Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Теория Лоренца ввела. представление об электро! нах, колеблющихся внутри атома, и позволила объяснить явления испускания и поглощения света веществом. Несмотря на огромные успехи электромагнитной теории Максвелла и электронной теории Лоренца, они были несколько противоречивы и при их применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только «упругий эфир» был заменен «эфиром электромагнитным» (теория Максвелла) 5. Оптика Кввптппвп 274 прпрпвв квкупвппп или «неподвижным эфиром» (теория Лоренца). Теория Максвелла ие смогла объяснить процессов испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т.
д. Теория Лоренца, в свою очередь, не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении черного тела. Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе (1900) немецкого физика М. Планка (1858 в 1947), согласно которой излучение н поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно,т.
е. определениымн порциями (квантамн), энергия которых определяется частотой та ев=йч, (170.3) где Ь вЂ” постоянная Планка. Теория Планка не нуждались в понятии аб эфире. Ояа объяснила тепловое излучение черного тела. Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света, согласно которой не только излучение света, но и его распространение происходит в виде потока световых квантов — фотонов, энергия которых определяется соотношением (!70.3), а масса вв йч й пвз — — = — — — — —.
(170.4) С2 2 7 Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия света с веществом. Однако как с помощью этих представлений объяснить такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света? Эти явления легко объясняются на основе волновых представлений. Все мно.
гаобразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу. Он представляет собой единство противоположных видав движения — корпускулярного (квантового) и волнового (алектромагнитиого). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойствен- ной карпускулярно-волновой природе света. Выражения (170.3) и (170.4) связывают корпускулярные характеристики излучения — массу и энергию кванта — с волновыми — частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единства дискретности и непрерывности, что находится в полном соответствии с выводамя материалистической диалектики. Я'171.
Когерентность и монохроматичиость световых волн Интерференцию света можно объяснить рассматривая интерференцию волн (см. $156). Необходимым условием интер- фЕРЕНЦНИ ВОЛН ЯВЛЯЕТСЯ ИХ КаГЕРЕитнаетьп т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют монахроматнческне волны — неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Так как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентны.
Поэтому на опыте не наблюдается интерференция света от независимых источников, например от двух электрических лампочек. Понять физическую причину немана. хроматичности, а следовательно, и некоге. рентнасти волн, испускаемых двумя независимыми источниками света, можно исходя из самого механизма испускания света атомами. В двух самостоятельных источниках света атомы излучают независимо друг от друга.
В каждом из таких атомов процесс излучения конечен и длится очень короткое время (тж 10 ' с). За это время возбужденный атом возвращается в нормальное состояние н излучение им света прекращается. Возбудившись вновь, атом снова начинает испускать световые волны, но уже с новой начальной фазой.
Так как разность фаз между излучением двух таких независимых атомов изменяется при каждом новом акте испускания, то волны, спонтанно излучаемые атомами любого Глава 112. Иитерференггнн света источника света, некогерентиы. Таким об. разом, волны, испускаемые атомами, лишь в течение интервала времени яв 1О ' с имеют приблизительно постоянные амплитуду н фазу колебаний, тогда как за больший промежуток времени и амплитуда, и фаза изменяются. Прерывистое излучение света атомами в виде отдельных коротних импульсов называется волновым цугом.
Описанная модель испускания света справедлива и длн любого макроскопического источника, так как атомы светящегося тела излучают свет также независимо друг от друга. Это означает, что начальные фазы соответствующих нм волновых цугов не связаны между собой. Помимо этого, даже для одного и того же атома начальные фазы разных цугов отличаются для двух последующих актов излучения. Следовательно, свет, испускаемый макроскопическим источником, некогерентен. Любой немонохроматическнй свет можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гармонических цугов. Средняя продолжительность одного цуга т,, называется временем когереитиостн.
Когереитность существует только в пределах одного цуга, и время когерентности ие может превышать время излучения, т. е. т„„(т. При. бор обнаружит четкую интерфереицнонную картину лишь тогда, когда время разрешения прибора значительно меньше времени когерентности накладываемых световых волн. Если волна распространяется в однородной среде, то фаза колебаний в определенной точке пространства сохраняется только в течение времени когерентности т.„. За это время волна распространяется В вакууме на расстояние !гог стгег иа зываемое длиной когерентяостн (илн длиной цуга).
Таким образом, длина когерентиости есть расстояние, при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность. Отсюда следует, что наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, меньших длины когерентиости для используемого источника света. Чем ближе волна к монохроматнческой, тем меньше ширина бм спектра ее частот и, как можно показать, больше ее иремя когерентности т.„, а следовательно, н длина когерентности 1„ . Когерентность колебаний, которые совершаются в одной и той же точке пространства, определяемая степенью монохроматичности волн, называется временнйй когерентностью.
Наряду с временнбй когерентностью, для описания когерентных свойств волн в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения, вводится понятие пространственной когерентностн. Два источника, размеры и взаимное расположение которых позволяют (при необходимой степени монохроматичности света) наблюдать интерференцию, называются пространственно-когерентными.
Радиусом когерентиости (или длиной пространственной когерентностн) называется мансимальное поперечное направлению распространения волны расстояние, на котором возможно проявление интерференции. Таким образом, пространственная когереитность определяется радиусом когереитиостн. Радиус когерентности Геа Х/гр, где й — длина световых волн, ф — угловой размер источника. Так, минимально возможный радиус когерентности для солнечных лучей (при угловом размере Солнца на Зеиле фви10 'рад и Хаи0,5 мкм) составляет ам0,05 мм. При таком малом радиусе когерентностн невозможно непосредственно наблюдать интерференцию солнечных лучей, поскольку разрешающая способность человеческого глава на расстоянии наилучшего зрения составляет лишь О,! мм.
Отметим, что первое наблюдение интерференции провел в 1802 г. Т. Юнг именно с солнечным светом, для чего ои предварительно пропускал солнечные лучи через очень малое отверстие в непрозрачном экране (при этом на несколько порядков уменьшался угловой размер источника света и тем самым резко увеличивался радиус когерентности (или длина пространственной когерентности)). 27б 5. Оптика.
Квантовая природа излучении й 172. Интерференция света Предположим, что две моиохроматические световые волны, накладываясь друг иа друга, возбуждают в определенной точке пространства колебания одинакового направления; х,=А! соз(ьг1+ф!) и х,= =А!сов (ы/+!рг). Под т понимают напряженность электрического Е или магнитного 0 полей волны; векторы Е и Н колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях (см. 4 1б2). Напряженности электрического и магнитного полей подчиняются принципу суперпозиции (см. $80 и 1!0). Амплитуда результируюшего колебания в даниой точке А'=Аг! + Агг+2А!Аг сов (грг — гр!) (см.
144.2) ). Так как волны когереитиы, та соз (!рг — гр!) имеет постоянное во времени (но свое для каждой точки пространства) значение, поэтому интенсивность результируюшей волны (/ А') /=/, +/г+2-)//г/г сов(грг — !р,). (172.1) В точках пространства, где соз (грг — гр!) ) О, интенсивность /)/, +/г, где сов (грг — Чг!)(О, интенсивность /(/!+/г.
Следовательно, при наложении двух (или нескольких) кагереитиых световых волн происходит пространствеииое перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других — — минимумы интенсивности. Эта явление называется интерференцией света. Для иекогерентиых волн разность — непрерывно изменяется, поэтому среднее во времени значение сов(грг — гр!) равно нулю, и интенсивность результирующей волны всюду одинакова и при /, =/г равна 2/, (для когерентных волн при данном условии в максимумах /=4/!, в минимумах /=0).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
