Заняття № 50 ____2011р

Тема: Природа світла. Поширення світла.. Геометрична оптика Коротка історія розвитку уявлень про природу світла.. Електромагнітна теорія світла. Залежність між довжиною хвилі і частотою електромагнітного випромінювання. Діапазон світлових хвиль. Квантова теорія світла. Залежність між величиною енергії кванта (фотона) І частотою електромагнітного випромінювання. Постійна Планка. Джерела світла. Принцип Гюйгенса. Світловий промінь. Швидкість поширення світла у вакуумі. Визначення швидкості світла. Досліди Майкельсона. Швидкість поширення світла в різноманітних середовищах. Оптична густина середовища.

Світлові явища на межі розділу двох прозорих середовищ. Закони відбивання світла. Дзеркальне і дифузійне відбивання. Плоскі і сферичні дзеркала, побудова зображення в них. Закони заломлення світла. Повне відбивання. Граничний кут; його визначення. Проходження світла через пластину з паралельними гранями і тригранну призму.

Основні положення та означення.

1. Око людини здатне сприймати і розрізняти електромагнітні хвилі, довжина яких лежить в околі 10^-6м. Хвилі такої довжини називають світловими або просто світлом.

Розділ фізики, який розглядає рух і взаємодію світла, називають опти­кою (від грецьк. «оптикос» - зоровий), а самі світлові явища оптичними.

2. В основі розуміння природи світла лежить дві гіпотези.. На основі першої гіпотези Ньютон створив корпускуляр­ну теорію світла, за якою пояснювалось дуже багато оптичних явищ. Наприклад, різні кольори випромінювання пояснювались різ­ною формою корпускул, з яких воно складається. На основі другої гіпотези в XVII ст. голландський учений X. Гюйгенс створив хви­льову теорію світла. За теорією Гюйгенса добре пояснювати такі явища, як інтерференція і дифракція світла тощо.

Оскільки жодна з цих теорій окремо не могла цілком пояснити всі оптичні явища, питання про справжню природу світлового випромі­нювання залишалось нерозв'язаним. На початку XIX ст. після дослі­джень О. Френеля, Ж. Фукота багатьох інших учених було з'ясовано, що хвильова теорія світла має переваги перед корпускулярною. Проте хвильова теорія мала значний недолік. Вона припускала, що світлове випромінювання є поперечними механічними хвилями. Отже, між Сон­цем і Землею повинна бути речовина, бо світло вільно проходить від Сонця до Землі. Тому було створено гіпотезу про світовий ефір, який заповнює весь простір між тілами і молекулами. Коли згадати. що поперечні хвилі можливі тільки в твердих тілах, то до­ведеться допустити, що ефір повинен мати властивості пружного твердого тіла. Проте наявність ефіру ніяк не позначається на русі Землі в світовому просторі. Отже, ефір нічим себе не виявляє, крім того, що в ньому поширюється світло, хоч і має властивості твердого тіла. Такі суперечливі властивості ефіру ставили під сумнів гіпотезу про його існування.

Цю суперечність у хвильовій теорії світла в основному усунув Д. Максвелл. Максвелл звернув увагу на те, що швидкість поширення світла у вакуумі збігається з обчисленою ним швидкістю поширення

електромагнітних хвиль. На цій основі він висунув гіпотезу про елек­тромагнітну природу світла, яку потім було підтверджено багатьма дослідами. Отже, наприкінці XIX ст. було створено електромаг­нітну теорію світла, якою користуються і тепер.

3 Згідно з електромагнітною теорією світла всяке світлове випромінювання є електромагнітними хвилями. Проте далеко не всі електромагнітні хвилі є світловими, а тільки ті, що спричиню­ють у людини зорове відчуття. До світлового випромінювання належать тільки хвилі з частотою коливань від 4·10¹⁴ до 7,5·10¹⁴ Гц. У цьому інтервалі кожній частоті відповідає свій колір випроміню­вання. Наприклад, частоті 5,4·10¹⁴ Гц відповідає зелений колір. Розрахунок показує, що світлове випромінювання у вакуумі має довжини хвиль від 400 нм (фіолетовий колір) до 760 нм (червоний колір). Зазначимо, що при переході світлового випромінювання з од­ного середовища в інше його колір зберігається, бо зберігається його частота, а довжина хвилі змінюється внаслідок зміни швидкості по­ширення світла. Коли на практиці колір випромінювання характери­зують довжиною хвилі, то довжини хвиль зазначають для вакууму.

Теоретичними дослідженнями Максвелл встановив, що світлове випромінювання (як і інші електромагнітні хвилі) повинно чинити тиск на тіла, що було підтверджено дослідами П. М. Лебедєва.

4.. Аналіз складу випромінювання світних тіл показав, що його розподіл за час­тотами коливань не відповідає законам випромінювання, виведеним із хвильової теорії світла. Намагаючись пояснити цей факт, німецький фізик М. Планк (1858—1947 рр.) припустив, що світло випромінюєть­ся не у вигляді хвиль, а у вигляді певних і неподільних порцій енергії, які він назвав квантами (від лат. «квантум» — кількість, маса). Тепер кванти світла називають фотонами.

На основі аналізу оптичних явищ було встановлено, що ті з них, які пов'язані з поширенням світла в якому-небудь середовищі, можна пояснити тільки за хвильовою теорією, а ті, які пов'язані з випромі­нюванням і поглинанням світла, пояснювались тільки за допомогою уявлення про квантовий склад світлового випромінювання. Усе це означало, що для пояснення оптичних явищ необхідна нова теорія, яка об'єднує хвильові і корпускулярні властивості світла. Цю нову теорію назвали квантовою теорією світла, і в своєму початковому вигляді вона була створена працями Планка, Ейнштейна, Бора та інших учених.

Нині квантова теорія пояснює не тільки оптичні явища, а й безліч інших явищ з усіх розділів фізики. Ця теорія розкрила нові властивості речовини і поля, передбачила багато нових явищ, які було піз­ніше відкрито на дослідах.

Зв'язок між хвильовими і корпускулярними властивостями світла за цією теорією визначається формулою Планка: , де Е - енергія кванта, - частота коливань електромагнітного ви­промінювання і h - сталий коефіцієнт, однаковий для всіх хвиль і квантів, який називають сталою Планка. У СІ h має таке числове значення: h = 6,62·10^-34Дж·с.

Таким чином, енергія кванта прямо про­порційна частоті коливань електромагнітного випромінювання. Ос­кільки то

тобто енергія кванта обернено пропорційна довжині хвилі випроміню­вання у вакуумі.

5. Дослід показав, що, поки фотон існує, він рухається з швидкістю с (у вакуумі) і ні за яких умов не може сповільнити свій рух або зупи­нитись. У момент зустрічі з речовиною він може поглинутись частин­кою речовини. Тоді сам фотон зникає, а його енергія цілком перехо­дить до частинки, яка його поглинула. Фотон не має маси спокою. Ця цікава особливість фотонів відрізняє їх від частинок речовини, напри­клад від протонів або електронів.

6. Зауважимо, що досі незрозуміло, чому в одних явищах світло ви­являє чітко виражені хвильові властивості, а в інших — корпускуляр­ні і як такі суперечливі властивості можуть об'єднуватись у випромі­нюванні. Згідно з квантовою теорією поєднання корпускулярних і хвильових властивостей є природною якістю всієї матерії взагалі, тобто кожна частина речовини має хвильові властивості і кожна хвиля має корпускулярні властивості.

Величину, яка характеризує залежність швидкості поширення світла від роду середовища, називають оптичною густиною середови­ща. Вона вимірюється числовим значенням абсолютного показника заломлення середовища п -

Оптична густина вакууму дорівнює одиниці. Оскільки показник заломлення п для повітря дорівнює 1,003, дуже часто вважають, що швидкість світла в повітрі дорівнює с.

Швидкість поширення світла у воді вперше виміряв Ж- Фуко. Вона в 4/3 раза менша, ніж у повітрі, тобто у води п = 1,33.

Зміна швидкості поширення світла є причиною заломлення світла, тобто зміни напряму його поширення при переході з одного прозорого середовища в друге.