Пользуясь в повседневной жизни многообразными устройствами с солнечными батареями, читая статьи о «солнечных парусах», делая цифровые снимки, возникает вопрос: почему такая разная природа света?
Изучение световых явлений имеет большое познавательное и политехническое значение. Окружающий мир человек воспринимает и познаёт, прежде всего, благодаря свету и зрительным ощущениям. На законах оптики основана оптическая и осветительная техника. Поскольку математический аппарат у меня и моих сверстников, по мнению учителей, не достаточно сформирован, тематика изучения света ограничена.
В нашей статье предпринята попытка расширить представления выпускников основного общего уровня образования о световых явлениях, обобщить многовековой опыт познания данных феноменов, дать целостную картину знания о свете.
Объект исследования: природа света.
Предмет исследования: волновая теория и квантовая теория света.
Целью работы нам представилось обобщение и систематизация знания о природе света и о единстве его волновых и корпускулярных свойств.
Для её достижения нами решались три задачи:
- Проанализировать экспериментальные факты, которые привели к формулировкам волновой и корпускулярных гипотез света
- Выявить особенности становления различных научных точек зрения на механизмы, свойства, законы света
- Проследить историзм научных взглядов на световые феномены
Мы предположили, что раскрывая своеобразие законов света, человек погружается в изучение микромира, что свидетельствует о бесконечности процесса познания, относительности истины на каждом этапе его развития.
В работе использованы следующие методы: анализ научных источников, консультации с экспертами, обобщение научных фактов и экспериментальных данных.
Ответ на вопрос, что такое свет, интересовал человека с древних времён. Представления древних учёных были многообразны, но уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света.
По мнению Эвклид и Птолемей лучи исходят из глаз человека и как бы ощупывают рассматриваемые предметы. Эта точка зрения не нашла дальнейшего развития.
Демокрит, Эпикур, Лукреций предположили, что лучи испускает светящееся тело и, достигнув глаза, они несут на себе отпечаток светящегося предмета. Из этой теории в XVII веке была сформулирована корпускулярная теория света.
Аристотель рассматривал свет как распространяющееся в пространстве (среде) действие или движение. Эта теория легла в основу волновой теории света в XVII веке.
А что же произошло в этот XVII веке? В XVII веке в связи с развитием оптики вопрос о природе света вызывает все больший и больший интерес. При этом происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.
В 60-х годах XVII века Исаак Ньютон и Христиан Гюйгенс проводили эксперименты со светом. Ньютон обнаружил, что, собрав раздробленный луч с помощью второй призмы, можно опять получить белый свет. Так он доказал, что белый свет является смесью разных цветов. Преломление света называется рефракцией, а разложение белого света на разные цвета — дисперсией. Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», каждый из которых характеризуется своей преломляемостью, т. е. дал понятие дисперсии света. Эта особенность была объяснена различием масс корпускул. Он также объяснил явления отражения и преломления света [5].
Свет — это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе — предположил Гюйгенс. Эфир — гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью. Учёный сформулировал принцип распространения колебаний эфира: каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность — фронт волны (принцип Гюйгенса). Световые волны, приходящие непосредственно из источника, вызывают ощущение видения. Важным в теории Гюйгенса является допущение конечности скорости распространения света, и мы видим, что он привержен волновому объяснению света.
Главная неудача теории Гюйгенса была в том, что она была теорией бесцветного света, вопрос о цвете в ней не рассматривался.
И теория Ньютона могла объяснить не все световые явления, но в силу научного авторитета Ньютона победила корпускулярная теория и просуществовала 150 лет вплоть до XIX века [1].
В начале XIX века английский учёный Томас Юнг открыл явление интерференции света. Интерференция- это усиление или гашение колебаний при наложении двух волн. Это явление присуще только волнам. Юнг объяснил интерференцией световых волн образование радужных плёнок керосина, нефти на воде мыльных пузырей. Различие в цвете объяснил различием в длине световых волн. Томас Юнг был сторонником ньютоновской теории истечения. Дифракция — это явление огибания волнами препятствий, сравнимых с длиной волны. Опыты по дифракции света были поставлены Юнгом в 1802г. Юнг в 1804 году ошибочно предполагал, что дифракция является следствием интерференции лучей, непосредственно прошедших, и лучей, отражённых от края препятствия. Огюстен Жан Френель же в 1815 году, воспользовавшись принципом Гюйгенса, ввёл в рассмотрение волны, исходящие из всякой точки отверстия, и явление дифракции объяснил совокупным действием всех этих волн на эфирные частицы. Тем самым опроверг подход Ньютона и Юнга в пользу волновой теории природы света.
Открытие интерференции и дифракции в XIX века Юнгом и расчёты Френеля и доказали волновую природу света [2]. Победа волновой теории!
Но всё же два факта так и не могла объяснить волновая теория: почему свет распространяется в вакууме, тогда как звук — нет и почему скорость света во много раз больше скорости звука. К тому времени скорость света была уже известна. В XVII веке Рёмер определил её, наблюдая за спутником Юпитера Ио.
Середина XIX века. Английский учёный Д. Максвелл выдвинул гипотезу о существовании электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве в виде электромагнитных волн, математически доказал это и вычислил скорость этих волн. Оказалось, что она равна скорости света. Немецкий физик Г. Герц на опыте получил и исследовал электромагнитные волны, тем самым доказал верность теории Максвелла [6].
Итак, свет — это электромагнитная волна. Теоретически и на опыте получена скорость электромагнитной волны. Свет — это электромагнитные волны с длиной волы от 0,8 мкм до 0,4 мкм. Скорость света с = 300000км/с. В конце XIX века казалось бы снова победила волновая теория.
1887 год — Генрих Герц открыл явление фотоэффекта — испускания электронов веществом при его облучении светом.
России сделала свой вклад в разработку проблематики природы света. Российский учёный Александр Григорьевич Столетов детально изучил это явление и установил, что энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности, а определяется лишь частотой (длиной волны) света. Столетову удалось разработать законы фотоэффекта:
- Количество вырванных за 1 секунду электронов пропорционально световому потоку.
- Скорость вырванных электронов зависит от частоты падающего света.
- Для каждого вещества существует своя критическая частота, ниже которой облучение не вызывает фотоэффект.
Волновая теория не объясняла законы фотоэффекта, не могла объяснить и тепловое излучение (любое нагретое тело, непрерывно излучая энергию, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля, этого не происходит).
К последней четверти XIX века у физиков сложилось представление о том, что все принципиальные закономерности физики уже установлены. Несоответствия экспериментальных данных теоретическим представлениям казались устранимыми в рамках имеющихся теорий.
1900 год — Макс Планк пришёл к заключению, что энергия механической системы есть частицы, колеблющиеся около положения равновесия изменяются дискретно (порциями). Каждая такая порция — квант имеет энергию Е пропорциональную частоте v излучения.
Процесс распространения света и передачи электрической энергии определяется свойствами физического вакуума. Вакуум состоит из ячеек с параметрами, предложенными М. Планком. Через пять лет (в 1905 году) Альберт Эйнштейн ввёл понятие «фотон», выдвинул гипотезу световых квантов и показал, что она объясняет феномен фотоэффекта, необъяснённый с позиции волновой теории распространения света. По Эйнштейну, фотон — это единичная «порция» (квант) электромагнитного излучения, своеобразная частица излучения, движущаяся со скоростью света. Эйнштейн (тоже нобелевский лауреат) ввёл представление о двойственной природе электромагнитного излучения: оно обладает и волновыми свойствами, и свойствами частиц. В 1907 г. Эйнштейн успешно использовал представление о квантах и частицах света — фотонах при анализе теплоёмкости кристаллов. Нильс Бор заинтересовался работами Резерфорда, предложившего в 1911 г. ядерную модель атома. Затем Нильс Бор создал свою модель атома. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма в 1923 году. В 1929 г. Нобелевская премия была присуждена и ему «за открытие волновой природы электрона». Немецкий физик Вернер Гейзенберг и австрийский физик Эрвин Шрёдингер сформулировали математический аппарат квантовой теории, первый — в «матричной форме», а второй в виде «волновой механики», причём Шрёдингер доказал эквивалентность двух математических форм теории [4].
В последние годы в России, на факультете физики Ярославского Государственного Университета имени Демидова, значительное внимание уделяется исследованиям и разработкам микрооптомеханических структур и функциональных устройств оптоэлектроники на их основе [3].
Сейчас ясно, что свет — это сочетание двух материй: вещества и поля. Широко используется свойство света — интерференция: катофот — светоотражатель — в данном объекте использовано свойство внутреннего отражения; волоконная оптика основана на полном внутреннем отражении света. Пучок этих тонких волокон называется «световодом» и передаёт сигналы от телефонной и других видов связей.
Мы представили основные этапы развития представлений о природе света в виде графика, на котором видна историческая преемственность в поступательном движении человеческой мысли (рис. 1).
Рис. 1. Периоды развития взглядов на природу света
Изучение научных источников, консультации с экспертами позволяют сделать вывод о том, что свет обладает двойственными свойствами. Свет при излучении и поглощении ведёт себя как поток частиц, а при распространении ведёт себя как поток волн.
Физика — наука не только точная, но и историческая, так как она хранит немало следов долгого пути через столетия. На решение иных проблем уходили целые эпохи. В физике с поразительной отчётливостью видна историческая преемственность в поступательном движении человеческой мысли, духовное родство исследователей, разделённых веками и тысячелетиями, связь времён, поддерживающая единство как науки, так и всего человечества.
Нам думается, что девятиклассникам будет полезно получить достаточно полное представление о меняющихся взглядах на природу света в истории нашей цивилизации и значении сделанных уже открытий в данной области.
Литература:
- Виргинский В. С. Очерки истории науки и техники XVI-XIX вв. Пособие для учителя. М. Просвещение. 1984
- Горбачев В. В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов / В. В. Горбачев. — М.: ООО «Издательский дом ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство» «Мир и Образование», 2003. — 592 с.: ил.
- Папорков В. А., Проказников А. В., Царёв И. С. Физическая трактовка магнитооптического отклика упорядоченных трёхмерных структур. Вестник ЯрГУ им. П. Г. Демидова Серия естественные и технические науки, № 2, 2015.
- Энциклопедия «Лауреаты Нобелевской премии», тома 1 и 2, Прогресс, М., 1992 г.
- Darrigol O. 2012 A history of optics: from Greek antiquity to the nineteenth century. Oxford, UK: Oxford University Press.
- Heilbron John L. (2005) The Oxford Guide to the History of Physics and Astronomy. Oxford University Press. ISBN 0195171985. p. 148.
