По современным представлениям свет это волна

Световая волна — это электромагнитная волна с длиной волны в вакууме:

Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом. Частота световой волны

16.5.1. Современная точка зрения на природу света Молекулярная физика и термодинамика Задачи по курсу физики

По современным представлениям свет — это поток фотонов, т.е. элементарных частиц, имеющих нулевую массу, двигающихся со скоростью м/с. Каждый фотон (квант света) обладает энергией:

где v — частота электромагнитной волны, — постоянная Планка. (М. Planck — немецкий физик, получивший в 1900 году на основе выдвинутой им гипотезы квантов, закон распределения в спектре излучения абсолютно черного тела).

Барометрическая формула. При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории предполагалось, что если на молекулы газа не действуют внешние силы, то молекулы равномерно распределены по объему. Однако молекулы любого газа находятся в потенциальном поле тяготения Земли.

Импульс каждого фотона:

где — волновой вектор, модуль волнового вектора.

16.5.1.1. Вероятностное истолкование электромагнитной волны

— связь между волновыми и корпускулярными свойствами света.

Если в объеме V находится в данный момент N фотонов с заданной частотой , то создаваемая ими плотность энергии:

С другой стороны, плотность энергии электромагнитной волны в вакууме:

Сопоставление этих выражений приводит нас к выводу, что число фотонов в единице объема пропорционально квадрату напряженности поля ( E 2 или H 2 , или E 2 и H 2 ) электромагнитной волны, т.е.

Если в течение интересующего нас отрезка времени средняя плотность фотонов велика, то два различных толкования плотности энергии — волновое и корпускулярное — приводят к одним и тем же наблюдаемым значениям для плотности энергии. Только при одном толковании мы рассматриваем эту энергию как энергию электромагнитной волны, запасенную в полях E и H , а при другом — как суммарную энергию фотонов, находящихся в рассматриваемом объеме.

Истинное соотношение между волновой и корпускулярной точками зрения выясняется при рассмотрении света очень малой интенсивности, т.е. когда величина E 2 очень мала, так мала, что пропорциональное ей среднее число фотонов в единице объема становится меньше единицы. В этом случае величину E 2 приходится истолковывать как величину, задающую вероятность обнаружить фотон в заданном объеме, т.е.:

16.5.2. Показатель преломления

Скорость распространения света в среде, как и любой электромагнитной волны,

— показатель преломления среды, т.к. μ = 1 для большинства прозрачных веществ.

16.5.2.1. Дисперсия

Т.к. зависит от частоты электромагнитной волны, то n = n(v) или n = n(λ) — показатель преломления будет зависеть от длины волны света.

16.5.3. Световой вектор

— это вектор напряженности электрического поля световой (электромагнитной!) волны.

16.5.4. Интенсивность света.

Для любой электромагнитной волны:

Для световой волны:

Значит интенсивность световой волны:

16.5.5. Испускание света атомами

Атом, при переходе электрона в состояние с более низкой энергией, испускает фотон, которому соответствует электромагнитная волна, протяженностью

3 метра. Это соответствует длительности процесса излучения

10 -8 секунды. Такая электромагнитная волна называется цугом.

16.5.5.1. Естественный свет

Каждый цуг имеет вполне определенное направление светового вектора , т.е. определенную поляризацию, и свою начальную фазу, которая меняется от цуга к цугу по случайному закону.

Световая волна, испускаемая нагретым телом, складывается из огромного числа цугов, испускаемых атомами тела. Атомы нагретого тела испускают несогласованные цуги, направление векторов в этих цугах самое различное. В результате свет, испущенный нагретым телом, не имеет определенной поляризации, такой свет называют естественным.

Источник

Свет как волна

Электричество и теплоту мы не можем наблюдать непосредственно — все это воспринимается через их влияние. Однако свет мы видеть можем. К началу XIX века четко сформировались две теории света, и ставить вопрос, какая из них верна, значит, смотреть на природу света односторонне.

За прошедший XVIII век умы исследователей природы света заволокло туманом национальных разногласий. В 1678 году голландец Христиан Гюйгенс предположил, что свет — это волна, а тридцать лет спустя англичанин Исаак Ньютон опроверг это, выдвинув на первый план «корпускулярную» теорию. Свет он представлял как поток частиц. Ньютону нравилось, что это позволяло ему рассматривать движение света, как и любого другого вещества. Действительно, крошечные корпускулы отскакивают от любой поверхности по всем законам движения.

К тому времени, когда Ньютон опубликовал свою теорию, его голос уже был самым громким в мировой науке. Разумеется, голосов в свое опровержение со стороны европейских ученых он почти не услышал, как и не появилось научных работ, предлагавших другие точки зрения. Власть научного авторитета Ньютона сохраняла силу и после его смерти, а это значило, что все англоязычные ученые были обречены следовать взглядам Ньютона.

Распространение волн

В континентальной Европе взгляды на природу света были иными. Хотя первенство оставалось за Гюйгенсом, набирал популярность эфирный подход Рене Декарта. По теории Гюйгенса получалось, что свет — это периодические колебания, распространяющиеся с определенной конечной скоростью во всех направлениях от источника света.

Голландский физик разработал геометрию, которая показывала, как световые волны ведут себя при встрече с препятствием. Он описал фронт волны как геометрическое место точек, каждая из которых в свою очередь становится источником световых колебаний и посылает новые волновые возмущения во всех направлениях. Эту теорию можно использовать для объяснения многих наблюдаемых световых эффектов, некоторые из которых теория Ньютона объяснить не может. Самой уязвимой точкой теории Ньютона было то, что она не могла объяснить интерференцию — взаимодействие двух пучков света друг с другом.

Молодой английский врач Томас Юнг в свои двадцать с небольшим лет оказался достаточно смелым, чтобы выступить против взглядов Ньютона. (Бенджамин Франклин также придерживался волновой теории света.) Как бы то ни было, но хор несогласных с волновой теорией Юнга вскоре затих, поскольку к 1804 году он провел две публичные демонстрации, доказавшие правоту Гюйгенса.

Вода вместо света

Первый эксперимент предполагал наблюдение за поведением волн на воде в волновом бассейне. Юнг делал так, чтобы два волновых фронта сталкивались, или интерферировали, и показывал, что наложение волн в одних точках приводило к увеличению амплитуды, а в других — к существенному ее уменьшению, даже полному исчезновению. Также Юнг посылал плоскую волну на препятствие с небольшой щелью. Все увидели то, что предсказывал Гюйгенс для света, а именно сразу за пределами препятствия небольшая часть волнового фронта, проходящая через щель, распространялась во всех направлениях.

Затем Юнг провел то, что стало впоследствии именоваться «опытом Юнга». Он направлял пучки света через систему щелей. Световой узор, появляющийся с другой стороны на экране, доказывал, что свет ведет себя как волны в волновом бассейне.

Опыт юнга по интерференции света

Также известный как «эксперимент с двумя щелями», этот опыт стал классическим и демонстрируется на уроках физики по всему миру. Первая щель используется для создания точечного источника света с единым волновым фронтом. Затем ставятся еще две щели, которые формируют уже два точечных источника. От этих источников свет распространяется во всех направлениях (за исключением направления назад).

Распространяющиеся волны сталкиваются и интерферируют. Волна имеет пики и впадины, и при столкновении волны накладываются в каждой точке экрана. Пик с пиком создает еще большую амплитуду волны (и яркость света). При наложении друг на друга впадин происходит то же. Но если пик встречается с впадиной, амплитуды уничтожают друг друга, и волна в этой точке исчезает — получается темная точка. На схеме ниже красные линии представляют пики, а желтые — впадины. Как вы видите, свет создает узор из темных и светлых линий, доказывая свою волновую природу.

Источник

Свет — это частица или волна?

В приближенном виде, свет и частица и волна. Но в точном представлении свет не является ни частицей, ни волной, а является чем-то более сложным.

В качестве метафоры рассмотрим цилиндрическую банку фасоли. Если держать банку боком, заставить друга только посмотреть на ее тень, и спросить его, какая форма у предмета, он ответит «прямоугольником». Но теперь поверните банку на девяносто градусов, заставьте второго друга посмотреть только на тень, и он скажет вам, что банка «круглая». Теперь ваши двое друзей будут спорить друг с другом об истинной форме, и они не будут делать большого прогресса.

Кто из них прав? Они оба правы и оба не правы в некотором смысле. Цилиндр является круглым, как видно из одного угла, и прямоугольным, как видно из другого угла, но на самом деле это гораздо больше, чем круг плюс прямоугольник.

Это нечто более сложное: трехмерная форма, которую невозможно полностью описать с помощью двумерных форм, таких как круги и прямоугольники. Проблема в том, что ваши друзья смотрели на тени банки фасоли, а не на сам объект. Тень — это двумерное, рухнувшее представление трехмерного объекта.

Тень — это двумерное свернутое представление трехмерного объекта. Случай очень похож, когда дело доходит до квантовых частиц, таких как свет. Сказать, что свет — это частица, значит рассматривать его как свернутое представление более сложной сущности. Точно так же изображать свет как волну — значит рассматривать его как более простой объект, чем он есть на самом деле.

Свет иногда действует как волна, а иногда как частица, в зависимости от ситуации. Это имеет смысл только в том случае, если вы признаете, что свет является чем-то более сложным; что-то, что с определенной точки зрения выглядит волнообразным, а с другой точки зрения выглядит частицеобразным. Так что же на самом деле является светом? На этот вопрос трудно ответить, не вдаваясь в сложную математику.

Ситуация похожа на пресловутого слона и слепых. Один слепой чувствует только ногу слона и объявляет слона деревом. Другой слепой чувствует хвост слона и объявляет его веревкой. Другой чувствует бивень и объявляет животное копьем. Все слепые отчасти правы, а отчасти ошибаются, потому что не имеют полной информации. Но как объяснить слона слепому человеку, если он не лазит по нему и не чувствует каждый сантиметр? Вот в чём трудность, с которой сталкиваются физики, объясняя квантовые частицы людям, неспособным решить математику самостоятельно.

Свет — это комплексное распределение вероятностей, которое имеет квантованные (дискретные) свойства, такие как энергия. Самый маленький кусочек света называется фотоном. Подобно волне, фотон испытывает дифракцию, интерференцию, преломление, отражение, дисперсию, когерентность и имеет частоту. Как и частица, фотон содержит фиксированную энергию, фиксированный момент, фиксированный спин и может быть измерен, чтобы иметь одно фиксированное место в пространстве. Волнообразные и частицевидные признаки фотона компенсируются в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга. Это означает, что чем больше вы заставляете фотон действовать как частица, например, заключая его в небольшую коробку, тем самым снижая неопределенность в его положении, тем меньше он действует как волна.

В знаменитом эксперименте Юнга с двойной щелью когерентный луч света направляется через две щели, а затем на фотопластинку. Когда каждый фотон попадает на пластинку, он делает единственную точечную метку, указывающую на то, что фотон взаимодействовал с пластинкой как частица. Но общая картина меток на пластине — это картина интерференции полос, которая возможна только в том случае, если свет является волной. Интерференция является результатом того, что два луча создаются двумя щелями, которые расходятся от щелей и мешают друг другу. Что еще более удивительно, если мы притушим свет до тех пор, пока не будем пропускать только один фотон за один раз, мы все равно получим интерференционную картину. Это означает, что один фотон проходит через обе щели одновременно, воздействует на себя волнообразным образом при выходе из щелей, и затем делает одну отметку на пластинке, как частицы. Если это звучит для вас бессмысленно, то это потому, что вы все еще представляете фотон как просто частицу или волну. Поскольку фотон является флуктуирующим распределением вероятностей с квантованными свойствами, он может делать все эти вещи совершенно разумным образом.

Удивительно, но все квантовые объекты от электронов до протонов ведут себя как квантованные распределения вероятностей, а не только фотоны. Если вы обнаружите, что квантовую частицу/волну трудно визуализировать, не позволяйте этой трудности искушать вас отвергать квантовую теорию как бессмыслицу. Квантовая теория была экспериментально проверена в сотнях лабораторий уже почти столетие. Кроме того, полупроводниковый чип внутри компьютера, который вы сейчас видите перед собой, в решающей степени зависит от правильности квантовой теории. Отвергать квантовую теорию как шарлатанство, потому что ее концепции трудно визуализировать, значит сказать, что компьютеры не существуют.

Источник