Фізика. Рівень стандарту. 11 клас. Бар’яхтар

Розділ ІІІ. Оптика

§ 24. Розвиток уявлень про природу світла

Перші уявлення про природу світла виникли ще в Стародавніх Греції та Єгипті. Серед безлічі теорій того часу були і дуже близькі до сучасних, і зовсім примітивні. Наприклад, деякі вчені давнини вважали, що з очей виходять тонкі щупальця, які обмацують предмети, внаслідок чого й виникають зорові відчуття. Близькою до сучасних можна вважати теорію Демокрита, який уявляв світло як потік частинок. Згадаємо, що таке світло, і дізнаємось, як розвивалися уявлення про його природу.

1. Оптика — наука про світло

Світло — це електромагнітні хвилі, які сприймає око людини, тобто хвилі довжиною від 380 нм (світло фіолетового кольору) до 760 нм (світло червоного кольору).

• Світло випромінюється внаслідок процесів, які відбуваються всередині атомів (детальніше про випромінювання світла ви дізнаєтесь із матеріалу § 37).

• Будь-яке фізичне тіло, атоми якого випромінюють електромагнітні хвилі видимого діапазону, називають джерелом світла. Джерела світла бувають природними (зоря, Сонце, блискавка, світлячок тощо) і штучними (багаття, свічка, факел, електрична лампа).

Розділ фізики, який вивчає явища, пов'язані з поширенням електромагнітних хвиль видимого діапазону та з взаємодією цих хвиль із речовинами, називають оптикою (від грец. optike — наука про зір; optos — видимий).

Останнім часом оптика вивчає також електромагнітні хвилі інфрачервоного (довжиною 760 нм — 1 мм) та ультрафіолетового (довжиною 10-380 нм) діапазонів.

У наступних параграфах ми розглянемо основні поняття і закони кожного із зазначених розділів оптики, а зараз коротко зупинимося на історії формування уявлень про природу світла.

2. Корпускулярна теорія І. Ньютона і хвильова теорія К. Гюйґенса

Наприкінці XVII ст. майже одночасно виникли дві різні теорії, які пояснювали природу світла, ґрунтуючись на законах механіки: корпускулярна теорія англійського фізика Ісаака Ньютона (1643-1727) і хвильова теорія голландського фізика Крістіана Гюйґенса (1629-1695).

3. Формування сучасних уявлень про природу світла

У 60-х рр. XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля, одним із наслідків якої було встановлення можливості існування електромагнітних хвиль. За розрахунками вченого, швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнювала швидкості поширення світла: с ≈ 300 000 км/с.

На основі своїх теоретичних досліджень Максвелл дійшов висновку, що світло — це окремий випадок електромагнітних хвиль. Після дослідів Г. Герца (див. § 22) жодних сумнівів щодо електромагнітної природи світла не залишилось.

Електромагнітна теорія світла, однак, не могла пояснити явища, які виникають під час взаємодії світла з речовиною: поглинання й випромінювання світла, фотоефект (випромінювання електронів з поверхні речовини під дією світла) та ін. Ці явища пояснила квантова теорія світла, основи якої були закладені в 1900 р. німецьким фізиком Максом Планком (1858-1947). Згідно з квантовою теорією, світло випромінюється, поширюється та поглинається речовиною не безперервно, а скінченними порціями — квантами. Кожний окремий квант світла поводиться як частинка, а сукупність квантів поводиться як хвиля. Така двоїста природа світла отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм.

У сучасній фізиці квантові уявлення не суперечать хвильовим, а поєднуються на основах квантової механіки і квантової електродинаміки.

Чому і корпускулярна теорія світла І. Ньютона, і хвильова теорія К. Гюйґенса виявилися хибними?

Вимірювання швидкості поширення світла

Ще Ґ. Ґалілей вважав, що світло поширюється зі скінченною, хоча й дуже великою швидкістю. Саме Ґалілей зробив першу (на жаль, невдалу) спробу виміряти швидкість поширення світла.

Першим швидкість поширення світла визначив данський астроном Оле Крістенсен Ремер (1644-1710) у 1676 р., спостерігаючи затемнення Іо — супутника Юпітера (див. рисунок на с. 143).

Експериментально швидкість поширення світла вперше виміряв французький фізик Арман Іпполіт Луї Фізо (1819-1896) у 1849 р.

Американський фізик Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) удосконалив методику вимірювання швидкості поширення світла. У 1924-1927 рр. він провів серії дослідів, використавши дві гірські вершини в Каліфорнії, відстань між якими була ретельно виміряна (див. рисунок). На вершині гори Маунт-Вільсон було встановлено дугову лампу, світло від якої проходило крізь щілину і падало на призму із 8 дзеркальними гранями. Відбившись від грані призми, світло прямувало до системи дзеркал, розташованої на вершині іншої гори — Сан-Антоніо, відбивалось і поверталось до призми. Відбившись від іншої грані призми, світло потрапляло в зорову трубу.

Схема досліду А. Майкельсона

Коли призму починали обертати, світло потрапляло в зорову трубу тільки за певної швидкості обертання призми — за умови, що за час проходження світла від призми до системи дзеркал і назад призма поверталася на 1/8 оберту.

Підбиваємо підсумки

• Оптика — розділ фізики, який вивчає явища, пов’язані з поширенням електромагнітних хвиль оптичного діапазону (видиме світло, інфрачервоне й ультрафіолетове випромінювання) та з взаємодією цих хвиль із речовинами.

• Корпускулярна теорія І. Ньютона розглядала світло як потік частинок, які випромінює світне тіло, а властивості частинок описувала за допомогою законів класичної механіки.

• Хвильова теорія К. Гюйґенса розглядала світло як поздовжні механічні хвилі, що поширюються у світовому ефірі, який заповнює весь простір.

• Згідно із сучасною квантовою теорією світло — це потік квантів, причому для опису їх властивостей використовують закони не класичної, а квантової механіки.

• Сучасна хвильова теорія розглядає світло як електромагнітну хвилю.

• Існування двох теорій про природу світла (корпускулярної та хвильової), які не суперечать одна одній, зумовлене двоїстою природою світла — корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

Контрольні запитання

1. Що таке світло? Які об’єкти його випромінюють? 2. Хто є засновником корпускулярної теорії світла? Які її основні положення? 3. Які оптичні явища не можна було описати на основі корпускулярної теорії світла? 4. Хто є засновником хвильової теорії світла? Які її основні положення? 5. Чому дорівнює швидкість поширення світла? Як її було виміряно? 6. Які сучасні уявлення про природу світла? 7. У чому сутність корпускулярно-хвильового дуалізму?

Вправа № 24

1. Одним із висновків корпускулярної теорії І. Ньютона є те, що швидкість поширення світла в речовині більша за швидкість поширення світла у вакуумі. Чи дійсно це так?

2. Чому у встановленні природи світла значну роль відіграло визначення швидкості поширення світла?

3. Згадайте основні властивості електромагнітних хвиль і наведіть приклади на підтвердження того, що світло має ці властивості.

4. Знаючи відстань між вершинами гір Маунт-Вільсон і Сан-Антоніо (див. с. 142), визначте середню частоту, з якою оберталася призма в дослідах А. Майкельсона.

5. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь: чому Ґ. Ґалілей не зміг виміряти швидкість поширення світла? Що в «поведінці» Іо (супутника Юпитера) дозволило О. Ремеру досить точно виміряти швидкість поширення світла (див. також рисунок)? Який пристрій використовував у своїх дослідах А. Фізо? Коли і як швидкість поширення світла було виміряно найточніше?

Астрономічний метод О. Ремера з вимірювання швидкості поширення світла