Сущность дуализма в оптике
Существование у света свойств и волны и потока частиц (корпускул) называют корпускулярно -- волновым дуализмом. Противоположность свойств частиц и волн в рамках классической физики не дает возможности утверждать, что свет является одновременно и волной и потоком частиц. Смысл корпускулярно - волнового дуализма свойств света в том, что он может описываться с использованием волновых представлений или корпускулярных понятий, что зависит от условий эксперимента.
Нам известны убедительные эмпирические факты, доказывающие волновую природу света (опыты по интерференции, дифракции, поляризации). Но экспериментальные доказательства корпускулярных проявлений света не менее убедительны (эффект Комптона, фотоэффект, тепловое излучение).
Ограничения в применении образов классической физики для описания свойств света проявляются также в условности применения образов волн и корпускул. Так, используя корпускулярные представления при описании фотоэффекта надо помнить, что свойства фотона существенно отличаются от свойств частиц в классической физике. Его масса покоя считается равной нулю, скорость движения в любой инерциальной системе отсчета одинакова, всегда отлична от нуля. При этом рассматривая свет как совокупность частиц (фотонов) для нахождения их массы следует использовать волновую характеристику -- частоту.
При рассмотрении волновых явлений, таких как интерференция и дифракция света для фиксации соответствующей картины требуется применение фотоэлемента, что означает использование квантовых свойств света для визуализации его волновых свойств.
История возникновения
Большой период развития оптики как науки связан с противоборством двух взглядов на природу света. Так в XVII веке имелось две теории света. Корпускулярная теория, ее сторонником был И. Ньютон, обладавший неоспоримым авторитетом. Ньютон считал свет потоком частиц, которые перемещаются от источника света во все стороны. Ньютон, используя свои представления, объяснил прямолинейность распространения света, но не смог объяснить законы отражения и преломления.
Ярким представителем противоположного направления, представлявшего свет как совокупность волн, был Х. Гюйгенс. Гюйгенс считал свет волной, которая распространяется в эфире, все заполняющей и везде проникающей среде. Теория, предложенная Гюйгенсом, объяснила дифракцию и интерференцию, но не смогла дать объяснение прямолинейному распространению света.
В течение долго времени не было единого представления о природе света. Корпускулярные теории менялись на волновые. Ни одна теория не могла стать единственной, принятой всеми.
В семидесятых годах XIX века Максвелл изложил свою электромагнитную теорию. Показал, что свет является электромагнитной волной, что было подтверждено опытами. Свет стали считать электромагнитной волной. Волновая теория стала считаться доказанной окончательно.
Однако волновая теория света в ее электромагнитной форме стала недостаточной для толкования всех оптических явлений. Впервые это проявилось при исследовании проблем равновесного (абсолютно черного) излучения. Формулу, которая согласовывается с опытом для всего диапазона волн, предложил М. Планк на основе новых, квантовых представлений. Изначально они касались только природы света, но позднее проникли во все разделы физики. Оказалось, что представления классической физики, которые базируются на основе понятий, связанных с макроскопическими объектами, не применимы или используются с существенными ограничениями в области атомных масштабов. Идеи Планка легли в основу новой физики, квантовой физики.
Так Планк предположил, что излучение и поглощение света веществом происходит конечными порциями -- квантами. Согласовывая свою гипотезу с законами термодинамики и электродинамики, Планк принял энергию кванта равной:
где $h$=$6,63\cdot {10}^{-34}Дж\cdot с$ -- постоянная Планка. Сам Планк полагал, что квантовые свойства свет проявляет только в актах излучения и поглощения света. Все остальное происходит в рамках теории Максвелла.
Эйнштейн развил квантовую теорию. Он заключил, что и при распространении в пространстве свет ведет себя как совокупность частиц (фотонов), имеющих энергию, которая определяется выражением (1). Это было не простым возвратом к Ньютоновской теории корпускул, так как фотоны принципиально отличаются от частиц в механике. Фотоны имеют волновые свойства. Эта особенность фотонов и называется корпускулярно -- волновым дуализмом.
Задание: Световое давление -- проявление объемной плотности импульса у волны и закона сохранения импульса при взаимодействии волны с веществом. Какова сила давления (F), которую испытывает зеркальная поверхность, если на нее перпендикулярно падает пучок монохроматического. Поток энергии равен $Ф_e$.
Решение:
Сила давления света может быть вычислена как:
\[F=pS\ \left(1.1\right),\]где $p$ -- величина давления света, $S$ -- площадь поверхности. Давление света при нормальном падении равно:
\[p=\frac{E_e}{c}\left(1+\rho \right)\left(1.2\right),\]где $E_e$ - облученность поверхности, $c$ -- скорость света в вакууме, $\rho $ -- коэффициент отражения. Для зеркальной поверхности коэффициент отражения равен единице ($\rho $=1). Подставим выражение (1.2) в формулу (1.1), получим:
\[F=\frac{E_e}{c}\left(1+\rho \right)S\left(1.3\right).\]При этом надо учесть, что:
\[Ф_e=E_e\cdot S\left(1.4\right).\]В таком случае выражение (1.3) запишем в виде:
\[F=\frac{Ф_e}{c}\left(1+\rho \right).\]Ответ: $F=\frac{Ф_e}{c}\left(1+\rho \right).$
Задание: Параллельный пучок света падает нормально на зачерненную поверхность, производя давление p, длина волны света равна $\lambda $. Какова концентрация фотонов в пучке (n)?
Решение:
За основу решения задачи примем выражение, определяющее концентрацию фотонов в пучке света как:
\[n=\frac{w}{{\mathcal E}}\left(2.1\right),\]где $w$ -- объемная плотность энергии излучения, ${\mathcal E}=h\nu $ -- энергия одного фотона. Давление света в свою очередь выразим как:
\[p=w\left(1+\rho \right)\left(2.2\right),\]где $\rho $ -- коэффициент отражения. Из выражения (2.2) получим:
\[w=\frac{p}{\left(1+с\right)}\left(2.3\right).\]Подставим в (2.1) вместо объемной плотности энергии правую часть выражения (2.3), имеем:
\[n=\frac{p}{{\mathcal E}\left(1+\rho \right)}\left(2.4\right).\]Энергия фотона выражается через частоту света, следовательно, связана с длиной волны:
\[{\mathcal E}=h\nu =\frac{hc}{\lambda }\left(2.5\right).\]Подставим энергию кванта в виде, полученном (2.5) в выражение (2.4):
\[n=\frac{\lambda p}{hc\left(1+\rho \right)}(2.6).\]Для зачерненной поверхности коэффициент отражения равен нулю ($\rho $=0), выражение (2.6) преобразуется к виду:
\[n=\frac{\lambda p}{hc}.\]Ответ: $n=\frac{\lambda p}{hc}.$
