- •Оптика и элементы атомной физики
- •Тема 1: Развитие взглядов на природу света. Законы геометрической оптики.
- •§ 1.Корпускулярная и волновая теория света.
- •§ 2.Электромагнитная теория света. Возникновение теории квантов.
- •§ 3.Законы геометрической оптики.
- •§ 4.Полное внутреннее отражение.
- •§ 5.Тонкая линза.
- •§ 6. Глаз как оптическая система. Оптические инструменты, вооружающие глаз
- •5.2. Лупа.
- •Тема 2: Интерференция света.
- •§ 7. Когерентность и монохроматичность световых волн.
- •§ 8. Интерференция света.
- •§ 9. Интерферометры. Практическое применение интерференции.
- •Подвижное
- •Неподвижное
- •Источник
- •Тема 3: Дифракция света
- •§ 10. Дифракция света. Виды дифракции.
- •§ 11. Дифракция Френеля
- •2. Дифракция Френеля на круглом отверстии.
- •§ 12. Спираль Корню.
- •Тема 4: Поляризация света.
- •§ 13. Плоскополяризованный свет, свет, поляризованный по кругу и эллипсу.
- •§ 14. Способы поляризации света.
- •Тема 5: Дисперсия света.
- •§ 15. Дисперсия света.
- •§ 16. Электронная теория дисперсии света.
- •Тема 6: Поглощение и рассеяние света.
- •§ 17. Поглощение света.
- •§ 18. Рассеяние света.
- •Тема 7: Квантовая природа излучения.
- •§ 19. Тепловое излучение.
- •§ 20. Закон Кирхгофа.
- •§ 21. Законы излучения чёрного тела (абсолютно чёрного тела).
- •Тема 8: Оптическая пирометрия.
- •§ 22. Оптическая пирометрия
- •§ 23.Методы оптического измерения температуры.
- •§ 24. Фотоэффект.
- •§ 25. Масса и импульс фотона. Давление света.
- •§ 26. Эффект Комптона и его элементарная теория.
- •§ 27. Корпускулярные и волновые свойства света.
- •Тема 9: Голография и лазеры.
- •§ 28. Понятие о голографии.
- •§ 29. Лазеры.
- •Тема 10: Строение атома.
- •§ 30. Модели атома Томсона и Резерфорда.
- •§ 31. Постулаты Бора.
- •§ 32. Боровская теория атома водорода.
- •§ 33.Гипотеза де Бройля.
- •§ 34.Что такое квантовая механика?
- •Тема 11: Атомное ядро.
- •§ 35. Атомное ядро.
- •§ 36. Ядерные реакции и превращения элементов.
- •§ 37. Радиоактивный распад.
- •§ 38. Цепные реакции деления ядер.
Оптика и элементы атомной физики
Тема 1: Развитие взглядов на природу света. Законы геометрической оптики.
§ 1.Корпускулярная и волновая теория света.
Свет и его свойства люди начали изучать более 2000 лет назад, ещё в трактатах Евклида (300 г. до н. э.) формулируются законы прямолинейного распространения света и равенства углов падения и отражения. Однако слабостью подхода древних греков было отсутствие моделей, то есть, что же из себя представляет свет. Поэтому, в частности закон преломления, найденный ими экспериментально был записан неверно. Вместо отношения синусов (sini/sinr=const) они писали отношение углов (i/r=const), что, в принципе, верно для малых углов. Этот закон правильно сформулировал Декарт. Он же впервые пытался объяснить закон преломления, исходя из корпускулярных представлений о свете. Эту традицию, объяснять свет как поток корпускул, продолжил и развил Ньютон. Он применил, естественно, сформулированные им законы механики к доказательству законов отражения и преломления света. Он предположил, что при отражении корпускула света испытывает упругое соударение с зеркалом. Отсюда легко выводится тот факт, чтоугол падения равен углу отражения. Ньютону удалось также вывести и закон преломления -sini/sinr=const=n. Приведу его рассуждения. При упругом ударе корпускулы о поверхность нормальная составляющая её скоростиvnменяет свой знак на противоположный (модуль сохраняется одинаковым), касательная составляющая остаётся неизменной. Поэтому получим:
Из рисунка видно, чтоtgi=vk/vn=vk/(-vn) = -vk/vn= -tgi’, илиi=i’, то есть угол падения равен углу отражения. При выводе закона преломления Ньютон также воспользовался своей механикой. Обозначим скорость света в вакууме –c, а скорость света в некой среде –v. Поскольку предполагалось, что касательная составляющая скорости остаётся постоянной при пересечении границы раздела, тоcsini=vsinr.
Получимsini/sinr=v/c=const=n. Но посколькуi>r, тоsini>sinrи, следовательно,v >r. Получилось, чтоsini/sinr=const– это правильно (соответствует сегодняшним знаниям), ноv>c(т.е. скорость распространения света в среде больше, чем вакууме) – это неверно!
Продолжая исследования свойства света, Ньютон также показал, что белый свет (видимый глазом) является сложным и содержит цвета радуги, причём, каждый из которых характеризуется своей преломляемостью. Он это объяснил различием в массах корпускул разного цвета.
Наряду с корпускулярной концепцией света в XVIIв. возникла и начала развиваться волновая теория Гука-Гюйгенса. В "Трактате о свете" (1678 г.) Гюйгенс писал о свете, как о процессе распространения продольных деформаций (это было неверным предположением, поскольку свет – это поперечные колебания) в некоторой материальной среде, пронизывающей все тела -мировом эфире. Для анализа распространения этих деформаций Гюйгенс предложил простой метод, в основе которого лежит процесс распространения плоских волн в эфире. Рассмотрим доказательство закона преломления, приведенное Гюйгенсом:
Пусть фронт плоской волныAB, распространяющийся в вакууме со скоростьюc, падает под угломiна границу со средой, в которой скорость распространения равнаv. Спустя некоторый промежуток времениt, волна, распространяющаяся из точкиB, пройдёт путьBC=ctи достигнет границ раздела. За то же время волна, распространяющаяся от точкиAв среде со скоростьюv, пройдёт путьAD= vt. Направление распространения фронта волныDCв среде характеризуется углом преломленияr. Из рисунка видно, что сторонаACявляется одновременно гипотенузой двух прямоугольных треугольников иAC=ct/sini=vt/sinr. Отсюда, после сокращенияt получаем:sini/sinr=c/v=const= n(т.е., по сравнению с выражением, полученным Ньютоном, строго наоборот). Именно такое выражение соответствует современным представлениям о свете. То есть, Гюйгенс здесь оказался прав!
Более общая формулировка закона распространения света была дана Ферма (1601-1655). Согласнопринципу Ферма,лучи света распространяются по пути, приводящему к цели в кратчайшее время. С его помощью также можно доказать справедливость законов отражения и преломления света. Следует отметить, чтопринцип Фермане утратил своего значения до сих пор и применяется при выводе законовквантовой электродинамики.
И из корпускулярных и из волновых представлений о природе света можно вывести все законы геометрической оптики. Единственным противоречием этих двух подходов является то, что из корпускулярных представлений следует что v>c, а из волновых, наоборот,v<c(c- скорость распространения света в вакууме,v- скорость распространения света в среде). Верным оказался вывод Гюйгенса. Дальше продолжалось интенсивное изучение свойств света:
- в 1663 г. Гримальди впервые наблюдает явления дифракции и интерференции света;
- чуть позже Гюйгенс открывает поляризацию света, но не может её объяснить;
- в 1717 г. Ньютон показывает, что поляризация света может быть объяснена при предположении поперечности световых волн, хотя это противоречило волновой теории, так как считалось невозможным распространение упругой деформации поперечного сдвига;
- в 1756 г. Ломоносов вводит представление о "зыблющемся" или колебательном движении частиц эфира;
- Эйлер пишет формулу v=/T=и объясняет различием в частоте колебаний эфира различные цвета тел.
Борьба между сторонниками волновой и корпускулярной природе света доходила до курьёзов. Так, в 1818 г. сторонники корпускулярной теории выдвигают на конкурс Парижской Академии вопрос о дифракции света. Однако, премию получает Френель, давший объяснение дифракции, исходя из волновой теории. Он же доказывает возможность распространения поперечных колебаний, и в результате все явления поляризации были объяснены с волновой точки зрения.
То есть, наука о свете, в том числе - есть борьба идей.