Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 30. Розвиток поглядів на природу світла. Електромагнітна теорія світла

Світло відіграє надзвичайно важливу роль у нашому житті. Так, до 80 % інформації про навколишній світ людина одержує за допомогою зору.

Оптика — розділ фізики, що вивчає явища, пов’язані з поширенням електромагнітних хвиль видимого діапазону та їхню взаємодію з речовиною.

Останнім часом до об’єктів вивчення оптики також належать електромагнітні хвилі інфрачервоного та ультрафіолетового діапазонів.

Перші уявлення про природу світла виникли ще в Давній Греції та Єгипті. Серед безлічі теорій того часу були і зовсім примітивні, і дуже близькі до сучасних. Наприклад, деякі вчені того часу вважали, що з очей виходять тонкі щупальця, які ощупують предмети, унаслідок чого й виникають зорові відчуття. Близькою до сучасних можна вважати теорію Демокріта, який уявляв світло як потік частинок, що мають певні фізичні властивості, за винятком кольору, відчуття якого є наслідком входження світла в око.

Наприкінці XVII ст. майже одночасно виникли корпускулярна теорія Ісаака Ньютона і хвильова теорія нідерландського фізика Крістіана Гюйгенса.

Згідно з корпускулярною теорією Ньютона світло — це потік частинок (корпускул), що випускаються світними тілами, причому рух світлових корпускул підпорядковується законам механіки. Так, відбивання світла Ньютон пояснював пружним відбиванням корпускул від поверхні, на яку падає світло. А заломлення світла — зміною швидкості корпускул унаслідок їх притягування до частинок заломлюючого середовища. Ця теорія приводила до хибного висновку, що швидкість поширення світла в середовищах є більшою, ніж у вакуумі. До того ж ця теорія не могла пояснити, чому світлові пучки, перетинаючись у просторі, не впливають один на одного.

Однак експериментальні дослідження світла, які виконав Ньютон, аж до XIX ст. залишалися настільки унікальними, що його монографія «Оптика» (1704 р.) була основним джерелом для написання всіх підручників того часу. Ньютону належить теорія кольору, відповідно до якої біле світло є сумішшю всіх кольорів, а предмети здаються кольоровими, оскільки відбивають одні складові білого кольору інтенсивніше, ніж інші.

«Трактат про світло» Гюйгенса (1690 р.) увійшов в історію науки як перша наукова праця з хвильової оптики.

Згідно з хвильовою теорією Гюйгенса світло — це хвилі, що поширюються у світовому ефірі — гіпотетичному пружному середовищі, яке заповнює весь світовий простір, а також проміжки між дрібними частинками тіл. Вважаючи світло поздовжньою механічною хвилею, Гюйгенс обґрунтував явища відбивання і заломлення світла, принцип незалежності світлових променів, частково розглянув питання кольору. Вчений сформулював принцип поширення світлової хвилі, відомий сьогодні як принцип Гюйгенса. Він полягає в тому, що кожна точка середовища, до якої дійшли коливання, сама стає джерелом вторинних хвиль.

Сукупність усіх точок простору, яких досягає світлова хвиля в певний момент часу, називають хвильовою поверхнею (хвильовим фронтом). Промені, що задають напрямок поширення хвилі, перпендикулярні до хвильової поверхні. Знаючи положення хвильової поверхні в момент часу і, користуючись принципом Гюйгенса, можна знайти її положення в наступний момент часу.

Хвильову теорію світла підтримали видатні вчені: М. В. Ломоносов і Л. Ейлер, однак, незважаючи на це, до кінця XVIII ст. загальновизнаною залишалася корпускулярна теорія Ньютона. Так тривало до початку XIX ст., поки не з’явилися роботи англійського фізика Томаса Юнга (1773-1829) і французького фізика Огюстена Жана Френеля (1788-1827). Учені, досліджуючи світло, спостерігали явища, характерні лише для хвиль: явище огинання світлом перешкод (дифракція) та явище посилення та послаблення світла при накладанні світлових пучків (інтерференція). З того часу в науці стала переважати хвильова теорія Гюйгенса.

Важливу роль у з’ясуванні природи світла відіграло дослідне визначення швидкості його поширення.

Першим швидкість поширення світла зміг виміряти данський астроном Олаф Ремер (1644-1710) у 1676 р. Спостерігаючи за супутником Юпітера Іо, астроном помітив, що супутник входить у тінь Юпітера через кожні 42 год 28 хв (мал. 2.45). Але протягом півроку, коли Земля, обертаючись навколо Сонця, віддалялася від Юпітера, затемнення супутника відбувалося з дедалі більшим запізненням. Ремер дійшов висновку, що таке запізнення пояснюється збільшенням відстані, яку долає світло, поширюючись від супутника до Землі. Знаючи діаметр орбіти Землі та час запізнення, учений визначив швидкість поширення світла.

Мал. 2.45

Швидкість поширення світла вимірювали і в межах земної поверхні. Щоб з’ясувати ідею подібних вимірювань, розглянемо метод, який застосував американський учений Альберт Майкельсон (1852-1931).

Для проведення досліду фізик вибрав дві гірські вершини в Каліфорнії, відстань між якими ретельно виміряли. На вершині гори Маунт-Вільсон було встановлено джерело світла, від якого світло падало на оптичну систему із дзеркальними гранями (мал. 2.46). Відбившись від грані, світло потрапляло на систему дзеркал, розташовану на горі Сан-Антоніо, поверталося до призми й, відбившись від її іншої грані, потрапляло в зорову трубу. Коли за допомогою двигуна дзеркальній призмі надавали обертального руху, зображення джерела світла в зоровій трубі зникало й знову з’являлося за певної швидкості обертання призми.

Мал. 2.46

Зрозуміло, що таке могло відбутися тільки за умови, що за час проходження світла до дзеркала й назад призма поверталася на 1/8 оберту. Знаючи кількість обертів призми за секунду та відстань між вершинами, Майкельсон визначив, що швидкість поширення світла дорівнює (299 796 + 4) км/с.

За допомогою сучасної лазерної техніки швидкість поширення світла у вакуумі визначена з точністю до 1,2 м/с: с = 299 792 458 ± 1,2 м/с.

У 60-х роках XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля, одним з наслідків якої було встановлення можливості існування електромагнітних хвиль. За розрахунками, швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнювала швидкості поширення світла. На основі своїх теоретичних досліджень Максвелл дійшов висновку, що світло — це окремий випадок електромагнітних хвиль. Після дослідів Герца жодних сумнівів щодо електромагнітної природи світла не залишилось.

Електромагнітна теорія світла дала змогу пояснити багато оптичних явищ. Однак уже на початку XX ст. з’ясувалося, що цієї теорії недостатньо для пояснення явищ, які виникають під час взаємодії світла з речовиною. До них, насамперед, належать процеси поглинання й випромінювання світла, явище фотоефекту тощо. Ці явища можна пояснити тільки з позицій квантової теорії світла, згідно з якою світло випромінюється, поширюється та поглинається речовиною не безперервно, а скінченними порціями — квантами. Кожний окремий квант світла має властивості частинки, а сукупність квантів поводиться подібно до хвилі. Така двоїста природа світла (та й будь-якої частинки) отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм. У сучасній фізиці квантові уявлення не суперечать хвильовим, а поєднуються на основі квантової механіки й квантової електродинаміки.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що являє собою світло відповідно до гіпотези Демокріта?
  • 2. Хто є засновником корпускулярної теорії світла? Які її основні положення?
  • 3. Які оптичні явища не можна було описати в межах корпускулярної теорії світла?
  • 4. Хто є засновником хвильової теорії світла? Які її основні положення? Які недоліки?
  • 5. Чому у встановленні природи світла значну роль відіграло визначення швидкості поширення світла? Як її було визначено?
  • 6. Що пояснює електромагнітна теорія світла?
  • 7. У чому сутність корпускулярно-хвильового дуалізму?