Записките се преместени на нов сайт!

 Назад   Теми   Съдържание   Конспект  Курс   Напред 

Оптика, природа на светлината

Оптика се нарича този дял от физиката, който изучава явленията, свързани със светлината. Светлината създава зрителните усещания в човешкото око и затова е събуждала интереса на хората още от дълбока древност. Първите научни хипотези относно това, какво представлява светлината, обаче, са изказани много по-късно и се свързват с имената на Нютон и Хюйгенс, живeли през ХVII-XVIII век.

Нютон е привърженик на хипотезата, че светлината представлява поток от много малки частици, които се движат с голяма скорост, а при преминаване от една среда в друга променят скоростта си. Така се обяснява праволинейното разпространение на светлината и пречупването й на границата между две прозрачни среди. Тази хипотеза се нарича корпускулярна хипотеза (от латинската дума "корпускула" - частица).

Хюйгенс се придържа към друга хипотеза - че светлината представлява механична вълна (предаване на трептения) в изпълваща цялото пространство материя, наречена етер. Неговата хипотеза е известна с наименованието вълнова хипотеза. Откритите по това време явления дифракция и интерференция на светлината били успешно обяснени с тази теория и това довело до нейното признаване. Но при следващи изследвания не били открити никакви факти, които да потвърждават, че етерът съществува. Ето защо, макар и да се приело, че светлината се разпространява във вид на вълна, оставал открит въпроса, дали това е механична вълна в етера или вълна с друга природа.

През XIX век Максуел, обобщавайки теоретично откритите в електродинамиката закони, доказва, че от тях следва съществуването на вълни в електромагнитното поле, които били наречени електромагнитни вълни. Съществуването им скоро било потвърдено експериментално в опитите на Херц. Скоростта на електромагнитните вълни съвпада с измерената при оптически изследвания скорост на светлината и това дало основание на Максуел да предположи, че светлината представлява електромагнитни вълни. Новата теория за природата на светлината е наречена електромагнитна теория. Всички известни до тогава светлинни явления, намерили обяснение чрез тази теория.

Към края на ХIХ век били открити две нови явления - равновесното излъчването на черно тяло и фотоефектът, за които се оказало невъзможно да бъдат обяснени само с електромагнитната теория. Тези две явления показвали, че е невъзможно излъчването и поглъщането на светлината да е непрекъснат процес. Обяснението им се оказало възможно само при предположение, че това става на порции, наричани още кванти или фотони. Хипотезата, че излъчването на светлината става на кванти била изказана от Макс Планк, който чрез тази хипотеза успял да обясни спектъра на равновесното излъчване на черно тяло. Енергията на един фотон (квант) светлина е E = h ν . Тук h = 6,626   10 34   J . s  е константа, наричана константа на Планк, а v  е честотата на светлината. Алберт Айнщайн пък предложил обяснение на фотоефекта - откъсването на електрони от повърхността на метал при осветяване със светлина. Той изказал хипотеза, че и поглъщането на светлината става на кванти с енергии E = hv . Тези две открития дали основание да се приеме, че наред с вълновата си природа на електромагнитна вълна, светлината проявява и свойства на поток от частици. Съвременната физика е доказала, че и елементарните частици и физическите полета имат двойствена природа - при разпространение проявяват вълнови свойства, а при взаимодействията си - корпускулярни свойства (свойства на частици). Този факт се нарича корпускулярно-вълнов дуализъм. Неговото откриване е една от отличителните черти на съвременната физика и в частност на квантовата механика, изучаваща движението на елементарните частици.

Съвременната представа за природата на светлината се основава на знания от квантовата механика и на корпскулярно-вълновия дуализъм. А именно: светлината е поток от частици фотони, но както всички елементарни частици, фотоните проявяват вълнови свойства, затова се разпространяват наподобявайки вълни и могат да претърпяват дифракция и интерференция, както вълните. Електромагнитната теория за природата на светлината сега не се отрича, но се допълва с квантовомеханичната представа, че електромагнитното поле представляващо светлинна вълна, се състои от особен вид частици - фотони.

Опитът показва, че скоростта на светлината във вакуум е постоянна величина, която не зависи от скоростта на източника или приемника. Скоростта на светлината във вакуум: c = 3   10 8 m / s  е една от основните константи в природата. Следователно, фотоните са частици, които се движат само със скорост, равна на скоростта на светлината. Един фотон съществува или в състояние на движение със скоростта на светлината или не съществува и мигновено се превръща в енергия на друга елементарна частица.

Освен енергия фотоните притежават и импулс: p = E c = h ν c , който те получават от системата, която ги излъчва или го придават на системата, която ги поглъща. Съществуването на импулс на фотоните показва, че светлината може да упражнява налягане върху осветяваната от нея повърхност и такова налягане с прецизни опити, наистина е измерено.

Видимата светлина е само една много тясна част от съществуващия в природата диапазон от електромагнитни вълни, това са вълните с дължини λ  от 380 до 710 nm . С по-малка дължина на вълната са: γ -лъчите, рентгеновите лъчи, ултравиолетовите лъчи, а с по-голяма: инфрачервените лъчи, радиовълните от различните диапазони - милиметрови, сантиметрови, дециметрови, метрови (ултракъси), къси, средни, дълги и свръх дълги.


 Назад   Теми   Съдържание   Конспект  Курс   Напред 

Copyright© Ваньо Георгиев, 2005 г. Въпроси и коментари пишете тук.
physics-bg.org