Волновая и корпускулярная теории. Корпускулярные свойства света

Согласно представлениям классической физики, свет — это электромагнитные волны в определенном диапазоне частот. Однако взаимодействие света с веществом происхо­дит так, как если бы свет был потоком частиц.

Во времена ньютона имели место две гипотезы о при­роде света — корпускулярная, которой придерживался Ньютон, и волновая. Дальнейшее развитие эксперимен­тальной техники и теории сделало выбор в пользу волновой теории.

Но в начале XX в. возникли новые проблемы: взаимодейст­вие света с веществом не находило объяснения в рамках волновой теории.

При освещении куска металла светом из него вылетают электроны (фотоэффект). Следовало ожидать, что скорость вылетающих электронов (их кинетическая энергия) будет тем больше, чем больше энергия падающей волны (интен­сивность света), но оказалось, что скорость электронов во­обще не зависит от интенсивности света, а определяется его частотой (цветом).

Фотография основана на том, что некоторые мате­риалы после освещения светом и последующей химической обработки темнеют, причем степень их почернения пропорци­ональна освещенности и времени освещения. Если слой такого материала (фотопластинка) освещать светом с определенной ча­стотой, то после проявле­ния однородная поверх­ность почернеет. При снижении интенсивности света будем получать од­нородные поверхности со все меньшими степенями почернения (различные оттенки серого цвета). А кончится все тем, что при очень малой осве­щенности мы получим не очень малую степень по­чернения поверхности, а хаотично рассеянные по поверхности черные точ­ки! Как будто свет попал только в эти места.

Особенности взаимодействия света с веществом вынуди­ли физиков вернуться к корпускулярной теории.

Взаимодействие света с веществом происходит так, как ес­ли бы свет был потоком частиц, энергия и импульс которых связаны с частотой света соотношениями

E = hv; p = E / c = hv / c,

где h — постоянная Планка. Эти частицы получили назва­ние фотоны.

Фотоэффект мог быть понят, если стать на точку зрения корпускулярной теории и считать свет потоком частиц. Но тогда возникает проблема, как быть с другими свойствами света, которыми занимался обширный раздел физики — оп­тика, исходящая из того, что свет есть электромагнитные волны.

Ситуация, при которой отдельные явления объясняются с помощью специальных предположений, нестыкующихся друг с другом или даже противоречащих одно другому, считается неприемлемой, поскольку физика претендует на создание единой картины мира. И подтверждением обоснованности этой претензии служило как раз то, что незадолго до трудностей, возникших в связи с фо­тоэффектом, оптика была сведена к электродинамике. Явления интерференции и дифракции определенно не согласовывались с представлениями о частицах, но не­которые свойства света одинаково хорошо объясняют­ся и с той и с другой точек зрения. Электромагнитная волна обладает энергией и импульсом, причем импульс пропорционален энергии. При поглощении света он передает свой импульс, т. е. на преграду действует сила давления, пропорциональная интенсивности света. По­ток частиц также оказывает давление на преграду, и при подходящей связи между энергией и импульсом частицы давление будет пропорционально интенсивности потока. Важным достижением теории было объяснение рассеяния света в воздухе, в результате чего стало понятно, в частности, почему небо синее. Из теории следовало, что при рассеянии частота света не изменяется.

Нейтральный электроскоп, соединенный с металлической пластинкой. Вылетающее из освещенной светом пластинки электроны заряжают листочки положительно

Однако если стать на точку зрения корпускулярной теории и считать, что та характеристика света, которая в волновой тео­рии связывается с частотой (цвет), в корпускулярной связана с энергией частицы, то окажется, что при рассеянии (столк­новении фотона с рассеивающей частицей) энергия рассеян­ного фотона должна уменьшиться. Специально проведенные эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей, которым соответствуют частицы с энергией на три порядка больше, чем для видимого света, показали, что корпускулярная тео­рия верна. Свет следует считать потоком частиц, а явления интерференции и дифракции получили объяснение в рамках квантовой теории. Но при этом изменилось и само понятие частицы как объекта исчезающе малого размера, движуще­гося по определенной траектории и имеющего в каждой точ­ке определенную скорость.

Новая теория не отменяет правильных результатов старой, но может изменить их интерпретацию. Так, если в волно­вой теории цвет связывался с длиной волны, в корпуску­лярной он связан с энергией соответствующей частицы: фотоны, вызывающие у нас в глазу ощущение красного цвета, имеют меньшую энергию, чем синего. Материал с сайта http://worldof.school

Для света был проведен опыт с электронами (опыт Юн­га). Освещенность экрана за щелями имела такой же вид, как для электронов, и эта картина интерференции света, попадающего на экран от двух щелей, служила доказатель­ством волновой природы света.

Проблема, связанная с волновыми и корпуску­лярными свойствами час­тиц, имеет на самом деле долгую историю. Ньютон считал, что свет есть по­ток частиц. Но в то же время имела хождение гипотеза о волновой при­роде света, связанная, в частности, с именем Гюй­генса. Существовавшие в то время данные о пове­дении света (прямоли­нейное распространение, отражение, преломление и дисперсия) одинаково хорошо объяснялись и с той и с другой точек зре­ния. При этом, конечно, о природе световых волн или частиц ничего опре­деленного сказать было нельзя.

Позднее, однако, после обнаружения явлений ин­терференции и дифрак­ции света (начало XIX в.) ньютоновская гипотеза была оставлена. Дилемма «волна или частица» для света была эксперимен­тально решена в пользу волны, хотя оставалась неясной природа световых волн. Далее выяснилась и их природа. Световые вол­ны оказались электромаг­нитными волнами опреде­ленных частот, т. е. распространением возму­щения электромагнитного поля. Волновая теория как будто бы окончательно восторжествовала.

На этой странице материал по темам:

• Волновые и корпускулярные свойства света таблица по физике

• Лекции волновые и корпускулярные свойства света

• Эм и корпускулярное

• Корпускулярная теория света кратко

• Волновые свойства света кратко