Свет: физический взгляд

Квантовая оптика

Открытие фотоэффекта

Как мы уже сказали, ученый Генрих Герц был первым, кто обратил внимание на незамечаемые ранее квантовые свойства света. Фотоэффект был открыт в 1887 году, когда ученый соединил освещенную цинковую пластину и стержень электрометра

В случае если до пластины доходит положительный заряд, электрометр не разряжается. Если излучается заряд отрицательный, то прибор начинает разряжаться, как только на пластину попадает луч ультрафиолета. В ходе данного практического опыта было доказано, что пластина под воздействием света может излучать отрицательные электрические заряды, которые впоследствии получили соответствующее название – электроны.

Как свет воспринимается глазом

Свет воспринимается глазами человека в диапазоне 370-790 нм. Ультрафиолетовое излучение наше зрение зафиксировать не может, зато его воздействие испытывает на себе наша кожа, на которую оно оседает в виде загара. Инфракрасное же излучение ощущается человеком как тепло. Разработки последних лет подтвердили преимущество инфракрасных обогревателей перед другими видами.

Сетчатка глаз обладает уникальной способностью улавливать фотоны и передавать эту информацию в мозг для последующей обработки. Это подтвержденный факт, который свидетельствует о том, что человек является гармоничной частью природы.

Неквантовая теория света

Возможна ли неквантовая физика света? Конечно, да, и в большинстве случаев оптические явления можно объяснить без помощи квантовой теории

Но также есть много случаев, когда важно учитывать квантовую природу света

Считается, что первый эксперимент в квантовой оптике — это эксперимент Брауна и Твисса, выполненный в 1956 году. Они показали, что если направить свет от некоторых источников на два фотоприемника, которые «щелкают» при регистрации фотонов, то приемники будут часто щелкать одновременно. Этот эксперимент довольно долго считался доказательством фотонной природы света: ведь одновременность щелчков фотоприемников означает, что оба они регистрируют существующие в действительности порции света. Соответственно, свет, который заставляет два фотоприемника щелкать строго одновременно, называют двухфотонным светом. С другой стороны, существуют источники света, которые никогда не дают одновременных щелчков фотодетекторов. Такой свет называется однофотонным.

Таким образом, можно прийти к выводу, что только в особых состояниях свет проявляет свойства, которые невозможно объяснить с классических позиций. Такие состояния света называют неклассическими.

Какие же неклассические состояния света можно на сегодняшний день воспроизвести в лабораториях? Оказывается, совсем немного видов. Физики умеют готовить однофотонный и двухфотонный свет с примесью вакуумного состояния, то есть состояния света без фотонов. В случае однофотонного света это значит, что даже идеальный фотоприемник, включенный в определенный момент, необязательно зарегистрирует фотон, он среагирует лишь с какой-то вероятностью. Двух фотонов в этом случае фотоприемник не зарегистрирует никогда.

Однофотонный свет можно приготовить и без примеси вакуумного состояния — при этом будут точно известны моменты, когда нужно включать фотоприемник, и он будет щелкать с вероятностью 100%. А трехфотонный и тем более четырехфотонный свет экспериментаторы на сегодняшний день не умеют готовить даже с примесью вакуума!

Последний из доступных видов неклассического света — это так называемый сжатый свет, содержащий лишь четное число фотонов, и при его регистрации фотоприемники могут обнаружить пары фотонов, четверки, шестерки и так далее, но никогда—тройки, пятерки и другие нечетные числа фотонов.

Неклассический свет находит различные применения. Сжатый свет, как и двухфотонный свет, оказывается полезным при точных измерениях. Их использование позволяет уменьшить ошибки эксперимента, связанные с квантовой неопределенностью. Квантовые объекты чаще всего не имеют точно заданных параметров, их свойства можно назвать размазанными, так же как «размазано» их положение в пространстве. При высокоточных измерениях, когда погрешности эксперимента сведены к минимуму, эта размазанность свойств становится принципиальным ограничением точности измерений. Использование сжатого света позволяет обойти эту трудность и в определенные моменты времени уменьшить размазанность.

Таим образом, основная проблема квантовой оптики — это описание взаимодействия света с веществом с учетом квантовой природы объектов, а также описание распространения света в специфических условиях. Чтобы точно решить эти задачи, требуется описывать и вещество, и свет исключительно с квантовых позиций. Это очень сложная задача, поэтому ученые часто прибегают к упрощениям: одну из компонент системы описывают как классический объект.

Поделиться ссылкой

Корпускулярно-волновой дуализм

Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна – и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.

Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.

Древние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, что он направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.

По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других – как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.

Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии в виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».

Природа света

Сегодня мы знаем, что свет может вести себя как частица и как волна. Но достигнуть этого понимания было непросто. Так, к началу XIX века было известно, что волны света могут интерферировать друг с другом (то есть усиливать или ослаблять друг друга).

Если бросить в воду два камушка, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и порождая интенсивную волну. При этом в других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. В ходе эксперимента Томас Юнг увидел на листе бумаги светлые и темные полосы – это означает, что световые волны подвергались такому же процессу интерференции.

Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки

Однако свет можно также рассматривать как поток частиц – фотонов или квантов света. В основе корпускулярной теории лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке эти положения развил Макс Планк. Интересно, что используя представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения. В настоящее время считается, что свет может проявлять себя и как волна и как поток частиц.

Природа света. Измерение скорости света. Волновая оптика

Подробности
Обновлено 09.03.2018 13:16

Оптика – это раздел физики, изучающий световые явления.
А что такое свет?
Взгляды ученых на природу света с течением времени изменялись.
С 18 века в физике шла борьба между приверженцами волновой теории и корпускулярной теории.
Известный ученый И.Ньютон считал: свет – это поток корпускул (частиц), выбрасываемых светящимся телом, которые распространяются в пространстве прямолинейно. Это предположение подтверждалось законом прямолинейного распространения света.
Английский ученый Р.Гук читал: свет – это механические волны. Подтверждением этой теории были работы Х. Гюйгенса, Т. Юнга, О. Френеля и др.
По современным представлениям свет имеет двойственную природу ( корпускулярно-волновой дуализм):
– свет обладает волновыми свойствами и представляет собой электромагнитные волны, но одновременно является и потоком частиц – фотонов.

В зависимости от светового диапазона проявляются в большей мере те или иные свойства.

Фотоэлементы с проводниковыми функциями

Это уже совсем иной тип приборов, в основе которых лежат квантовые свойства света. Их назначение – изменение концентрации носителей тока. Данное явление иногда называют внутренним фотоэффектом, и он составляет основу работы фоторезисторов. Данные полупроводники играют очень важную роль в нашей повседневной жизни. Впервые их начали использовать в ретро-автомобилях. Тогда они обеспечивали работу электроники и аккумуляторов. В середине ХХ века подобные фотоэлементы стали применять для строительства космических кораблей. До сих пор за счет внутреннего фотоэффекта работают турникеты в метро, портативные калькуляторы и солнечные батареи.

Формула Планка

В самом начале XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Согласно ей, излучение и поглощения света происходит не непрерывно, как думали ранее, а порционно – квантами, или, как их еще называют, фотонами. Была введена постоянная Планка – коэффициент пропорциональности, обозначаемый буквой h, и он был равен 6,63·10 -34 Дж·с. Дабы высчитать энергию каждого фотона, требовалась еще одна величина – v– частота света. Постоянная Планка умножалась на частоту, и в результате получали энергию отдельно взятого фотона. Так немецкий ученый точно и грамотно закрепил в одной простой формуле квантовые свойства света, которые ранее были обнаружены Г. Герцем и обозначены им как фотоэффект.

3.1. Основные законы геометрической оптики window.top.document.title = “3.1. Основные законы геометрической оптики”;

Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о .

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом в 1621 г.

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.

Рисунок 3.1.1.Законы отражения и преломления: γ = α; n1 sin α = n2 sin β.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).

Для угла падения α = αпр  sin β = 1; значение sin αпр = n2 / n1 < 1.

Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде

n = n1 > 1

Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) αпр = 48,7°.

Рисунок 3.1.2.Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

Рисунок 3.1.3.Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность

Модель.
Отражение и преломление света

Квантовые свойства света.

С точки зрения квантовой теории свет испускается,
распространяется и поглощается отдельными порциями – квантами.

Характеристики фотона.

1. Масса.; m- масса покоя.

Если m0
(фотона) , то т.к. V=C, m=–
чушь, следовательно m=0
– движущийся фотон. Следовательно, свет
остановить нельзя.

Поэтому масса фотона должна рассчитываться из релятивистской
формулы для энергии. E=mC2,
m=E/C2.

2. Энергия фотона. E=mC2.

В 1900 Макс Планк – немецкий физик выводит для энергии
фотона следующую формулу: .

h=6,62*10-34 
Дж*с– постоянная Планка.

3. Импульс.

p=mV=mC=mC2/C=E/C=h/; p-характеристика частицы, -характеристика
волны.

Интерференция- перераспред. света в пространстве.

Наложение световых волн, в результате которого в одних
местах пространства происходит усиление интенсивности света, а в других –
ослабление. То есть происходит перераспределение интенсивности света в
пространстве.

Условием наблюдения интерференции является
когерентность световых волн (волны, которые удовлетворяют условию: -монохроматические волны;  – фаза волны постоянна в данной точке пространства с
течением времени).

РАСЧЕТ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КАРТИН.

Источники- когерентные волны. ; * –
точ. источник.

Темная и светлая полоса.

1. Если l~d, то  картина неразличима, поэтому, чтобы что-то увидеть,
надо 2.l<<d тогда .

В точке М происходит наложение двух когерентных волн.

, d1,d2 -метры, пройденные волнами; -разность
фаз.

Темнее/светлее- интенсивность.  (пропорциональна).

Если волны не когерентные: (среднее значение за период).

 (суперпозиция, наложение).

Если – когерентные:
;;  – имеет место интерференция света (перераспределение
света).

; если (оптическая разность хода волн); n-показатель
преломления; (d2-d1)-геометрическая разность хода волн; -длина волны (путь, который волна проходит
за период).

-основная формула
интерференции.

В зависимости от пути , они
приходят с различным . От последнего зависит Iрез.

1. Iрез.max.

Это условие максимума
интерференции света, потому как при этом волны приходят в одинаковой фазе и
поэтому усиливают друг друга.

n-коэффициент
кратности; -означает, что интерференционная картина
симметрична относительно центра экрана.

Если фазы совпадают, то амплитуды не зависят от фаз.

– Так же
условие максимума.

2. Iрез.min.

; k=0,1,2…; .

– Это условие минимума,
т.к. при этом волны приходят в противофазе и гасят друг друга.

Способы
получения когерентных волн.

Принцип получения.

Для получения когерентных
волн необходимо взять один источник и идущую от него световую волну разделить
на две части, которые затем заставить встретиться. Эти волны будут когерентны,
т.к. будут принадлежать к одному и тому же моменту излучения, поэтому . .

Явления, используемые для
разделения световой волны надвое.

1. Явление отражения
света (бизеркала Френеля). Рис.4.

2. Явление преломления
света (бипризма Френеля). Рис.5.

3. Явление дифракции
света.

Это есть отклонение света от прямолинейного
распространения при прохождении света через малые отверстия или вблизи
непрозрачных препятствий, если их размеры (обоих) d соизмеримы с
длиной волны (d~). То:
Рис.6. – установка Юнга.

Во всех перечисленных случаях реальный источник света
был точечным. В реальной жизни свет может быть протяженным – участок неба.

4. , n-показатель преломления пленки.

Возможны два случая:

– h=const, тогда . В этом случае
интерференционная картина называется полоса равного наклона.

– hconst.
Падает параллельный пучок лучей. . -полосы равной толщины.

Установка «кольца Ньютона».

Надо рассматривать интерференционную картину в
отраженном и преломленном свете.

Характеристики и основные свойства света

Основной характеристикой света является корпускулярно-волновой дуализм, то есть его двойственная природа, присущие ему свойства и волны, и частицы.

К основным волновым свойствам данного явления относятся:

  1. Интерференция — пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или более световых волн.
  2. Дифракция. Этим термином называется свойство световой волны огибать препятствия на своем пути. 
  3. Поляризация — свойство световых лучей распространяться в определенном направлении (лазеры).

Квантовыми свойствами света считаются:

  1. Фотоэффект — выделение веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения.
  2. Излучение черного тела. Абсолютно черным телом в физике называют тело, поглощающее все то излучение, которое на него падает.
  3. Эффект Комптона. Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения получил название эффект Комптона.

Спектральный состав света

Еще Ньютон в своих экспериментах доказал, что обычный белый свет является набором многих цветов или волн, имеющих различную длину, которые при взаимодействии складываются в белый. Видимый свет находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров. 

Если излучение обладает волнами, короче 380 нм, то оно относится к ультрафиолетовому свету, если излучение имеет длину волн более 780 нм — оно называется инфракрасным. 

За пределами ультрафиолетового и инфракрасного излучения находятся и другие, известные науке виды:

  • гамма-лучи;
  • рентгеновские волны;
  • микроволновой диапазон и др.
Rate article