Развитие взглядов на природу света

В природе существует только два способа передачи взаимодействий между телами: 1-ый - путем переноса вещества и 2-ой - путем изменения состояния физической среды.

В физике долгое время существовали две теории о природе света: 1-ая - корпускулярная (основоположник-И. Ньютон); 2-ая - волновая (основоположник - Х. Гюйгенс).

По Ньютону свет - это поток частиц, летящих в пространстве от источника света во все стороны по инерции и подчиняющихся законам классической механики. Свет - это перенос частиц (корпускул) от источника к приемнику.

По Гюйгенсу свет - это волны, распространяющиеся от источника во все стороны в особой среде - эфире. Эфир пронизывает все мировое пространство, он невидим, никак не ощущается, в нем отсутствует трение. Свет - это волна, изменяющая состояние некой среды - мирового эфира.

Обе теории появились почти одновременно в XVII в. и существовали параллельно. Большинство физиков отдавали предпочтение корпускулярной теории, в основном, благодаря непререкаемому научному авторитету Ньютона. Его теория очень просто объясняла прямолинейное распространение света и образование теней на основе инерции, которой обладают все материальные тела. Волновая теория Гюйгенса объяснить этого не могла. Однако, теория Ньютона также никак не могла объяснить тот факт, что световые лучи, пересекаясь, никак не влияют друг на друга. Они должны рассеиваться. По волновой теории это объяснялось просто - именно так ведут себя волны на поверхности воды.

Такое положение в физике просуществовало до середины XIX в., пока не были открыты дифракция и интерференция света. Эти явления присущи только волновым процессам, и объяснить их корпускулярная теория не могла никак. Казалось, что полностью восторжествовала волновая теория. Уверенность в ее правоте тем более окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX в. теоретически показал, что свет - это обычная ЭМВ определенной частоты и длины. Работы Максвелла заложили основы электромагнитной теории света, а после опытов Герца, которые доказали существование ЭМВ, уже не возникало никаких сомнений в том, что свет при распространении ведет себя как волна.

Однако, к концу XIX в. накопилось достаточно экспериментальных данных о том, что свет излучается и поглощается прерывисто (дискретно) и происходит это микроскопическими порциями энергии - квантами. Исходя из этого предположения, немецкий физик Макс Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Альберт Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света.

Согласно этой теории, свет представляет собой поток световых частиц - фотонов.

Фотоны существенно отличаются от обычных частиц: они существуют только в движении (со скоростью света) и имеют конечную массу. Фотон не может существовать в состоянии покоя. Фотоны поглощаются атомами, отдавая им свою энергию, и могут излучаться атомами.

В соответствии с современными представлениями, свет - это совокупность ЭМВ в диапазоне от 400 нм

(фиолетовый) до 800 нм (красный) или, соответственно, от 750 ТГц до 375 ТГц. Волновая

(электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теории не исключают друг друга, а взаимно дополняют.

Свет обладает дуализмом - двойственностью свойств. Фотон - это одновременно и частица, и волна.

Опыт Герца

Призмы

Закон преломления

Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Особый интерес представляет ход луча в призме:

Поскольку угол преломления зависит от скорости света в среде, а скорость света связана с длиной световой волны (частотой), то свет разного цвета (разной длинны волны или частоты) должен преломляться по-разному. Впервые это эффект обнаружил Ньютон, пропуская тонкий солнечный луч через трехгранную призму: белый свет, проходя через призму, распадался на радужную полоску, которую принято называть спектром. В спектре выделяют семь основных цветов, однако границы между ними размыты, поэтому полутонов там очень много. Если под одним и тем же углом направить на призму красный и синий лучи, то невооруженным глазом легко заметить, что красный луч преломляется в призме значительно меньше, чем синий. Скорость красного света в веществе больше, чем синего, поэтому таков результат преломления. И именно поэтому призма разлагает белый свет на составляющие.

Дисперсией называется зависимость показателя преломления света от длины волны (частоты). Дисперсионная картина, которая возникает на экране при прохождении белого света через призму, называется спектром. Спектр солнечного света, да и вообще любого источника, который излучает свет в результате нагревания, сплошной.

На границе раздела двух сред происходит также частичное отражение падающего луча.

Большое практическое значение имеет эффект полного отражения, когда угол преломления равен 90, и преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. Это возможно, если луч падающий попадает на границу раздела двух срез из более плотной среды, например, из воды в воздух.

В геометрической оптике скорость света не имеет значения. Тем не менее, первые способы измерения скорости света были основаны именно на методах геометрической оптики.

Датский астроном Рёмер в 1676 году сделал попытку измерить скорость света по задержке времени выхода спутника Ио из тени планеты - Юпитера. Естественно, точного значения он не получил, но смог оценить порядок: примерно 215 000 км/с. Это колоссальная скорость!

В 1849 году французский физик Физо с помощью лабораторной установки, которая имела специальный источник света, вращающийся диск с прорезями, полупрозрачное зеркало и обычное зеркало, находящееся на расстоянии 8,6 км, более точно определил величину скорости света: примерно 313 000 км/с.

В 1926 году американский физик Майкельсон измерил скорость света с помощью установки, расположенной на двух горных вершинах на расстоянии 35,4 км и содержащей вращающееся зеркало. Значение скорости света, полученное в этом эксперименте, составило 299 796 км/с.

Наиболее точное значение скорости света было получено в 1972 году: 299 792 456,2 м/с.

В настоящее время принято, что скорость света в вакууме составляет 299 792 458 м/с