Развитие представлений о природе света

Первые представления о природе света были известны еще у древних греков египтян. Со временем изобретались новые оптические приборы, которые развивались и трансформировались. А конец XVII века знаменит тем, что появляются две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Корпускулярная и волновая теории света

Корпускулярная теория рассматривает свет как поток частиц, которые испускаются при помощи светящихся тел. Ньютон предполагал, что их движение подчинено законам механики. Понятие отражения света рассматривалось также, как и отражение упругого шарика от плоскости. Преломление света было объяснено изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Случай с преломлением корпускулярная теория привела к такому виду записи закона:

$\frac{\sin \phi }{\sin \psi }=\frac{\upsilon }{c}=n$, где $с$ – скорость света в вакууме, $\upsilon$ - скорость распространения света в среде. Имеем, что $n>1$, тогда, исходя из нее, скорость света в средах должна была быть больше скорости света в вакууме. Также Ньютон предпринял попытки объяснить возникновение интерференционных полос, которые были подвержены определенной периодичностью световых процессов. Поэтому корпускулярная теория содержала некоторые элементы волновых представлений.

Волновая теория рассматривала свет в качестве волнового процесса, напоминающего механические волны. В основу теории был заложен принцип Гюйгенса, из которого следовало, что каждая точка, до которой доходит волна, определяется как центр вторичных волн. Отсюда понятно, огибающая этих волн, изображенная на плоскости $A_1{A}_2$ рисунка $3.6.1$определяет положение волнового фронта в последующий момент времени.

Данный принцип объяснял законы отражения и преломления. На рисунке $3.6.1$ изображены представления Гюйгенса об определении направления распространения волны, которая преломляется на границах двух прозрачных сред.

Рисунок $3.6.1.$ Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны.

Если преломление происходит на границе вакуум-среды, тогда, исходя из волновой теории, приходим к результату:

$\frac{\sin \psi }{\sin \phi }=\frac{c}{\upsilon }=n$.

Закон преломления получается из волновой теории. Но он противоречит формуле Ньютона. Волновая теория говорит о том, что $\upsilon <c$, когда по корпускулярной теории $\upsilon >c$.

Астрономический метод измерения скорости

Начало XVIII века – это было временем существования двух противоположных подходов к объяснению природы света: корпускулярная и волновая. Обе трактовали прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Начало XIX столетия стало переломным моментом.

Корпускулярная теория отвергнута, а волновая была принята. Это произошло, благодаря исследованиям Т. Юнга и О. Френеля в области явлений интерференции и дифракции. Точно объяснить все явления было возможно, основываясь на волновой теории. В $1851$ году ее справедливость доказана Ж. Фуко экспериментально при измерении скорости распространения света в воде, получив $\upsilon <c$.

Середина XIX века – это время общепризнанной волновой теории. Но вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.

Со временем Максвелл установил общие законы электромагнитного поля, приведшие его к тому, что свет является электромагнитными волнами. Подтверждением данного факта было совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной $c=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0{\mu }_0}}$. Позднее электромагнитную природу света признали после опытов Герца, связанных с исследованием электромагнитных волн. П.Н. Лебедева изучал и также проводил опыты, связанные с изменением светового давления, благодаря чему электромагнитная теория света и стала рассматриваться, как факт.

На роль определения природы света повлияло определение ее скорости. Еще с конца XVII пытались измерить скорость света при помощи различных методов. Наличие современной техники расширило возможности и помогло точно измерить скорость света в независимости от длины волны $\lambda$ и частоты $\upsilon (c=\lambda ·\upsilon )$. Поэтому пришли к выводу, что $c=299792458\pm 1,2l$. Значение отличается от предыдущего полученного более, чем на два порядка.

Важная роль света в жизни была отмечена давно. Большое количество информации предоставляется именно при помощи света. Но существует не только видимый свет, но и невидимый для наших глаз: инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ).

Свет и электромагнитное излучение иных диапазонов схожи по физическим свойствам. Отличительные же черты различных участков спектра – это длина волны $\lambda$ и частота $\upsilon$. На рисунке $3.6.2$ располагается шкала значения электромагнитных волн.

Рисунок $3.6.2.$ Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны.

С помощью электромагнитной теории смогли объяснить оптические явления. Но она не позволила завершить понимание природы света. В XX веке было выявлено, что электромагнитная теория не сможет помочь в толковании явлений атомного масштаба, которые возникают после взаимодействия света с веществом. Такие понятия, как излучение черного тела, эффект Комптона и другие требовали введения квантовых представлений.

При изучении и углублении световых свойств науке снова пришлось вернуться к теории корпускул – световых квантов. Когда при проведении опытов замечали проявления волновых и корпускулярных волн, то имел смысл говорить о том, что свет имеет двойственную природу. Иначе говоря, он характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом.