Историческое развитие представлений о природе света

Элементы электронной оптики.

Определение 1.

Область физики и техники, в которой изучаются вопросы формирования, фокусировки и отклонения пучков заряженных частиц и получения с их помощью изображений под действием электрических и магнитных полей в вакууме, называется электронной оптикой.

Комбинируя различные электронно-оптические элементы — электронные линзы, зеркала, призмы, — создают электронно-оптические приборы, например электрон­но-лучевую трубку, электронный микроскоп, электронно-оптический преобразователь.

1. Электронные линзы представляют собой устройства, с помощью электрических и магнитных полей которых формируются и фокусируются пучки заряженных частиц.

По принципу действия различают электростатические и магнитные линзы.

В качестве электростатической линзы может быть использована система металлических электродов и диафрагм. Магнитная линза обычно представляет собой соленоид с сильным магнитным полем, коаксиальным пучку электронов.

2. Электронный микроскоп — устройство, предназначенное для получения изображения микрообъектов; в нем в отличие от оптического микроскопа вместо световых лучей используют ускоренные до больших энергий (30—100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума (примерно 0,1 мПа) электронные пучки, а вместо обычных линз — электронные линзы.

3. Электронно-оптический преобразователь — это устройство, предназначенное для усиления яркости светового изображения и преобразования невидимого глазом изоб­ражения объекта (например, в инфракрасных или ультрафиолетовых лучах) в видимое.

К началу XVIII в. существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.

Эксперименталь­ное доказательство справедливости волновой теории было получено в 1851 г., когда Э. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение, соответствующее предсказанию воновой теорией.

К началу XIX столетия корпускулярная теория была полностью отвергнута и восторжествовала волновая теория.

Несмотря на признание волновой теории, она обладала целым рядом недостатков. Например, теория Гюйгенса не могла объяснить физической природы наличия разных цветов.

Наука о свете накапливала экспериментальные данные, свидетельствующие о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений, что позволило лорду Джеймсу Кларку Максвеллу в 70-х годах прошлого столетия создать электромагнитную теорию света.

Согласно электромагнитной теории Максвелла, где с и v — соответственно скорости распространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m.

Но электромагнит­ная теория не могла объяснить явление дисперсии (зависимость показателя преломле­ния от длины волны). Эта трудность была преодолена в конце XIXв. Лоренцем, предложившим электронную теорию, согласно которой диэлектрическая проницае­мость e зависит от длины волны падающего света.

Теория Лоренца ввела представле­ние об электронах, колеблющихся внутри атома, и позволила объяснить явления испускания и поглощения света веществом.

Несмотря на огромные успехи электромагнитной теории Максвелла и электронной теории Лоренца, их применение сопровождалось с рядом затруднений для описания некоторых экспериментов.

Так, теория Максвелла не смогла объ­яснить процессов испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта и т. д. Теория Лоренца, в свою очередь, не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе (1900 г.) немецкого физика Макса Планка, согласно которой излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой n:

(1)

где h — постоянная Планка.

В 1905г. великий Альберт Эйнштейн. создал квантовую теорию света, согласно которой не только излучение света, но и его распространение происходит в виде потока световых квантов — фотонов, энергия которых определяется соотношением (1), а масса равна

(2)

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия света с веществом.