Что такое свет? Свойства, история открытий
Свет - это волна или частица?
Когда дело доходит до света, доказательства представляют нам парадокс. Он распространяется в пространстве как непрерывная волна, но каким-то образом обменивается своей энергией в виде отдельных частиц. Итак, “волна” или “частица” — что такое свет?
Парадокс света
Два известных эксперимента пытаются объяснить фундаментальную природу света. С одной стороны, двухщелевой эксперимент Томаса Янга демонстрирует, что свет — это волна - периодическое возмущение, такое как звук, которое может либо распространяться, либо стоять. Мы можем измерить длину волны света, которая составляет менее миллионной доли метра.
Количество фотонов — интенсивность света — определяет количество электронов, произведенных в эксперименте. Энергия фотонов — частота света — определяет энергию производимых электронов.
Мы не можем просто отмахнуться от любого из этих экспериментальных результатов. Наше понимание света должно каким-то образом охватывать как идеи волны, так и частицы. Квантовый взгляд можно выразить одной фразой: корпускулярно-волновой дуализм. Что это значит?
История изучения света
Идея Борйля
Истинная природа света не может быть описана в простых терминах. Наш язык просто не приспособлен для описания того, как ведет себя свет. Нам нужны изображения как волн, так и частиц, чтобы объяснить поведение света, но это может вызвать у нас беспокойство. Но разве использование обоих изображений не является логическим противоречием? Это чрезвычайно сложный вопрос. Возможно, это самый сложный вопрос во всей науке.
Первое эмпирическое правило заключается в том, что свет распространяется в форме волн с частотой и длиной волны, проявляющих конструктивную и деструктивную интерференцию и так далее. Свет распространяется как волна.
Другое эмпирическое правило заключается в том, что свет взаимодействует: он излучается или поглощается в форме дискретных частиц, дискретных фотонов, в виде сгустков дискретной энергии. Ответ на вопрос о свете, по-видимому, заключается в том, что свет является как дискретным, так и непрерывным. Он обладает свойствами обоих видов, что является странным новым ответом на старый вопрос. Эта картина корпускулярно-волнового дуализма немного упрощена, но для начала она не так уж плоха. Свет распространяется как волна, но взаимодействует как частица.
Даже на заре становления квантовой теории было ясно, что квантовая теория касается не только природы света.
В 1924 году появился Луи де Бройль. Де Бройль был французским аристократом, а также докторантом физики. В своей докторской диссертации он предложил радикально новую идею: квантовый корпускулярно-волновой дуализм применим не только к свету, но и к материи. Он заявил, что частицы, подобные электронам, также должны обладать волновыми характеристиками.
Электроны имеют частоту, концептуализируемую как длина волны. Это странная концепция. Мы думаем об электронах как о частицах, как о маленьких бейсбольных мячиках. Как бейсбольный мяч может иметь длину волны?
Несмотря на то, что идея очень странная, идея де Бройля вскоре получила впечатляющее подтверждение в лаборатории. В ходе эксперимента, проведенного в нескольких разных местах, ученые стреляли электронами в кристалл. В кристалле атомы расположены очень упорядоченными рядами и рядами. Электроны проходят сквозь кристалл и выходят с другой стороны, но из-за такого правильного расположения атомов они выходят только в определенных направлениях.
Волны электрона конструктивно интерферируют в одних направлениях и разрушительно интерферируют в других. Электроны выходят только в определенных направлениях, и, по сути, ученые могут измерить длину волны электрона. Де Бройль был прав!
Постоянная Планка
Предположим, у нас есть частица с массой m, движущаяся со скоростью v. Например, возьмите бейсбольный мяч. У бейсбольного мяча есть две важные характеристики: во-первых, в нем есть энергия. Энергия бейсбольного мяча равна E = ½ mv2; это иногда называют кинетической энергией, энергией, обусловленной его движением.
Энергия говорит нам, сколько работы должен проделать питчер, чтобы бросить мяч. Тесно связанной характеристикой бейсбольного мяча является импульс бейсбольного мяча — масса, умноженная на скорость, — с какой скоростью он движется. Энергия и импульс - это характеристики частицы.
Волны характеризуются их частотой, f и длиной волны, которая обозначается греческим λ. Частота музыкальной ноты составляет несколько сотен волн в секунду. Это количество волн, которые проходят мимо фиксированной точки в пространстве, например, вашего уха, каждую секунду. Длина волны музыкальной ноты примерно равна метру, что делает ее волной хорошего размера.
Идея де Бройля состояла в том, чтобы каким—то образом связать свойства частиц — энергию и импульс - с волновыми свойствами частоты и длины волны. Связь между ними будет включать постоянную Планка — постоянную, найденную немецким физиком Максом Планком, которая связывает энергию и частоту, в частности, формулу Планка, согласно которой энергия частицы равна постоянной Планка, умноженной на частоту волны.
Де Бройль добавил к этому еще кое-что. Импульс частицы "p" равен постоянной Планка, деленной на длину волны "λ"
p = h / λ — соотношение между импульсом и длиной волны.
Имейте в виду, что постоянная Планка - это очень маленькое число. Это означает, что типичная длина волны, о которой мы говорим для электронов и атомов, будет действительно крошечной. Длина волны для электрона и атома составляет менее 1 миллиардной метра. Это очень короткие длины волн, и уже сейчас вы можете видеть, что чем массивнее частица, тем больше ее импульс будет при данной скорости.
Если его импульс больше, то формула де Бройля говорит нам, что его длина волны будет короче. Длины волн электронов уже необычайно малы. Длины волн для более массивных частиц еще меньше, и, поскольку длины волн настолько малы, чрезвычайно сложно проводить эксперименты по интерференции и видеть эффекты интерференции для крупных частиц.
Правило Борна
Соотношения Планка–де Бройля связывают свойства частиц, энергию и импульс со свойствами волн, длиной волны и частотой. Связь между свойствами частиц и свойствами волн - это постоянная Планка, h, но это все еще оставляет вещи очень загадочными. Когда мы говорим об электронных волнах, что мы имеем в виду?
Звуковая волна - это периодическое возмущение давления воздуха, которое распространяется по комнате. Световая волна - это периодическое возмущение в электромагнитном поле, которое проходит через комнату. Но электронная волна - это периодическое возмущение в чем? Что такое колебание?
Это подводит нас ко второй связи между частицами и волнами. Это называется “Правилом Борна”, названным в честь Макса Борна, великого немецкого физика и одного из изобретателей квантовой механики.
Вот основная проблема, которую рассматривал Борн: частица - это нечто, имеющее определенное положение в пространстве. Волна, с другой стороны, распространяется по всему пространству. Как нам совместить эти две картины в квантовой теории? Вот великое открытие Борна: интенсивность квантовой волны в определенной точке говорит нам о вероятности обнаружения частицы в этой точке.
Свойства света
В физике термин "свет" также относится к электромагнитному излучению различных видов длин волн, независимо от того, видно оно невооруженным глазом или нет. Следовательно, гамма-лучи, микроволны, рентгеновские лучи и радиоволны также являются типами света. Узнайте больше, перейдя по ссылкам ниже.
- Гамма-лучи
- Микроволны
- Рентгеновские лучи
- Радиоволны
Отражение
Отражение - это не что иное, как изображения, которые вы видите в зеркалахОтражение - одно из основных свойств света.Отражение определяется как изменение направления света на границе раздела двух различных сред, так что волновой фронт возвращается в среду, из которой он был получен. Типичными примерами отражения света являются звуковые волны и волны на воде.
Скорость света
Скорость, с которой свет распространяется в свободном пространстве, называется скоростью света. Например, в воде свет распространяется на 30% медленнее по сравнению с вакуумом.
Преломление
Изгиб света при переходе из одной среды в другую называется преломлением. Это свойство преломления используется в ряде устройств, таких как микроскопы, увеличительные линзы, корректирующие линзы и так далее. При этом свойстве, когда свет проходит через среду, происходит поляризация электронов, которая, в свою очередь, уменьшает скорость света, изменяя таким образом направление света.
Полное внутреннее отражение
Когда луч света падает на воду, часть света отражается, а некоторая часть света преломляется. Это явление называется полным внутренним отражением.
Дисперсия
Это свойство света, при котором белый свет распадается на составляющие его цвета. Дисперсию можно наблюдать в форме призмы. К другим свойствам света относятся дифракция и интерференция. Итак, что вы наблюдаете, когда смотрите на красивый сценарий? Отражается ли свет, рассеивается, преломляется, внутренне отражается или дифрагирует.
Выводы:
Интенсивность волны оказывается пропорциональной квадрату амплитуды волны.
Представьте волны: амплитуда волны равна высоте волн. Насколько высоки волны и интенсивность этих волн, это то, сколько энергии несут эти волны. Получается, что интенсивность задается квадратом амплитуды.
Волны, которые в два раза выше, на самом деле несут в четыре раза больше энергии; волна, которая в два раза выше, в четыре раза мощнее. Это интенсивность волны. Это квадрат амплитуды, и он измеряет количество энергии, переносимой волной. Интенсивность волны дает вероятность частицы.
Проницательность Борна заключалась в том, что квантовая теория не говорит нам, где находится частица. Квантовая механика говорит нам о вероятности того, что частица может быть найдена здесь или найдена там. Квантовая механика говорит нам только о вероятностях. Куда попадает частица? Это случайность. Это азартная игра. Квантовая механика фиксирует шансы.