Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Чувтаєва Л.О.

• Геометрична оптика – граничний випадок хвильової оптики.
• Геометрична оптика не вивчає природу світла,а описує закони поширення світла, виходячи з узагальнених емпіричних даних.

• Вивчаючи теорію зорових променів, Евкілд відкрив закони відбивання світла

• 1) промінь падаючий і промінь відбитий лежать одній площині з перпендикуляром до межі двох середовищ, поставленим у точку падіння променя;
• 2) кут падіння світлового променя дорівнює куту його відбивання;
• 3) падаючий і відбитий промені оборотні.

Існують переконливі експерименти, в яких світло виявляє хвильові властивості, так само як існують досліди, в яких світло поводиться як потік квантів (фотонів).

Хвильова теорія світла

Корпускулярна теорія світла

«Практика про світло Гюйгенса»

• У “Практиці про світло” Гюйгенс висловив думку про те, що світло – це хвильовий рух в ефірі.

Основні положення хвильової теорії світла Гюйгенса.

• Світло - це поширення пружних аперіодичних імпульсів в ефірі. Ці імпульси поздовжні й подібні на імпульси звуку в повітрі.
• Ефір - гіпотетичне середовище, що заповнює небесний простір і проміжки між частинками тіл. Воно невагоме, не підкоряється закону всесвітнього тяжіння, має велику пружність.
• Принцип поширення коливань ефіру такий, що кожна його точка, до якої доходить збурення, є центром вторинних хвиль. Ці хвилі слабкі, і ефект спостерігається тільки там, де проходить їхня поверхня, що огинає, - фронт хвилі (принцип Гюйгенса).
• Чим далі хвильовий фронт від джерела, тим більше плоским він стає.
• Світлові хвилі, що приходять безпосередньо від джерела, викликають зорові відчуття.

4

• Дуже важливим пунктом теорії Гюйгенса з'явилося при пущення максимально можливої швидк ості поширення світла. Використовуючи свій принцип, ученому вдалося пояснити багато явищ геометричної оптики:
• - явище відби ванн я світла і його закони;
• - явище за ломлення світла і його закони;
• - явище повного внутрішнього відби ванн я;
• - явище подвійно го променезаломл ення ;
• - принцип незалежності світлових променів.
• Теорія Гюйгенса давала так ий вира з для показника за ломлення середовища:
• З формули видно, що швидкість світла повинна залежати обернено пропорційно від абсолютного показника середовища. Цей висновок був протилежний висновку, що випливає з теорії Ньютона. Невисокий рівень експериментальної техніки XVII століття виключав можливість установити, яка з теорій правильна .

Причиною заломлення є різна швидкість поширення світла в різних середовищах.

С 1

υ 1

А 1

α

С

α

β

А

D

M

N

Принцип Гюйгенса позволил с помощью геометрических построений и вычислений доказать справедливость законов преломления. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, которая называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. При переходе из одной среды в другую изменяется скорость света, поэтому относительный показатель преломления связан со скоростями света в этих средах. Среды, при переходе в которые скорость света уменьшается, называются оптически более плотными. Рассмотрим применение свойства обратимости лучей при переходе через границу раздела двух сред.

В

D 1

υ 2

β

В 1

8

8

Світло – це хвиля?

Природа світла

• Світло - це електромагнітні хвилі високої частоти , що випромінюються атомами речовини,   а також частинками, які мають електричний заряд і рухаються  з величезним прискоренням.

Дисперсія світла

Дослід Ньютона по розкладанню сонячного світла у спектр, а також фотографія реального досліду з призмою.

Явище розкладання у спектр цілком визначається дисперсією показника заломлення призми в залежності від довжини хвилі. При нормальній дисперсії показник заломлення більший для коротких хвиль (violet) і менший для довгих (red). Тому і кут заломлення також різний: менший для червоних і більший для фіолетових променів.

Дисперс i я св i т л а

• Залежність показника заломлення світла

(а отже, і швидкості) від його кольору.

(від лат, dispergo – розкидаю; spectrum – марево )

Спостереження дисперсії світла

Інтерференція світла

• Інтерференція - додавання двох світлових хвиль у просторі, внаслідок чого спостерігається стійка в часі картина підсилення або послаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору.

Спостереження інтерференції

• У природних умовах інтерференцію світла можна спостерегати на тонких мильних бульбашках, плівках бензіну,розлитому на мокрому асфальті Світло частково відбивається и частково заломлюється Обидві хвилі когерентні, оскільки створені одним джерелом Спостерігається стійка інтерференційна картина – райдужно забарвлена
• У природних умовах інтерференцію світла можна спостерегати на тонких мильних бульбашках, плівках бензіну,розлитому на мокрому асфальті
• Світло частково відбивається и частково заломлюється
• Обидві хвилі когерентні, оскільки створені одним джерелом
• Спостерігається стійка інтерференційна картина – райдужно забарвлена

Інтерференція світла

Лабораторна робота з відтворення інтерференційних кілець Ньютона , які утворюються при освітлення паралельними променями лінзи, яка лежить на склі.

Інтерферують поміж собою промені відбиті від різних поверхонь.

В центрі картини спостерігається темна зона.

Умови когерентності

• Хвилі повинні мати однакову частоту;
• Різниця початкових фаз цих хвиль має бути постійною

Δφ = const

Умови max и min

• Посилення (max)

• Послаблення (min)

Умови max и min

• k = 0; 1; 2; 3; 4; … ( целое) - max

• k = 0,5; 1,5; 2,5; … (полуцелое) - min

Умови max и min ( задача)

• Два когерентних джерела світла випускають монохроматичне світло з довжиною хвилі 0,5 мкм. Визначте, посилення чи послаблення світла відбувається в точках А і В.

В

4,15 мкм

6,4 мкм

5,5 мкм

4 мкм

А

Задача

• Два когерентних джерела світла випускають монохроматичне світло з довжиною хвилі 600 нм . Визначити, на який відстані від точки О буде перший максимум освітленості, якщо відстань між джерелами світла 1 мм, ОС = 4м.

• Явище інтерференції можна спостерігати в природних умовах. Райдужне забарвлення тонких плівок бензину на поверхні води, пояснюється інтерференцією хвиль (променів), відбитих від передньої та задньої стінок тонких плівок, як це показано на схемі.
• Інтерференція на мильних бульбашках та плівках змінної товщини показана на інших фотографіях

Кільця Ньютона - це інтерференція білого світла в тонкому шарі повітря між скляними пластинками – плоскою та опуклою сферичною. Спостерігаємо інтерференційні смуги, забарвлені всіма кольорами веселки, у вигляді концентричних кілець (кільця Ньютона).

Реальна інтерференційна картина: так звані кільця Ньютона на поверхні краплі води, яка лежить на склі.

Кільця Ньютона - це інтерференція білого світла в тонкому шарі повітря між скляними пластинками – плоскою та опуклою сферичною . Спостерігаємо інтерференційні смуги, забарвлені всіма кольорами веселки , у вигляді концентричних кілець (кільця Ньютона).

Дослід Юнга ( 1773 – 1820 ) йому належить і термін «інтерференція»

• Світло від джерела світла проходить через першу щілину Потім ще крізь дві щілини, ( когерентні джеререла) Юнг побачив цілу серію яскравих і темних ліній (інтерференційну картину). Пояснити це можна тільки на основі хвильової природи світла ( якщо світло є потоком частинок, то на екрані повинні спостерегатися дві яскраві лінії
• Світло від джерела світла проходить через першу щілину
• Потім ще крізь дві щілини,
• ( когерентні джеререла)
• Юнг побачив цілу серію яскравих і темних ліній (інтерференційну картину).
• Пояснити це можна тільки на основі хвильової природи світла ( якщо світло є потоком частинок, то на екрані повинні спостерегатися дві яскраві лінії

Ці хвильові властивості світла у наш час широко використовуються для :

• Просвітлення оптики (фотоапарати, телескопи, проекційна апаратура);
• Контролю якості обробки металевих та інших поверхонь;
• Вимірювання швидкості світла (інтерферометри)

Практичне застосування інтерференції

Просвітлення оптики

• Просвітлення оптики

• Лінзу покривають тонким шаром певного матеріалу(плівка) n пл стекла Погасити відбиті хвилі всіх частот падаючого на об'єктив білого світла неможливо. Тому товщину плівки добирають так, щоб за нормального падіння цілком гасилися хвилі середньої частоти спектра. Товщина має дорівнювати чверті довжини хвилі у плівці.
• Лінзу покривають тонким шаром певного матеріалу(плівка)
• n пл стекла
• Погасити відбиті хвилі всіх частот падаючого на об'єктив білого світла неможливо. Тому товщину плівки добирають так, щоб за нормального падіння цілком гасилися хвилі середньої частоти спектра. Товщина має дорівнювати чверті довжини хвилі у плівці.

.

• Це відкриття зробив український вчений Олександр Смакула (1900-1983) 1935 року, будучи директором дослідної лабораторії в німецькій оптичній фірмі "Цайсс" (місто Єна).
• У сучасних фотооб'єктивах відбивних поверхонь понад 10, а в перископах підводних човнів - до 40.
• Якщо світло падає перпендикулярно до поверхні, то від кожної поверхні відбивається 5-9 % усієї енергії.
• Тому через прилад часто проходить тільки 10 - 20 % світла, що надходить до нього.
• Це спричиняє погіршення якості зображення. Неприємні наслідки відбиття світла від поверхонь оптичних стекол можна усунути, якщо зменшити ту частину енергії, яка відбивається.
• Тоді зображення, що його забезпечує прилад, буде яскравішим, "просвітленим". Від цього і походить термін "просвітлення" оптики.

• Відбиття світла крайніх ділянок спектра - червоного і фіолетового - послаблюється мало. Тому об'єктив (наприклад, фотоапаратів) у відбитому світлі має бузковий відтінок.
• Гасіння світла світлом не означає перетворення світлової енергії в інші види, так само, як під час інтерференції механічних хвиль . Г асіння хвиль одна одною в довільній ділянці простору означає, що світлова енергія сюди просто не доходить.
• Отже, гасіння відбитих хвиль означає, що все світло проходить через об'єктив.

Дифракція світла

• Компакт-диск – це не тільки сотні мегабайт інформації, або музики. Це ще і дифракційна гратка: у ролі її штрихів (перешкод, на яких відбувається дифракція) виступають кільцеві доріжки, на яких записані дані. Оскільки доріжок багато, падаючий промінь світла дробиться на окремі джерела, які інтерферують.

Дифракція света від лат. Diaraktus - РОЗЛАМАНИЙ

• Дифракція світла – це явище відхилення прямолінійного поширення світла в однорідному середовищі при його проходженні повз перешкоди чи крізь отвори, проникнення світла в область геометричної тіні.

Відкриття дифракції

• Дослід Пуассона

• Світло проходит через перешкоду На межі перешкод виникають когерентні вторинні хвилі Бачимо дифракційну картину – систему світлых коілец,які змінюються на радужні (наслідок интерференії)
• Світло проходит через перешкоду
• На межі перешкод виникають когерентні вторинні хвилі
• Бачимо дифракційну картину – систему світлых коілец,які змінюються на радужні (наслідок интерференії)

Спостереження дифракции

• ДИФРАКЦІЙНІ КАРТИНИ ВІД РІЗНИХ ПЕРЕШКОД

- невеликого непрозорого

екрана-світлі і темні концентричні кільца, в центрі тіні – світла кругла пляма ( пляма Пуассона)

- зменшуючи діаметр отвору – отримаємо в центрі темну пляму

Застосування дифракції

• Межі застосування законів геометричної оптики

• не дозволяє отримати чіткі зображення дрібних тіл ( світло огинає ) не можно спостерігати за як завгодно віддаленими об ’ єктами (роздільня здатність) умови обмеження
• не дозволяє отримати чіткі зображення дрібних тіл ( світло огинає )
• не можно спостерігати за як завгодно віддаленими об ’ єктами (роздільня здатність)
• умови обмеження

Умови обмеження ГО ( задача)

• Як визначити відстань, на який можна побачити монету в телескоп? Діаметр монети 1 см? Довжина світлової хвилі 500 нм.
• Розв ΄ зання:

Дифракційна гратка

• Дифракційна решітка – це скляна тонка пластинка, на яку нанесені паралельні штрихи з проміжками між ними. Ширина щілини і штриха позначається d і називається сталою решітки або періодом решітки .

d – період решітки

Особливо чітку дифракційну картину утворюють дифракційні грат к и. Дифракційні гра т ки - це сукупність дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками

Дифракційні спектры

• Спрямуємо на грати паралельний пучок променів. Кожна точка щілини буде відхиляти промені у всіх напрямах, зокрема, і під кутом  від початкового напряму. Якщо ці промені зібрати на екрані, наприклад, за допомогою збиральної лінзи, то можна отримати підсилення чи послаблення світла - дифракційний максимум чи мінімум освітленості.

Внаслідок дифракції на дифракційних гратках білого світла всі головні максимуми, крім центрального нульового максимуму, будуть забарвленими. Зі збільшенням довжини хвилі головні максимуми всередині розміщуються під великим кутами від центрального. Райдужна полоска, що містить сім кольорів - від фіолетового до червоного (підрахунок ведеться від центрального максимуму), називають дифракційним спектром.

Якщо a - ширина прозорої частини,

b – непрозорої,

l - ширина грат;

N - кількість щілин.

Дифракційні гратки

Поляризація

Ця пара фотографій ілюструє застосування циркулярно поляризаційних фільтрів (фото праворуч)

Світло – це

потік частинок?

14 грудня на засіданні Фізичного товариства Макс Планк оголосив, що явище випромінювання абсолютно чорного тіла можна пояснити, виходячи з того, що світло – це потік частинок-квантів кожна з яких має енергію, пропорційну частоті випромінювання.

Зовнішній фотоефект

• Кванти ультрафіолетового випромінювання виривають електрони з поверхні цинкової пластини, внаслідок чого негативний заряд зменшується,що й показує електрометр.

електричний

ефект

• Відкриття явища фотоефекту дало можливість сконструювати фотоелементи, які широко використовують в кіно, на виробництві, в побуті

Починаючи з 1932 року фільми почали озвучувати за допомогою фотоелементів

А це, в свою чергу, ще один крок до отримання екологічно чистої електричної енергії, який дасть змогу людям раціональніше використовувати мінеральні ресурси і зробити атмосферу Землі чистішою

Сонячні батареї

• Такі батареї вже протягом багатьох років працюють на космічних супутниках та
• кораблях. Їх ККД складає приблизно 10% та, як показують теоретичні розрахунки його можна збільшити до 22%, що відкриває великі перспективи їх використання у якості джерел для побутових та виробничих потреб.

Сонцемобіль, Сонячна станція

Перші фотографії були виготовлені в 1842 році.

Із року в рік їх якість ставала все кращою.

• Але теорії самого процесу не було до 1900 р. Тільки коли була створена квантова теорія світла, все стало на свої місця.

Велике значення має фотографія в техніці й особливо в астрономії

• За цими фотографіями можна визначити хімічний склад планети, її температуру наявність атмосфери та багато інших даних

Висновок:

• Світло – це електромагнітне випромінювання , яке під час випромінювання і поглинання поводиться як потік частинок, а під час поширення у просторі – як електромагнітна хвиля.

Далі буде …

• Свет – это самое темное место в физике.