Теория света формировалась до 30 - х годов 20 века. Сначала наблюдали за звездами, за ощущениями от света в глазах. Были даже такие умозаключения: свет - это щупальца - лучи, выходящие из наших глаз, которые и создают в мозгу зрительные ощущения.В 17 веке астроном Рёмер впервые измерил скорость света (220000км/с). Астроном наблюдал планету Юпитер. Спутник планеты - "Ио" то появлялся рядом с планетой, то исчезал, вращаясь вокруг Юпитера. Но при наблюдениии за спутником в точках на земной орбите 1(ближней) и 2(дальней) обнаружено запаздывание на 22 мин. Рисунок показывает его расчеты:
Великая догадка ученого - свет имеет конечную скорость.
Сегодня скорость свет измерена точнее:
299 792 458 м/с
Геометрическая оптика обьясняет солнечное затмение. Законы отражения, законы преломления- это законы геометрической оптики. Акцент на этом делать не будем. Акцент - на волновых свойствах света. И.Ньютон показал опыт разложения белого света:
И.Ньютон считал, что свет - это поток красных , зеленых........частиц (корпускул), которые по разному преломляются в прозрачной среде.
Но другие ученые выдвинули волновую природу света, которая обьясняла поведение света на непрозрачных препятствиях, на щелях.
Прохождение света через щели исследовали ученые Гюйгенс ( 17 век), Юнг, Френель ( нач 19 века). Они обьяснили волновые свойства света - интерференцию, дифракцию. Волны - это звук, колебания на поверхности воды. Свет, по теории этих ученых, - это поток волн в среде под названием эфир. Отсюда фраза из радиопередач: "Сегодня в эфире...." Позже Максвелл (19 век) доказал, что свет - электромагнитная волна, поток меняющихся электрического и магнитного поля. Кстати, наш глаз реагирует на электрическую составляющую света.
На рис. опыт Юнга:
Для чего нужны две щели? Идеальное сложение волн дает лазерный луч (когерентный). В опыте Юнга свет делился на два одинаковых волновых потока, которые сохраняли разность фаз, поляризацию, частоту, т.е. условие когерентности волн выполнялось и давали интерференционную картину на экране.
Дифракция - огибание волнами препятствий. Это свойство для всех волн, в том числе механических. Например на воде:
За препятствиями световые волны разного цвета (разной частоты)отклоняются на разные углы. Цвет света зависит от частоты. Длинные волны у красного, короткие у фиолетового света.
Результат дифракции - интерференция - сложение волн, которую наблюдают на экране.
Волновую теорию подтверждает парадокс "пятно Пуассона" - в центре светлое пятно ( не тень) за очень малым телом. Это доказано опытом, который проделал ученый Араго в 1818г
Теория Френеля не простая, но идея понятна. Волновая поверхность разделена на зоны, каждая из которых являлась источником вторичных волн. Разность хода от соседних зон - половина длины волны. Сложение соседних волн - темная полоса, сложение волн через зону- светлая полоса.
А какова причина возникновения света? Обьяснение этому пришло только с возникновением квантовой теории строения атома.Тогда, когда разгадали загадку Солнца.Не могли понять - почему Солнце - звезда светит. Спектр Солнца похож на радужную картину дифракционной решетки. В начале 20 века было сделано много открытих в атомной физике, физике ядра. Человек понял как устроен атом и что такое свет.
Электроны в атоме находятся на определенных энергетических уровнях(постулаты Бора), вращаясь вокруг ядра. Переход электрона с уровня с большей энергией на уровень с меньшей энергией приводит к испусканию фотона (частицы света) или кванта энергии по формуле Планка ( 1905г): Е= hv, где v- частота волны - света, h- постоянная Планка. В стационарном состоянии атом не излучает, перед излучением его надо возбудить или тепловой энергией (горение), или облучением(радиацией), или электрическим полем. Следует отметить, что наши российские ученые Столетов, Вавилов, Лебедев (конец 19в.) проделали уникальные эксперименты (со светом)по квантовой физике.
Формула Планка обьединяет свойства света как частицы, так и волны
Увидеть волновые свойства фотонов света можно, если препятствия сравнимы с длиной волны. Длина волны света порядка - миллионная часть метра
Белый свет - это сложение семи цветов радуги. Белый лист бумаги отражает все семь цветов радуги. Если тело красного цвета, то это значит (при падающем белом свете), что красные лучи отражаются, остальные лучи поглощаются.
Когда мы смотрим на свет (от фар автомобиля) сквозь ресницы, то перед глазами появляются цветные, похожие на радугу полосы. Эти же картины мы видим на стекле с царапинами, на СД - дисках. Это проявление волновых свойств света. Красный свет....или фиолетовый свет по- разному огибают препятствие - отклоняются на разные углы. Получаем радужные картины на экране. В астрономии используют дифракционные решетки- стеклянные пластинки, на которых благодаря сложной технологии прорезаны параллельные полосы - штрихи. Эти полосы (более 1000 на 1мм) являются препятствиями для света, которые создают дифракционную картину на экране. Такие решетки в астрономии позволяют определить состав атмосферы звезды, т.к. каждый светящийся газ на звезде имеет свой спектр( проще - свою "радугу").
Иногда от белого света не увидишь радугу после "решетки". Это связано с тем, что сам белый свет - это сложение семи цветов радуги. Если "решетка" неидеальна, то в результате получается сложение спектральных цветов, дающее, как известно, белые светлые полосы. Цветные не увидишь. Хотя темные полосы можно увидеть. Вот картина от идеальной "решетки":
На больший угол отклоняются красные лучи. На меньший угол фиолетовые лучи.
СД- диск тоже дифракционная решетка.
Пластик диска покрыт прозрачными и непрозрачными полосами по окружностям спирали. Отражает свет напыленная алюминиевая пленка.
Посмотрим в домашних условиях дифракционную картину на СД - диске. Использовали свет фонарика мобильного телефона. Такой источник дает достаточно узкий поток света.
На видео видна дифракционная картина на СД- диска от фонарика телефона.
Посмотрим видео: