В каких явлениях проявляются свойства света

Вопрос, что такое свет в физике, является ключевым для многих отраслей деятельности науки и техники, он вызывает живой интерес как специалистов, так и просто любителей все знать. Использование слова «свет» в физике достаточно условно, так как оно не передает никаких свойств и характеристик отдельно взятого типа излучения. Это общее определение, которое удобно использовать для такого же общего описания природного явления.

Свет – это то явление, с которым мы сталкиваемся постоянно, и благодаря чему вообще существует все живое на земле. Частицы так называемого «света» движутся от Солнца через огромные комические просторы на Землю, освещают ее и придают предметам, окружающим человека, видимость и многие свойства. На это явление можно смотреть далеко не с одной точки зрения, поэтому данный вопрос стоит рассмотреть более подробно.

Что такое свет в физике

Споры вокруг того, что же такое свет, шли в физике и научной среде многие века. Различные деятели выдвигали самые разные теории, что представляет собой данное явление природы, но никак не могли сойтись в едином мнении. Теории появлялись, как грибы после дождя, то опровергая, то дополняя друг друга.

Теории природы света

Был создан целый раздел физики – оптика, задача которого стояла в изучении рассматриваемого явления.

К изучению природы света приложили свои талантливые руки все видные деятели науки, начиная с 17 века. Такие европейские светила, как Декарт, Гук, Юнг, Ньютон, Гейгенс, Ампер и многие другие предпринимали многие попытки понять, чем является видимое нам излучение: волной или же потоком частиц.

Именно это противоречие, к которому приводили опыты, ставило исследователей в тупик. Ученым была никак не понятна сочетаемость: как в одном эксперименте явление может вести себя, как поток частиц, а в другом – как электромагнитное излучение.

На сегодня данный вопрос в известной степени решен. Все новые знания позволили вникнуть в суть вещей более глубоко. Корпускулярную и волновую теорию позже дополнила электромагнитная, далее специальная теория относительности Эйнштейна, позже квантовая теория и, наконец, квантовая электродинамика.

<br />

Волновые свойства света

То, что свет – это волна излучения с определенными волновыми свойствами, начали предполагать многие ученые еще в 17-18 веках. Опыты Юнга, Френеля, Ньютона явственно показали, что волновые характеристики выражаются в двух ключевых явлениях: дифракции и интерференции. Именно они имеют значения при доказательстве того, что мы имеем дело с волной.

Дифракция света

Луч видимого диапазона излучения способен как бы огибать препятствия любой формы и засвечивать даже ту область, которая якобы находится в тени. Отклонение от прямолинейного распространения, которое невозможно для твердых частиц, получило название дифракции.

Также доказано, что излучение может накладываться друг на друга и как бы дополнять волны аналогичной природы, либо же «тушить», уменьшать их интенсивность. Это явление получило название интерференции.

Оно активно применяется, к примеру, при производстве автомобильных фар – в их стеклах есть специальная фактура, которая позволяет использовать интерференцию и максимально увеличивать интенсивность свечения.

Но утверждение, что свет – это только волна, также находит протесты. Так как другие опыты, скажем, русского ученого Вавилова, показывают, что ему свойственна двойственная характеристика.

<br />

Электромагнитная природа света

То, что обычный солнечный луч является электромагнитной волной, является доказанным научным фактом. Над этим трудились многие умы, в частности, Эйнштейн, Вавилов и другие. Не один раздел физики посвящен доказательству того факта, что свет возникает в результате различных возбуждений в атомах и молекулах.

Теория Максвелла

Это может быть тепловое, химическое или электромагнитное воздействие. При прохождении различных процессов в атоме он излучает кванты энергии во всем видимом диапазоне.

Определение электромагнитной природы излучения доказано многими экспериментами, а также теорией. Наиболее полное описание данных вопросов дал известный ученый Максвелл в своих уравнениях по электромагнетизму.

Спектральный состав света

Как показал в своих экспериментах английский естествоиспытатель Ньютон, обычный белый свет – это набор многих цветов, то есть волн с различной длиной, которые в результате взаимодействия складываются в один белый. Длина волн видимого спектра лежит в диапазоне 380-780 нанометров.

Диапазон видимого света

Наука смогла доказать, что практически любой вариант излучения не является монохроматичным – то есть, состоящим из волн только одной длины. Почти любой источник света испускает определенный спектр излучения, в котором есть разброс по длинам волн.

Если излучение имеет более короткие волны, нежели 380 нм, то они относятся к ультрафиолетовому свету, если большие 780 нм – инфракрасному. За их пределами сверху и снизу есть и другие типы излучения: гамма-лучи, рентгеновские волны, микроволновой диапазон.

Закон прямолинейного распространения света

Любой школьник, перешедший в 9-11 класс, должен знать, что свет в однородной среде распространяется по прямолинейной траектории, а его скорость равна 3х108 м/с. С такой скоростью луч долетает от Земли до Луны (расстояние между которыми 384 000 километров) всего примерно за 1,2-1,3 секунды!

Закон прямолинейного распространения света

Исходя из прямолинейного распространения света, выводятся многие понятия, такие как тень, угол падения и отражения, и многое другое. Разный раздел науки по-разному использует эти данные, но они имеют большое значение в технике и теории.

Подытоживая скажем, что лексическое значение греческого слова «фотон» четко передает его смысл – это свет. Свет одновременно является и электромагнитной волной, и потоком частиц фотонов, которые распространяются от источника излучения и заполняют собой все окружающее пространство по законам прямолинейного распространения, дифракции, интерференции и т. д.

И естественное, и искусственное освещение имеют одинаковые свойства, за исключением, разве что длины волны, ее амплитуды и других, более конкретных характеристик каждой волны.

<br />

Источник

С античных времен философы задумывались о том, что такое свет и какова его природа. Аристотель, Платон, Пифагор и другие мыслители высказывали свои предположения, но их идеи в наше время кажутся просто наивными.

Как начали изучать свет?

Настоящее изучение структуры света началось с изобретения увеличительных линз и телескопов. В 17 веке крупные ученые того времени начали детально исследовать структуру света опираясь на открытия дифракции, дисперсии и интерференции.

Крупнейший ученый 17-18 веков Исаак Ньютон высказал предположение, что свет представляет собой поток мельчайших частиц (корпускул) распространяющихся с очень большой скоростью.

Исаак Ньютон. Источник изображения: historyarch.com

Его идея прекрасно описывала прямолинейное распространение света и его дисперсию. Он полагал, что частицы разного цвета имеют различные размеры – самыми большими являются красные, минимальные размеры у фиолетовых корпускул. Смешение различных частиц дает белый цвет, который можно разложить с помощью призмы. Отражение света Ньютон объяснял отскакиванием частиц от поверхности твердого тела. Ученый полностью не отвергал волновую природу света, но все же возражал против нее с помощью нехитрого аргумента – если свет волна, то почему он не проходит сквозь изогнутую трубку, как это успешно делают звуковые волны.

В то же время голландский ученый Христиан Гюйгенс и научный противник Ньютона англичанин Роберт Гук сходились во мнении, что свет имеет волновую природу и распространяется в особой универсальной среде именуемой эфиром. По мнению Гюйгенса, каждый участок эфира способен возбуждать вторичные световые волны, что прекрасно помогало описать такие явления как интерференция (перераспределение минимумов и максимумов освещенности) и дифракцию (отклонение движения луча света от прямой).

Корпускулы или волны?

Некоторое время корпускулярная и волновая теория боролись между собой, причем первая имела даже больше сторонников – сказывался почти непререкаемый авторитет Ньютона. Однако Юнг и Френель успешно дорабатывали положения волновой теории, которая стала завоевывать все больше сторонников.

Джеймс Клерк Максвелл – британский физик, математик и механик. Источник изображения: hi.redsearch.org

В 60-70-х годах 19 века показалось, что корпускулярной теории света нанесен окончательный удар – англичанин Джеймс Максвелл создал систему уравнений описывающую электромагнетизм. Поскольку световые волны распространялись с той же скоростью, что и электромагнитные волны, было решено, что свет имеет исключительно волновую структуру.

До начала 20 века о ньютоновской теории практически никто и не вспоминал. Однако, в 1901 году Макс Планк вывел формулу описывающую излучение абсолютно черного тела, и он же предположил, что электромагнитные волны излучаются не постоянно, а дискретно (порциями), причем минимальная порция получила название «квант». Затем последовали работы Эйнштейна объясняющие явление фотоэффекта (за которую германский физик и получил Нобелевскую премию) и создание законов этого явления русским физиком Столетовым.

Опыт, иллюстрирующий явление фотоэффекта. При освещении пластины ультрафиолетовым светом, например от электрической дуги, электрометр будет очень быстро разряжаться. Если же сообщить пластине положительный заряд и затем осветить ультрафиолетовым светом, то электрометр не разрядится. Источник изображения: ours-nature.ru

Ситуация перевернулась с ног на голову. Теперь свет явно вел себя как поток отдельных частиц и с этим ничего нельзя было поделать. Отдельный квант света получил название «фотон», а физики всего мира задумались как объяснить его непонятную природу.

Абсолютно неожиданным явилось изучение прохождение одиночного фотона через две узких щели расположенные рядом (двойную щель), используемую для изучения волновых свойств света.

Опыт по интерференции света на двух щелях. Источник изображения: ecured.cu

На экране ошарашив экспериментаторов появилась интерференционная картина с ее минимумами и максимумами. Получалось невероятное – квант света перед двойной щелью распался на 2 части и прошел через обе щели. Но этого то и не могло быть ни в коем случае – фотон представляет собой единственный квант, который не делим по определению. А вот для волн проблемы с интерференционной картинкой при прохождении двойной щели не появляется – она просто обязана быть.

Корпускулярно-волновой дуализм

Поскольку противоречия между корпускулярной и волновой природой света оказались неразрешимы, оставалось признать, что он обладает как корпускулярной, так и волновой структурой. Название такой структуре дали корпускулярно-волновой дуализм света.

Свет проявляет свойства и волн, и частиц одновременно. Источник изображения:robertdee.pl

Самое оригинальное, что свои свойства свет проявляет в зависимости от проводимого эксперимента. В большинстве физических явлений он ведет себя как волна, а в фотоэффекте, эффекте Комптона и некоторых других физических явлениях он демонстрирует свои корпускулярные свойства.

Позднее было доказано, что не только фотоны, но и иные микрочастицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом. В 1948 году физик из СССР В. Фабрикант экспериментально подтвердил волновые свойства электрона. Позднее они были обнаружены у протонов, нейтронов и даже атомов. В 2013 году зафиксировали дифракцию (а это волновое свойство) молекулы содержащей больше 800 атомов.

Итак, кто же был прав – Ньютон или Гюйгенс с Гуком? Получается, что по своему правы были оба – и только объединение их теорий дает относительно полную картину природы света.

А сейчас ответим на вопрос вынесенный в заглавие статьи.

Ответ уже очевиден – свет является и частицей, и волной одновременно. Придумано даже несколько смешное слово описывающее структуру света – «волнатица».

Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник

Цель: изучение квантовой теории света
и световых явлений, объясняемых этой теорией.

Задачи:

образовательные: раскрыть физическую
сущность понятий: абсолютно черное тело,
ультрафиолетовая катастрофа, квант, постоянная
Планка, ввести понятие фотоэффект, познакомить
учащихся с открытием явления и его
исследованием, рассмотреть проблемы физики
начала ХХI века;
развивающие: развивать наблюдательность,
умение логически мыслить, анализировать факты и
явления на основе теоретических представлений,
расширять познавательный интерес, формировать
умение выделять признаки сходства и различия в
описании физических явлений;
воспитательные: способствовать расширению
кругозора учащихся, воспитывать культуру
общения, приобщать учащихся к достижениям
отечественной науки;
метапредметные: формировать умение
воспринимать альтернативные точки зрения и
высказывать обоснованные аргументы “за” и
“против”, находить требуемую информацию в
различных источниках, визуальную информацию
переводить в вербальную знаковую систему.

План.

Зарождение квантовой теории.
Опыты Герца и Столетова.
Фотоэффект. Законы фотоэффекта.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Фотоны.
Давление света.
Применение фотоэффекта.
Химическое действие света. Фотография.
Единство волновых и квантовых свойств света.

Ход урока

I. Вступительное слово учителя

II. Устный журнал (показ слайдов
презентации сопровождается чтением
стихотворения).

Как только ясно стало всем,
Что Максвелл прав был не совсем,
Что уравнения его для микромира – ничего,
Все стали думать и гадать, предполагать,
опровергать.
У Планка думать был талант, он потому придумал
квант.
И даже дальше он пошел и постоянную нашел.
Герц, ставя опыты давно, открыл явление одно.
О нем он миру рассказал, “фотоэффект” названье
дал.
Столетов был ужасно рад и опытов поставил ряд.
Закона два открыл подряд. Какой чудесный
результат!
Эйнштейн свой вклад внести решил, фотоэффект он
объяснил.
Открытие прекрасное – его “граница красная”.
Тут начал Лебедев “чудить”, стал трудный опыт
проводить:
Подвесил лепестки на нить, увидел – может свет
давить.
Лишен покоя и заряда, фотон летает, где не надо,
И импульс свой теряет где-то – корпускулярны
свойства света…
Фотоэффект теперь везде, свет служит людям на
Земле.
Свет научились мы копить, кино вдруг стало
говорить.
Чудесен сколь фотоэффект, теперь уже “химичит”
свет.
Нам этот свет дает дышать, ведь листья могут
превращать
Газ углекислый в кислород, коль свет на листья
упадет.
Мы держим аппарат в руках. Щелк-щелк, и вы уже “в
веках”.
Мы дарим всем портреты, за то спасибо свету.

III. Сообщения учащихся

1. Зарождение квантовой теории

Противоречие между классической
электродинамикой Максвелла и закономерностями
распределения в спектре теплового излучения
(нагретое тело, непрерывно теряя энергию
вследствие излучения электромагнитных волн,
должно охладиться до абсолютного нуля, но в
действительности это не так)

Гипотеза Планка (Атомы испускают
электромагнитную энергию отдельными порциями –
квантами. Энергия каждой порции прямо
пропорциональна частоте излучения. Е = h, где h = 6,63 *
10 -34 Дж . с – постоянная Планка, –
частота излучения)

2. Фотоэффект. (Открыт Герцем.
Исследован Столетовым)

Фотоэффектом называют вырывание электронов из
вещества под действием света.

Опыты Герца и Столетова (Внешний фотоэффект:
заряженную цинковую пластину присоединяют к
электрометру, освещают кварцевой лампой; если
заряд пластины “+”, то освещение пластины не
влияет на быстроту разрядки электрометра, а если
“-”, то он быстро разряжается. Фотоэффект
вызывается ультрафиолетовым излучением.)

3. Законы Фотоэффекта.

Первый закон: количество электронов,
вырываемых с поверхности металла за 1 секунду,
прямо пропорционально поглощаемой за это время
энергией световой волны.

Второй закон: максимальная кинетическая
энергия фотоэлектронов линейно возрастает с
частотой света и не зависит от интенсивности
света.

(Объяснение по таблице)

По графику зависимости фототока от напряжения
дать понятие задерживающего напряжения и тока
насыщения.

mv2 /2 = eUз – максимальное значение
кинетической энергии электронов.

4. Объяснение фотоэффекта Эйнштейном.

Законы Максвелла не могут объяснить, почему
энергия фотоэлектронов определяется только
частотой света и почему лишь при малой длине
волны свет вырывает электроны. Свет имеет
прерывистую структуру: излучается порциями,
излученная порция световой энергии Е = h
сохраняет свою индивидуальность. Поглотиться
может только вся порция целиком.

h= А+ mv2
/2 – уравнение Эйнштейна. Энергия порции света
идет на совершение работы выхода и на сообщения
электрону кинетической энергии. А – работа
выхода – работа, которую нужно совершить для
извлечения электрона из металла, она зависит от
рода металла и состояния поверхности, от
интенсивности света не зависит. Условия
возникновения фотоэффекта: энергия кванта
должна быть больше работы выхода.

min = A/h – красная граница фотоэффекта –
минимальная частота

(max =
кр =
hc/A – максимальная длина волны), при которой еще
возможен фотоэффект; зависит от рода металла.

5. Фотоны.

При испускании и поглощении свет ведет себя
подобно потоку частиц с энергией Е= hзависящей от
частоты. Порция света похожа на частицу, ее
называют фотоном или квантом.

m = h/c 2
– масса движущегося фотона.

Фотон не имеет массы покоя, т.е. он не существует
в состоянии покоя и при рождении сразу
приобретает скорость с = 3 * 108 м/с.

р = mc = h/c
= h/ –
импульс фотона (направлен по световому лучу). Чем
больше частота излучения, тем больше энергия и
импульс фотона.

6. Давление света.

Под действием электрического поля волны
электроны совершают колебания. Электрический
ток направлен вдоль линий напряженности
электрического поля. Сила светового давления
направлена в сторону распространения волны.
Объяснение давления света с точки зрения
квантовой теории: фотоны имеют массу, обладают
импульсом, который передают телу. По закону
сохранения импульса, импульс тела равен импульсу
поглощенных фотонов. Покоящееся тело приходит в
движение, импульс тела изменяется,
следовательно, на тело действует сила. Световое
давление играет большую роль во внутризвездных
процессах.

7. Применение фотоэффекта:

озвучивание кино;
передача движущихся изображений;
станки и машины с программным управлением;
осуществление контроля качества изделий;
включение и выключение механизмов, освещения и
т.д.

Заполнение таблицы учащимися

Название устройства	Принцип действия	Применение
Фоторезистор	Изменение электропроводности под действием света	В фотореле (для автоматизации производственных процессов, для контроля качества), в фототелеграфе, в звуковом кино
Фотоэлемент	Преобразование световой энергии в электрическую	В солнечных батареях (на ИСЗ и космических кораблях), гелиотехнических установках, в фотоэкспонометрах, в телевизионной связи

8. Химическое действие света. Фотография.

Химическое действие света проявляется в
поглощении молекулами видимого и
ультрафиолетового излучений и расщеплении этих
молекул (выцветание тканей на солнце и
образование загара).

Важнейшие химические реакции под действием
света происходят в зеленых листьях и траве.
Листья поглощают из воздуха углекислый газ и
расщепляют его молекулы на кислород и углерод.
Как установил русский биолог К.А.Тимирязев, это
происходит в молекулах хлорофилла под действием
красных лучей солнечного спектра. Этот процесс
называют фотосинтезом. Химическое действие
света лежит в основе фотографии.

Задача 1: фотосинтез в зеленых листьях
растений интенсивно происходит при поглощении
красного света длиной волны 0,68 мкм. Вычислите
энергию соответствующих фотонов, объясните
зеленый цвет листьев (2,9 * 10 -19 Дж).

Задача 2: для уничтожения микробов в
операционном помещении используют
бактерицидные лампы. Вычислить энергию кванта
излучения такой лампы, если длина его волны 0,25
мкм. Почему видимый свет не оказывает
бактерицидного действия? (8 * 10 -19 Дж).

9. Единство волновых и квантовых свойств
света.

Заполнить и проанализировать таблицу

Вид излучения	Длина волны, м	Энергия фотона, эВ	Масса фотона, кг	Импульс, кг м/с
Радиоизлучение	10	1,2 * 10 -6	2,2 * 10 -42	6,6 * 10 -34
Инфракрасное	10 -6	1,2	2,2 * 10 -36	6,6 * 10 -28
Видимое	5 * 10 -7	2,5	4,4 * 10 -36	1,3 * 10 -27
Ультрафиолетовое	10 -7	12,4	2,2 * 10 -35	6,6 * 10 -27
Рентгеновское	10 -9	1,2 * 10 3	2,2 * 10 -33	6,6 * 10 -25
Гамма-излучение	10 -14	1,2 * 10 8	2,2 * 10 -28	6,6 * 10 -20

Как изменяются энергия, масса и импульс фотонов
при уменьшении длины волны?

В каких излучениях и почему заметнее
проявляются волновые свойства? квантовые
свойства?

Вывод: чем меньше длина волны (больше
частота), тем больше энергия и импульс фотона и
тем сильнее выраженные квантовые свойства света.
При увеличении длины волны наиболее ярко
проявляются волновые свойства. Свет обладает
дуализмом (двойственностью свойств): при
распространении проявляются его волновые
свойства, а при излучении и поглощении (т.е. при
взаимодействии с веществом) – корпускулярные
(квантовые) свойства.

IV. Рефлексия.

V. Итоги урока.

Источник