Дипломная работа: Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики

Потім Ньютон провів вирішальний експеримент: «частину спектру» (світло одного кольору) направив на іншу скляну призму. Друга призма подальшої зміни забарвлення не давала. Так було встановлено, що утворювати спектр — це не властивість призми, а властивість світла.

Для доказу складного складу білого світла після розкладання світла в спектр всі пучки спектру знов збиралися за допомогою лінзи — виходило біле світло.

В другій частині книги «Оптика» описані досліди Ньютона, що «стосуються віддзеркалень, заломлень і кольорів тонких прозорих тіл».

Щільно притискуючи один до одного дві скляні призми, «які випадково були дещо опуклими», Ньютон помітив, що світло по-різному проходило через ці призми: предмети, що знаходяться за призмами, були то видні, то не видні, залежно від того, як призми були притиснуті один до одного, тобто залежно від того, яким був прошарок повітря між призмами.

При малому значенні кута нахилу падаючого проміння до шару повітря (при великому значенні кута падіння) з'являлося багато кольорових дуг. Рухаючи призми один щодо одного, можна було добитися того, що дуги утворювали кольорові кільця.

Для більш точних спостережень Ньютон використовував два об'єктивні скельця від об'єктиву для телескопа —плоско-випукле і двоопукле (дві збираючі лінзи). Наклавши двоопуклу лінзу на плоску сторону другої лінзи, Ньютон злегка стискав скельця, при цьому спостерігалася поява кольорових кругів і зміна їх положень при різному натиску на лінзи.

При стисненні лінз діаметри кольорових кілець збільшувалися, а ширина кожного з кольорових кілець зменшувалася. Послідовність кольорів в кільцях зберігалася і відповідала послідовності спектральних кольорів, але в центрі різні кольори зміняли один одного. Врешті-решт в центрі з'являлася темна пляма.

При підйомі верхнього скла над нижній діаметр кілець зникав, товщина їх зростала, в центрі пляма була прозорою. За прозорою центральною плямою кольори йшли від синього до червоного. Було дуже важко розрізнити фіолетовий колір, іноді здавалося, що сусідні спектральні кольори зливаються, утворюючи біле кільце. Добре спостерігалося останнє з першої серії веселкових кілець червоне кільце. Далі слідувала ще одна серія кольорових кілець, тут вже майже всі кольори були виразно видні, слабіше за все був представлений зелений колір.

Ньютон спостерігав картину кольорових кілець як в проходячому, так і у відбитому світлі.

Зараз ми розуміємо, що Ньютон спостерігав явище інтерференції світла в тонкому шарі повітря, що заповнював проміжок між двома стеклами. Колір, ширина і діаметр кільця визначаються умовами максимумів і мінімумів для світла з різною довжиною хвилі при різній товщині повітряного прошарку. Крім того, грає роль частка того або іншого кольору в спектрі. Червона ділянка спектру представлена широкою частиною кольорової смужки, він спостерігається краще всього.

Таким чином, в експериментах з так званими кільцями Ньютона була знайдена періодичність, властива світлу і що не поєднується з уявленнями про світло як про потік корпускул.

Ньютон повторив досліди по дифракції світла різного кольору і встановив, що ширина смуг, що виникають при обгинанні світлом перешкод, залежить від кольору світла і що ширина смуг для світлових пучків червоного кольору більше, ніж для світлових пучків фіолетового кольору.

Таким чином, кінець XVII в. був ознаменований відкриттям інтерференції і дифракції світла, встановленням складного складу білого світла і, як буде показаний пізніше, доказом кінцівки швидкості розповсюдження світла. В XVIII в. хвильові уявлення про світло були практично забуті, більшість учених дотримувалася корпускулярних переконань. Ситуація серйозним чином змінилася на початку XIX в.

2.2 Досліди Юнга

Англійський вчений Т Юнг протягом всього свого життя займався вивченням оптичних явищ. Інтерес до них був викликаний результатами дослідів по поляризацію світла, проведеними в 1810-1815 рр., і роботами в області оптики О.Ж.Френеля, виконаними в 1815-1823 рр. Юнг був прихильником ідей Френеля, переписувався з ним і перекладав його роботи на англійську мову.

В роботі «Про теорію світла і кольорів» Юнг писав, що світло є хвильовим процесом в заповнюючому Всесвіт світлоносному ефірі. Відчуття кольору, по Юнгу, залежать від різної частоти коливань, порушуваних світлом в сітківці. Далі Юнг пояснював кольори подряпин на непрозорих поверхнях і робив висновок про те, що ці кольори мають те ж походження, що і кольори тонких прозорих плівок. При цьому Юнг детально обговорював досліди Ньютона, в ході яких спостерігалися веселкові кільця.

В роботі «Лекція про природу світла і кольорів» з курсу лекцій «по натуральній філософії і механічним ремеслам» Т.Юнг висунув ідею про те, що, якщо світло — хвильовий процес, то для нього повинні спостерігатися ті ж явища, які характерні для механічних хвиль (наприклад, для хвиль на воді і для звуку). Юнгом був зроблений дуже важливий висновок про те, що для спостереження взаємного посилення або гасіння світлових хвиль (тобто для спостереження явища інтерференції) світло повинне виходити від одного джерела. При цьому світло слід розділяти за допомогою явищ дифракції, віддзеркалення або заломлення: світло повинне приходити в деяку область простору різними шляхами, але при цьому так, щоб різниця цих шляхів була не дуже велика.

Тепер ми розуміємо, що при великій різниці ходу не зможуть зустрітися цуги хвиль, отримані при розділенні яким-небудь чином хвильового цугу, утвореного в одному акті випуску світла атомом речовини.

Юнг запропонував найпростіший, на його думку, спосіб розділення світла від одного джерела на дві частини: пропустити світло через два дуже маленьких отвори або дві щілини в екрані, які можна розглядати як центри що розходяться у всі сторони пучків світла (мал., де А — щілина, що є джерелом світла — вона виділяє вузький пучок світла від джерела, що знаходиться за нею; б і З — дві щілини в екрані, завдяки яким світло від джерела .А ділиться на дві частини). Якщо на шляху отриманих пучків світла поставити екран, то в області, куди потрапляє світло від обох отворів (або обох щілин) повинне спостерігатися взаємне посилення і гасіння світла залежно від відстаней, які світло пройшло, перш ніж потрапив в ту або іншу точку екрану (залежно від різниці ходу проміння).

На екрані дійсно спостерігалася картина, в центрі якою була біла пляма або біла смуга. Далі симетрично щодо центру картини розташовувалися кольорові смуги.

Досвід Юнга одночасно був прикладом інтерференції і дифракції світлових хвиль, оскільки інтерференційна картина виходила при накладенні двох пучків світла, утворених в результаті дифракції на двох отворах або двох щілинах.

В роботі Юнга не мовилося про спосіб формування пучка світла, падаючого на два отвори або дві щілини. Тепер ми розуміємо, що перша щілина А в установці Юнга (див. мал.) була необхідна для тогна щілини В is. З падало світло тільки від близько розташованих ділянок реального світиться тіла, що знаходиться за першою щілиною. В цьому випадку щілини В і З «ділили» світло фактично від одного джерела на дві частини і тому ці щілини можна було вважати когерентними джерелами світла. Хвилі від когерентних джерел при накладенні давали інтерференційну картину.

Таким чином, досліди Юнга неспростовно свідчили про те, що світло є хвильовим процесом.

2.3 Досліди по поляризації світла

Явище незвичайного заломлення світла (порушення закону заломлення) було вперше знайдено Э. Бартолином в 1669 р. Кристал карбонату кальцію, званий ісландським шпатом, розділяв вузький пучок світла на два, які йшли по різних напрямах . Один пучок світла взагалі не підкорявся закону заломлення: при нульовому куті падіння кут заломлення був відрізнений від нуля, а другий пучок заломлювався відповідно до закону заломлення. З цієї причини перший промінь отримав назву незвичайного, другий — звичайного.

Ісландський шпат — різновид карбонату кальцію; він кристалізується у вигляді кристалів гексагональної системи і володіє яскраво вираженим подвійним променезаломленням. Кристали ісландського шпату зустрічаються в природі у вигляді великих і оптично чистих зразків. І зараз ісландський шпат є якнайкращим матеріалом для вивчення явища подвійного променезаломлення, не дивлячись на те, що існує багато штучних кристалів з властивостями, подібними властивостям ісландського шпату.

Кристал ісландського шпату легко виколюється у вигляді ромбоедра з гранями у формі ромбів з кутами близько 102 і 78°.

Досліди по подвійному променезаломленню були повторені Гюйгенсом і описані їм в «Трактаті про світло». Гюйгенс помітив, що якщо пропустити світло послідовно через два кристали ісландського шпату, то після вторинного проходження через кристал при певній орієнтації світлового променя і кристала, промінь практично повністю зникає. Це означало, що, пройшовши через кристал, світло придбаває нові властивості, стає не таким, яким був до кристала.

Згодом явище, яке спостерігав Бартолін, а потім Гюйгенс, дослідив і назвав полярністю світла Етьен Луї Малюс (1775-1812).

В 1808 р. Французька академія запропонувала досліджувати подвійне променезаломлення з погляду його теоретичного пояснення. Це дослідження провів Малюс. Спостерігаючи через кристал ісландського шпату віддзеркалення Сонця, що заходить, від скла Люксембургського палацу, Малюс помітив, що через кристал видні або одне, або два зображення Сонця. Далі Малюс став досліджувати світло від різних джерел, відображений від поверхні води або скла. В результаті цих досліджень Малюс зробив висновок про те, що властивості світла змінюються не тільки при проходженні через кристал, але і при віддзеркаленні.

Своє відкриття Малюс намагався пояснити, виходячи з корпускулярної теорії світла. Адже визнання світла подовжніми хвилями в світлоносному ефірі не допускало саму можливість поляризации світла. Юнг також визнавав, що відкриття Малюса не вдається пояснити на основі існуючих теоретичних уявлень. Юнг вважав, що в процесі розвитку фізичної теорії іноді доводиться залишати невирішеним окремі питання, які можна вирішити надалі.

Явище поляризації було пояснено після створення Дж.К.Максвеллом теорії електромагнітних явищ, підтвердження цієї теорії в дослідах Р. Герца, вимірювання швидкості світла і встановлення завдяки всьому цьому електромагнітної природи світла. Світло як окремим випадком електромагнітних хвиль є поперечні хвилі і саме тому за певних умов спостерігається його поляризація, властива тільки поперечним хвилям.

На основі ісландського шпату створюють різноманітні кристали, що дозволяють отримати після проходження через них тільки незвичайний промінь.

Одним з таких кристалів є турмалін — двозаломлюючий кристал, в якому звичайний промінь заломлюється значно сильніше незвичайного.

Якщо провести досвід з двома пластинами — кристалами турмаліну, пропустивши світло послідовно спочатку через перший, а потім через другий кристал, то при зміні положення осей кристалів Т1 і Т2 один щодо одного, тобто при повороті однієї з пластин в площині, перпендикулярній напряму розповсюдження світла (мал.8,а), можна отримати істотне зменшення інтенсивності світла, що пройшло через кристали. Пропускаючи світло тільки через одну з пластин (мал.8,б) і повертаючи її, не можна добитися зміни інтенсивності світла, що пройшло через турмалін. Перший з кристалів є в даному випадку поляризатором — перетворить світло в хвилю, коливання в якій відбуваються в певній площині, другий кристал виступає в ролі аналізатора, знаходячи поляризовану хвилі, пропускаючи лише світлову хвилю з визначеною площиною коливань.

Мал.8

Зараз ми називаємо поляризацією, по-перше, особлива властивість світлової (як і будь-якої електромагнітної) хвилі, що полягає в тому, що вектора напруженості електричного поля і індукції магнітного поля в хвилі, що володіє цією властивістю (тобто в поляризованій хвилі), коливаються не в будь-яких напрямах, а або уздовж однієї прямої (якщо хвиля лінійно поляризована), або в одній площині (якщо хвиля плоскополяризована). При цьому вектор напруженості електричного поля завжди перпендикулярний вектору індукції магнітного поля. По-друге, поляризацією ми називаємо процес перетворення природного світла, в якому присутні самі різні напрями коливань, в поляризовану хвилю. По-третє, ми назвемо поляризацією цілу сукупність фізичних явищі, включаючу подвійне променезаломлення (яке яскравіше за все спостерігається в ісландському шпаті), дихроізм — анізотропію поглинання (різне поглинання звичайного і незвичайного проміння яке добре спостерігати за допомогою кристалів турмаліну), і нарешті, ще одну групу явищ — обертання площини поляризації світла оптично активними середовищами (кварцем, нікотином, розчином цукру і ін.).

Всі явища відносяться до поляризації, знаходять широке застосування: визначення концентрації розчинів, при виготовленні поляроїдів для оптичних приладів і фар автомобілів, поляризаційних світлофільтрів і ін.

2.4  Проблема швидкості світла у фізичній науці

Перші тортури зміряти швидкість світла були зроблені Г. Галілеєм в XVII в. Галілей і його помічник намагалися, знаходячись на відомій відстані один від одного, визначити час між відкриттям заслінки ліхтаря в руках одного експериментатора і моментом, коли світло від ліхтаря помітить інший експериментатор. Проте людські реакції (тактильні і зорові) дуже повільні, щоб можна було зареєструвати такі малі проміжки часу.

Важливість цих перших спроб вимірювання швидкості світла — в самій постановці проблеми: довести кінцівку швидкості світла. Галілей називав світло «якнайшвидшим рухом». І він, мабуть, усвідомлював неможливість вимірювання швидкості світла. Адже час йому, як ми вже знаємо, доводилося виміряти за допомогою власного пульсу або водяного годинника. Тому досвід Галілея носив якісний характер. Головне було встановити, чи миттєво розповсюджується світло.

Пригадаємо, що Галілей першим ввів в науку новий метод — експеримент. Ось і досліди Галілея по вимірюванню швидкості світла — також перші, хай і невдалі, досліди, направлені на рішення надзвичайно важливої проблеми фізичної науки — проблеми швидкості світла.

Що ж визначається важливість цієї проблеми? Сьогоднішнє розуміння проблеми дозволяє нам сказати, чому так важливо рішення задачі про визначення швидкості світла.

1.Астрономічні методи визначення швидкості світла сприяли розумінню астрономічних питань про затьмарення світил і річний паралакс зірок. (Річний паралакс зірок — уявний зсув зірок на небесному зведенні, рух Землі, що відображає, по орбіті навкруги Сонця і зв’язане з кінцівкою відстані від Землі до світила.)

2.Земні методи визначення швидкості світла використовуються при геодезичній зйомці.

3.Вимірювання світла у вакуумі і в інших прозорих середовищах дає підставу для дозволу суперечки між хвильовою і корпускулярною теоріями світла.

4.Збіг значення швидкості світла із значенням швидкості електромагнітних хвиль, теоретично передбаченим Дж.К.Максвеллом і експериментально отриманим Р.Герцем, є обгрунтовуванням електромагнітної природи світла.

5.Пошуки впливу руху системи відліку на швидкість світла обгрунтовують справедливість постулатів спеціальної теорії відносності.

Таким чином, виявляється, що від точності результатів різних експериментів по вимірюванню швидкості світла залежить рішення цілого ряду проблем, що виходять не тільки за рамки оптики як розділу фізики, але і за рамки фізики взагалі.

Швидкість світла така велика, що рішення питання не тільки про числове значення швидкості світла, але навіть про кінцівку цієї швидкості, було непростим і зажадало довгий час.

Великий мислитель, математик, філософ Р.Декарт (1596-1650) рахував швидкість світла нескінченної. Він не був експериментатором і теоретично доводив нескінченність швидкості світла.

В 1634 р. Декарт в листуванні з голландським вченим И.Бекманом запропонував досвід, який міг би провести один експериментатор — досвід з факелом і дзеркалом. Декарт дав чисельну оцінку нижньої межі швидкості світла, і той факт, що в досвіді не вдалося зміряти швидкість світла, тлумачив, як доказ її нескінченності. В 1690 р. X.Гюйгенс в своєму «Трактаті про світло» писав про те, що в міркуваннях Декарта треба використовувати більше значення швидкості і що відсутність ефекту може бути пов'язаний лише з припущенням про мале значення швидкості світла.

Значущість проблеми визначення швидкості світла призводить до того, що інтерес до неї не слабшає і в даний час. У зв'язку з появою особливих джерел світла — лазерів сталі можливими надзвичайно точні вимірювання швидкості світла не просто в земних, а в лабораторних умовах.

2.5 Вимірювання швидкості світла

Астрономічні методи. Перша вдала спроба вимірювання швидкості світла була здійснена не із земними, а з астрономічними небесними об'єктами. Вона пов'язана із спостереженнями датчанина О.Ремера затьмарень супутників Юпітера. (Супутники Юпітера — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — були відкриті Галілеєм в 1610 р.) Спостереження Ремера можна назвати науковим подвигом. В результаті цих спостережень було отримано значення швидкості світла всього лише з 10%-і помилкою. Найголовніше була доведена кінцівка швидкості світла, і це було визнано самим Ньютоном XVII в. був століттям великих географічних відкриттів. В другій половині XVII в. відбувалося організаційне становлення науки — виникали наукові журнали, наукові суспільства, академії. В задачі учених входило рішення багатьох практичних проблем. Так, для визначення географічної довготи були необхідні таблиці затьмарень супутників в одному місці на Землі.

Цією проблемою в Паризькій академії наук займалися два астрономи — Ж. Пікар (1620-1682) і Дж. Д. Кассині (1625-1712). В програмі їх досліджень була поїздка в Данію в обсерваторію Тихо Бразі. В цей час великою популярністю користувався професор з Копенгагена Е. Бартолін. Його ім'я увійшло до історії фізики, перш за все, завдяки відкриттю подвійного променезаломлення в кристалі ісландського шпату. ж. Пікар, Дж. Кассині і Э. Бартолін разом відправилися на острів Вен для проведення астрономічних спостережень. З ними поїхав і молодий учень Бартоліна, Олаф Ремер. Саме він першим отримав достовірне значення швидкості світла.

Проаналізувавши результати багаторічних спостережень за затьмареннями супутників Юпітера, Ремер виступив з докладом перед членами Паризької академії наук. Він розказав про те, що супутник Юпітера Іо виходив з тіні своєї планети з деяким спізненням — приблизно на 10 мін. Ремер пояснював це кінцівкою швидкості світла і тим, що світлу вимагалося пройти відстань, рівну діаметру земної орбіти. Світло, на думку Ремера, повинен був затрачувати на це приблизно 22 мін. Спостереження за затьмаренням супутника в 1676 р. підтвердили прогноз Ремера.

Проведені міркування можуть дати лише наближений результат, оскільки в них не враховується зсув Юпітера за час спостереження затьмарень. Крім того, не ясно, як визначити період обігу супутника навкруги своєї планети, якщо спостерігач знаходиться на Землі.

Ремер був обережний у визначенні конкретного значення швидкості світла. У той час не було відоме точне значення радіусу земної орбіти, тому перші результати Ремера були далекі від істини.

Після того, як радіус земної орбіти був зміряний більш точно, на основі результатів спостережень Ремера було отримано значення швидкості світла з = 214 000 км/с.

Подальші астрономічні спостереження (вивчення аберації світла) за даними Брадлея дали значення з = 284 000 км/с.

Той факт, що саме в астрономії були вперше отримані цілком відповідні істині значення швидкості світла, має великий сенс: перші вимірювання швидкості світла були здійснені у вакуумі, отже, була отримана саме світова константа!

Земні методи. Вимірювання швидкості світла в земних умовах були успішно проведені лише в XIX в. і всі вони були засновані на одному принципі. Для вимірювання швидкості світла необхідно було примусити світло багато разів пройти одну і ту ж відстань туди і назад. Так подовжувався шлях світла, збільшувався час його руху, і можна було цей час зміряти і потім розрахувати швидкість світла.

Визначення швидкості світла земними методами пов'язано з іменами двох вчених — И. Физо і Л. Фуко. 1819 р. — початок життєвого шляху двох французьких оптиків, що займалися однією і тією ж проблемою. Фізо був молодшим Фуко всього на чету ре дня. В житті учених був період тісної наукової співпраці, який потім змінився періодом наукового суперництва.

Схема дослідів Фізо була дуже схожа на те, що пропонував Галілей для визначення швидкості світла. Але другий експериментатор був замінений дзеркалом (мал. .9). Після віддзеркалення від дзеркала світло потрапляло на зубчате колесо. Зображення джерела світла в цьому дзеркалі формувалося в тій крапці, де розташовувалося це колесо. За допомогою оптичної системи світло багато разів проходило відстань від дзеркала до зубчатого колеса і назад. Прояснення поля зору наступало при удвічі більшому куті повороту, наступне затемнення —• при втричі більшому значенні кута.

Мал.9

звідси з — 4 nlv. Фізо отримав значення швидкості світла 314 000 км/с — дещо більше, ніж в дослідах Ремера. Найголовніше — була доведена можливість вимірювання швидкості світла в земних умовах. Це відбулося в 1849 р. Через рік за допомогою дзеркала, що обертається, швидкість світла була зміряна Л. Фуко. Схема досвіду показана на (мал.10 а). Світло від джерела проходило через напівпрозору пластинку g і збираючу лінзу L і потрапляв на плоске дзеркало , яке могло обертатися навкруги вертикальної осі. Дзеркало, що обертається, відображало світло на нерухоме увігнуте дзеркало M, оптичний центр якого лежав на осі обертання плоского дзеркала. Якщо плоске дзеркало нерухомо, світло після віддзеркалення від увігнутого дзеркала йшло назад до плоского дзеркала, відображався від нього, знову проходив через лінзу до напівпрозорої пластинки, частково відображався від неї і потрапляв в зорову трубу dd' для спостережень. Дзеркала і лінза були розташовані так, що формували спочатку уявне зображення джерела світла за допомогою плоского дзеркала, а потім зображення цього уявного джерела. При обертанні плоского дзеркала

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5