зависит от поглощенного
излучения и характерен для данного вещества. Это используется при
люминесцентном анализе для определения состава и чистоты веществ.
Чувствительность этого метода анализа очень велика - обычно люминесценцию
вещества можно наблюдать при концентрациях вещества 10-7 - 10-9 г/см3.
Время, в течение которого наблюдается фотолюминесценция вещества
после прекращения его облучения, называется временем послесвечения. По
времени
послесвечения
фотолюминесценция
подразделяется
на
флуоресценцию и фосфоресценцию. Если время послесвечения так мало, что
практически фотолюминесценция вещества исчезает одновременно с
5
прекращением его облучения, то она называется флуоресценцией. Если же
время послесвечения имеет заметную величину (иногда больше суток), она
называется фосфоресценцией. Флуоресценция наблюдается у многих
жидкостей и газов, а фосфоресценция - у твердых тел.
Люминесценция широко используется в источниках света. В газосветных
трубках используется электролюминесценция разреженных газов или паров. В
лампах дневного света при электролюминесценции паров ртути испускается
ультрафиолетовое излучение (кстати, поэтому ртутные лампы со стенками из
кварца применяются в качестве источников ультрафиолетового света).
Люминофор, которым покрыты изнутри стенки лампы дневного света,
поглощая ультрафиолетовое излучение, фосфоресцирует, испуская видимый
свет. Химический состав люминофора подбирается таким образом, чтобы свет
лампы был близок по составу к дневному свету. По экономичности такие
лампы в 4—5 раз превосходят лампы накаливания.
Люминесцентные краски не только отражают лучи определенного цвета,
но и преобразуют в такой свет поглощаемое излучение других цветов, поэтому
они кажутся светящимися. Люминесцентные краски используются для создания
световых эффектов в театрах, применяются для реклам, для покраски бакенов,
полосы яркой краски наносят на локомотивы и т. д.
5. Скорость распространения света
Поскольку скорость распространения света очень велика, свет
затрачивает заметное время лишь на прохождение очень больших расстояний,
например от Солнца до Земли свет идет около 8 мин.
Первое измерение скорости света в вакууме было выполнено датским
астрономом О. Ремером в 1675 г. при изучении затмений одного из спутников
Юпитера. Он заметил, что по мере увеличения расстояния между Юпитером и
Землей затмение спутника запаздывает все больше по сравнению с расчетным
временем. Ремер объяснил это тем, что при увеличении расстояния от Юпитера
до Земли на l свет должен затратить время t , чтобы пройти это расстояние со
скоростью с. Зная l и t , он вычислил скорость света, которая оказалась
близкой к 3 ⋅ 108 м/с.
Поскольку
с
является
наибольшей
возможной
скоростью
распространения сигналов в природе и встречается во многих формулах, ее
значение является одной из важнейших физических констант. После многих
проверок было установлено, что
с=299 792,5±0,5 км/с.
Скорость распространения электромагнитных волн в различных средах
зависит от рода среды и определяется выражением
=
v
c
c
,
=
µε n
6
где n=
µε - абсолютный показатель преломления среды.
У всех веществ, в которых может распространяться световое излучение,
т. е. прозрачных для света, относительная магнитная проницаемость µ очень
мало отличается от единицы; следовательно, скорость распространения света в
веществе определяется его диэлектрической проницаемостью
ε . (Заметим, что

ε зависит от частоты колебаний вектора E , поэтому и скорость
распространения света в диэлектриках тоже зависит от частоты колебаний в
световом излучении.)
Величину, характеризующую зависимость скорости распространения
света от рода среды, называют оптической плотностью среды. Она
измеряется числовым значением абсолютного показателя преломления среды
c
n= .
v
Ясно, что оптическая плотность вакуума равна единице. Поскольку
показатель преломления n для воздуха равен 1,003, то скорость света в воздухе
очень часто принимают за с. Скорость распространения света в воде впервые
измерил Ж.Фуко. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в воздухе, т. е. у воды
n = 1,33.
Изменение скорости распространения света является причиной
преломления света, т. е. изменения направления его распространения при
переходе из одной прозрачной среды в другую.
7