Оптические явления в природе
- Подробности
- Категория: Оптические явления в природе
В настоящее время можно указать три основные источника энергии на Земле: излучение Солнца, внутренняя теплота Земли (геотермальная энергия) и внутриядерная энергия.
Вряд ли есть более важное явление в природе, чем излучение Солнца. Термоядерные процессы, происходящие внутри Солнца, раскаляют его поверхность примерно до 6000° К. Солнце — главный источник энергии, которой пользуется человек на Земле. Оно и светит нам и греет нас. Это его лучи вызывают круговорот воды и воздуха в природе... Грозные ураганы и нежное дуновение «зефира», зной Сахары и стужа Верхоянска, сияние дня и мрак ночи связаны с излучением Солнца.
Это его энергия, конденсированная в угле и нефти, согревает нас зимой, вращает колеса машин, плавит металл, варит пищу, светит за письменным столом и возит нас в автомобилях и самолетах.
Это оно освещает листья растений, приводя в действие зерна хлорофила, творящие органическую массу растений, которая в свою очередь служит пищей животным и человеку.
Огромную роль в жизни человека играет огонь — теплота и свет, излучаемые им. Природа излучения Солнца и огня одинаковы. Это температурное излучение. В чем же оно состоит? Что такое свет? Вопрос, что такое свет, волновал человечество с древних времен.
Мнения ученых разделились: одни считали, что свет — это поток частиц, корпускул, другие — что это волновой процесс. Творцом и защитником корпускулярной теории принято считать Исаака Ньютона (1642—1727). Однако уже Ньютону были известны явления дифракции, интерференции и поляризации света, которые нельзя объяснить иначе как с волновой точки зрения. Одно из этих явлений — кольца Ньютона—было открыто им самим. Ньютон пытался примирить волновую и корпускулярную точки зрения.
Основателем волновой теории света является голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629—1695). Он считал, что свет — это механические волны, распространяющиеся в некой особой предполагаемой среде, обладающей малой плотностью и большой упругостью, названной мировым эфиром.
Известный русский ученый М. В. Ломоносов (1711 — 1765) был последователем волновой теории света. В конце XVIII и начале XIX в., после того как в результате работ Т. Юнга (1773-1829), О. Френеля (1788-1827) и других на основе волновой теории были объяснены все известные в то время оптические явления — интерференция, дифракция и поляризация света, была измерена длина волны света, восторжествовала волновая теория, а корпускулярная была забыта почти на столетие.
Во второй половине XIX в., после того как были открыты электромагнитные волны, стало ясно, что свет, если он и имеет волновую природу, то это волны не механические, а электромагнитные. Свет распространяется с той же скоростью, что и электромагнитные волны, преломляется, отражается, так же как и электромагнитные волны...
Не успела развиться электромагнитная теория света, как она встретилась с рядом непреодолимых трудностей.
На рубеже XX в. (в 1900 г.) Макс Планк (1858— 1947), анализируя явление излучения абсолютно черного тела, пришел к квантовой теории света, согласно которой свет излучается, распространяется и поглощается частицами (фотонами), обладающими квантами (порциями) энергии
(где h = 6,7 * 10-34 дж * сек —- постоянная Планка, а v — частота световой волны, имеющей длину λ; с — скорость света).
На основе квантовой теории было объяснено много непонятных до того явлений, в частности явление фотоэффекта, открытое в 1888 г. А. Г. Столетовым (1839— 1896), излучение света и др.
Так что же такое свет?
В некоторых явлениях он ведет себя как волны, в других как частицы.
Уже в самом уравнении
видна двойственность его природы. В этом уравнении отдельные, обособленные порции энергии связаны с некоторым волновым процессом, характеризуемым длиной волны и частотой.
В 1924 г. стало известно, что не только свет, но частицы (электроны, протоны, молекулы и т. п.) обладают волновыми свойствами.
С этого же времени стали считать, что свет тоже обладает двойственной корпускулярно-волновой природой. Он одновременно и частица и волна. В одних условиях на первый план выступают волновые, в других—корпускулярные свойства света.
В тридцатых годах двадцатого столетия зародилась, а затем стада развиваться новая наука — квантовая механика, соединившая математически воедино противоречивые свойства волн и частиц. Квантовая механика является основой не только современной теории света, но и элементарных частиц и целого ряда других явлений г.
Электромагнитная волна, сопровождающая фотон, представляет собой процесс распространения периодических изменений (колебаний) векторов напряженности электрического и магнитного полей. Эти векторы в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и направлению распространения и колеблются без сдвига фаз. Таким образом, световая волна является волной поперечной.
Ниже приведена полная шкала электромагнитных волн, обладающих различными физическими свойствами.
В некоторых случаях для выяснения явлений не важна природа света, достаточно знать его основные свойства, полученные из. опыта: прямолинейность распространения в однородной среде, законы отражения и преломления. Отдел оптики, занимающийся изучением законов распространения света в средах и явлениями, происходящими на границе сред, называют лучевой или геометрической оптикой. Геометрическая оптика рассматривает световой поток как совокупность отдельных независимых световых лучей, каждый из которых подчиняется законам отражения и преломления.
