Главная Обратная связь

Дисциплины:






Квантовая теория света



Зарождение основных представлений о физической природе света относится к концу XVII в. и связано с противоборст-вом двух, казалось бы, взаимоисключающих теорий: волновой и корпускулярной. И. Ньютон считал световой поток корпускуляр-ным, т.е. состоящим из частиц. Не смотря на непререкаемый ав-торитет Ньютона, его современник Х. Гюйгенс и, столетие спус-тя, О-Ж. Френель, Т. Юнг, В. Лейбниц, М. Ломоносов и Б. Франклин склонялись к волновой теории. Интерференция света, обнаруженная Ньютоном (кольца Ньютона) и обоснованная в качестве основы классической оптики только в начале ХIХ в. в трудах О.-Ж. Френеля и Т. Юнга, также указывала на волновую природу света.

Представления о свете были продолжены и развиты М. Фарадеем в 1845 г. Он установил связь между магнетизмом и светом и показал, что световые и магнитные колебания являются поперечными, причем последние распространяются с конечной скоростью, равной скорости света. Эта зависимость легла в осно-ву электромагнитной теории света. В работах М. Фарадея было введено понятие "магнитного поля" при отсутствии у автора ма-тематических методов описываемых явлений. Здесь сыграла роль научная интуиция и базовые физические представления ученого, а математическая взаимосвязь между магнетизмом и оптикой была установлена в 1864 г. Д.-К. Максвеллом.

Развивая идею М. Фарадея, Д.-К. Максвелл сформулиро-вал знаменитые уравнения, которые определяли математическую теорию электромагнитного поля и объяснили все известные яв-ления электромагнетизма. Используя свои уравнения, Д.-К. Мак-свелл пришел к выводу, что в пустоте электромагнитное поле распространяется с той же скоростью, что и свет, что является подтверждением электромагнитной теории света. Была доказана единая природа световых и электромагнитных волн, а именно подчинение законам отражения, преломления, интерференции и поляризации. Теория электромагнитных волн Д.-К. Максвелла, называемая иногда "электромагнитной картиной мира", при жиз-ни автора не имела всеобщего признания. Эксперименты Г. Герца 1880-х гг. и выдающегося русского физика П.Н. Лебедева сыгра-ли решающую роль в подтверждении этой теории. Они показали, что радиоволны подчиняются всем законам геометрической оп-тики, включая рефракцию и поляризацию. Опыты Г. Герца легли в основу создания беспроводной связи - телеграфа, телефона, ра-дио и телевидения. Не удивительно, что первое сообщение, пе-реданное в 1886 г. по телеграфу создателем радио А. Поповым, стало "Генрих Герц".

В 1900 г. М. Планк высказал предположение о квантовой природе света, которое возникло при изучении классической проблемы излучения "черного тела". Исследование инфракрасно-го излучения (ИК), открытого в 1800 г. В. Гершелем, нашло под-тверждение в теории М. Планка. Формула М. Планка связала интенсивность теплового излучения с длиной волны при различ-ных температурах нагрева вещества.



Теория квантов М. Планка совершила подлинную революцию в физике. Она стала основой для атомной теории, по-скольку в 1913 г. Н. Бор применил ее к строению атома, а также объяснила движение электронов в твердых телах и дала начало квантовой физике. Было доказано, что вещество излучает или поглощает энергию конечными порциями (квантами), пропор-циональными излучаемой или поглощаемой частоте. Энергия од-ного кванта Е=h •ν, где ν - частота излучения, а h - универсальная константа, названная постоянной М. Планка. За открытие кванта М. Планк стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1918 г.

Квантовая теория вновь обострила противоречия, связан-ные с природой света. В 1923 г. Л. де Бройль выдвинул и обосно-вал гипотезу об универсальности дуализма в микромире. Он рас-пространил идею А. Эйнштейна, высказанную в 1905 г., о двой-ственности природы света и вещества, т.е. каждой частице мате-рии, в частности, электрону, должна соответствовать волна. Вос-пользовавшись теорий относительности, де Бройль вывел форму-лу, связывающую длину волны движущейся частицы с ее им-пульсом: λ= h/P, где h - постоянная М. Планка. За открытие волновой природы электронов де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике, а его теория легла в основу волновой механи-ки. Открытие дифракционных (волновых) свойств микрочастиц привели к разработке новых методов исследования структуры веществ, в частности электронно-оптических методов.

Развитие квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие электронов в атоме с учетом их волновых свойств, показало невозможность использования для описания этих процессов законов классической механики и электродинамики. Проблема была решена усилиями австрийского физика Э. Шрёдингера и немецкого физика В.-К. Гейзенберга. Э. Шрёдин-гер опубликовал в 1926 г. знаменитое квантово - механическое уравнение, ставшее основным уравнением квантовой механики и доказал фактическую тождественность волновой и матричной механики В.-К. Гейзенберга.

Квантовую механику, по определению швейцарского фи-зика В. Паули, называют "теорией дополнительности", поскольку квантовый объект может быть и частицей, и волной, но никогда ни тем, ни другим одновременно. Результаты исследований, по-лученные в том или ином случае, не исключают, а дополняют друг друга. Это кажется парадоксом, о котором его первооткры-ватель, гениальный А. Эйнштейн в конце жизни сказал следую-щее: "В наши дни каждый студент думает, что ему это понятно. Но он ошибается". Принцип квантовой теории лег в основу тео-рии вероятностей, широко распространившейся в науке ХХ в.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...