Свет как электромагнитная волна

Постоянная Планка и фотон

В последние годы XIX ст. было обнаружено, что свет, выходящий из отверстия в нагретом полом теле, не имеет характеристических линий испускания — его интенсивность плавно изменяется с изменением длины волны, причем такое распределение интенсивности света зависит от температуры и не зависит от природы нагретого тела. Физики- теоретики, занимавшиеся проблемой испускания света нагретыми телами, еще до 1900 г. пришли к выводу, что на основании представлений об испускании и поглощении света колеблющимися молекулами нагретого тела они не могут объяснить наблюдаемое распределение энергии излучения. Тогда немецкий физик Макс Планк (1858—1947) высказал мысль о возможности создания удовлетворительной теории при допущении, что нагретые тела не могут испускать или поглощать свет определенной длины волны в произвольно малых количествах, а должны испускать или поглощать лишь определенный квант света, характерный для данной длины волны. Хотя теория Планка не требовала считать сам свет состоящим из порций энергии — световых квантов или фотонов, Эйнштейн уже в 1905 г. указал на ряд других обстоятельств, подтверждающих эту концепцию.

Планк установил, что количество световой энергии, поглощаемой или излучаемой твердым телом за один акт, пропорционально частоте ν (равной cλ):

E=h·ν (3.2)

В этом уравнении Е — количество световой энергии с частотой ν, излученной или поглощенной в единичном акте, и h— константа пропорциональности. Постоянная h— одна из фундаментальных постоянных природы; на ней покоится вся квантовая теория. Ее называют постоянной Планка; она имеет следующее значение:

h=0,66252·10-33 Дж·с. (3.3)

Из приведенных соотношений видно, что свет с более короткими длинами волн состоит из больших квантов энергии, а свет с более длинными волнами состоит из меньших квантов энергии. Некоторые опыты, позволяющие определить величины таких квантов энергии, описаны в следующем разделе.

Какие характеристики имеет свет?

Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.

Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена». Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.

Планк и его труды

Аксиома c = νλ, в результате формулы Планка производится ε = hc / λ, так можно прийти к выводу, что указанное выше явление — обратное длине волны при оптическом влиянии в вакууме. Опыты, проведенные в закрытом пространстве, показали, что пока существует фотон, он будет двигаться по определенной скорости и замедлить свой темп не сможет. Однако поглощается частицами веществ, которые встретятся ему на пути, в результате происходит взаимообмен, и он исчезает. В отличие от протонов и нейтронов не имеет массы покоя.

Электромагнитные волны и теории света до сих пор не поясняют противоречивые явления, например, в одной системе будут ярко выраженные свойства, а в другой корпускулярные, но, тем не менее, все они объединены излучением. На основе концепции квант существующие свойства присутствуют в самой природе оптической структуры и в общей материи. То есть частицы обладают волновыми свойствами, а эти в свою очередь корпускулярными.

История

Основная статья: История квантовой механики

На заседании Немецкого физического общества Макс Планк зачитал свою историческую статью «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре», в которой он ввёл универсальную постоянную h{\displaystyle h}. Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, часто считают днём рождения квантовой теории.

Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с такой энергией E{\displaystyle {\mathcal {E}}}, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

где h{\displaystyle h} — постоянная Планка, и ℏ=h2π.{\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}.}

В 1905 году, для объяснения явлений фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов. Впоследствии «кванты» света получили название фотонов.

Для объяснения структуры атома Нильс Бор предложил в 1913 году существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900—1924 г.). Отличительной чертой старой квантовой теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными предположениями.

В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что материальные частицы обладают и волновыми свойствами, неразрывно связанными с массой и энергией. Движение частицы Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах.

Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.

В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днём рождения нерелятивистской квантовой механики.

Развитие и формирование основ квантовой механики продолжается до сих пор. Оно связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых систем, квантовой информатикой, квантовым хаосом и пр. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.

В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер в исследовательском центре Bell Labs демонстрируют дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). При оценке угловой зависимости интенсивности отражённого электронного луча, было показано её соответствие предсказанной на основании условия Вульфа — Брэгга для волн с длиной де Бройля (см. Волны де Бройля). До принятия гипотезы де Бройля дифракция расценивалась как исключительно волновое явление, а любой дифракционный эффект — как волновой. Когда длина волны де Бройля была сопоставлена с условием Вульфа — Брэгга, была предсказана возможность наблюдения подобной дифракционной картины для частиц. Таким образом, экспериментально была подтверждена гипотеза де Бройля для электрона.

Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу света, эксперимент Дэвиссона — Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование» с частицей её волны, иными словами — присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма.
Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.

История

Макс Планк.

Нильс Бор.

См. также: История возникновения квантовой физики

Точкой отсчёта старой квантовой теории (и квантовой механики вообще) считается появление работ Макса Планка по излучению и поглощению света в самом начале XX века. Непосредственная разработка квантовой теории началась с внедрением Эйнштейном квантовой теории теплоёмкости твёрдого тела. В модели Эйнштейна считается, что каждый атом в решётке является независимым квантованным гармоническим осциллятором, что даёт возможность объяснить наряду с классическим законом Дюлонга — Пти при высоких температурах падение теплоёмкости при низких. Таким образом квантовые принципы распространили на движение атомов. Позже Дебай усовершенствовал эту модель[источник не указан 1619 дней].

В 1913 году Нильс Бор использовал соображения, которые он вскоре сформулировал как принцип соответствия, и разработал модель атома водорода, которая могла объяснить его дискретный спектр, сформулировав два известных постулата. Позже Арнольд Зоммерфельд развил идеи Бора, распространив его модель на произвольные интегрируемые системы, используя принцип адиабатической инвариантности квантовых чисел. Модель Зоммерфельда была существенно ближе к современной квантовой механике, чем модель Бора[источник не указан 1619 дней].

На протяжении 1910-х и в начале 1920-х годов с помощью старой квантовой теории было успешно решено множество задач. Стала понятной природа колебательных и вращательных спектров молекул, открыт спин электрона, что объяснило существование полуцелых квантовых чисел. Планк ввёл нулевые колебания, Зоммерфельд успешно применил модель Бора к релятивистскому атому водорода, а Хендрик Крамерс объяснил эффект Штарка. Бозе и Эйнштейн предложили квантовую статистику для фотонов[источник не указан 1619 дней].

Крамерс предложил метод расчёта вероятностей перехода между квантовыми состояниями с использованием фурье-компонент движения, который позже был развит им вместе с Вернером Гейзенбергом в матричное полуклассическое отображение вероятностей перехода. Потом на основе этих идей Гейзенберг построил матричную механику — формулировку квантовой механики на основе матриц перехода[источник не указан 1619 дней].

В 1924 году Луи де Бройль разработал волновую теорию материи, которую немного позже развил Эйнштейн, выведя полуклассическое уравнение для волн материи. В 1925 году Эрвин Шрёдингер предложил квантовомеханическое волновое уравнение, которое дало возможность собрать в кучу все результаты старой квантовой теории без каких-либо неувязок. Волновая механика Шрёдингера развивалась независимо от матричной механики Гейзенберга, но в экспериментах было видно, что оба метода предусматривают одинаковые результаты. Поль Дирак в 1926 году показал, что обе картины являются эквивалентными и вытекают с более общего метода — .

Появление матричной и волновой механики ознаменовало конец старой квантовой теории[источник не указан 1619 дней].

Математическая формулировка

Математически, КЭД — это абелева калибровочная теория поля с группой симметрии U(1). Калибровочное поле, которое переносит взаимодействие между заряженными полями спина 1/2, является электромагнитным полем.

Лагранжиан КЭД для поля спина 1/2 (электрон-позитронного поля), взаимодействующего с электромагнитным полем, равен сумме лагранжианов электрон-позитронного поля, фотонного поля и слагаемого, описывающего взаимодействие электромагнитного поля с электрон-позитронным полем. Последнее слагаемое, однако, часто объединяют с первым, используя так называемую обобщённую ковариантную производную:

L=ψ¯(iγμDμ−m)ψ−12∂kAi(x)∂kAi(x),{\displaystyle {\mathcal {L}}={\bar {\psi }}(i\gamma ^{\mu }D_{\mu }-m)\psi -{\frac {1}{2}}\partial _{k}A^{i}(x)\partial ^{k}A_{i}(x),}

где

γμ{\displaystyle \gamma ^{\mu }} — матрицы Дирака,

ψ{\displaystyle \psi } — оператор биспинорного поля спина 1/2 (то есть электрон-позитронного поля),

ψ¯≡ψ†γ{\displaystyle {\bar {\psi }}\equiv \psi ^{\dagger }\gamma _{0}}, дираковски сопряжённая ψ{\displaystyle \psi },

Dμ≡∂μ+ieAμ+ieBμ{\displaystyle D_{\mu }\equiv \partial _{\mu }+ieA_{\mu }+ieB_{\mu }} — обобщённая ковариантная производная,

m{\displaystyle m} — масса фермиона,

e{\displaystyle e} — заряд фермиона,

Aμ{\displaystyle A_{\mu }} — оператор фотонного поля (ковариантный 4-потенциал в классической теории поля),

Bμ{\displaystyle B_{\mu }} — внешнее поле,

Операторы электронного ψ{\displaystyle \psi } и фотонного A{\displaystyle A} полей удовлетворяют системе уравнений (уравнения Дирака — Максвелла):

(γk(i∂k−eAk(x)−eBk)−m)ψ(x)={\displaystyle (\gamma ^{k}(i\partial _{k}-eA_{k}(x)-eB_{k})-m)\psi (x)=0}

2Ak(x)=eψ¯(x)γkψ(x){\displaystyle \square ^{2}A_{k}(x)=e{\bar {\psi }}(x)\gamma _{k}\psi (x)}

Эти уравнения дополняются калибровочным условием Лоренца:

A,kk|⟩={\displaystyle A_{,k}^{k}\vert 0\rangle =0}

СВЕТ — ЭТО ТОЖЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Совсем немного времени с момента открытия электромагнитных колебаний понадобилось на понимание того, что свет также является совокупностью электромаг­нитных колебаний — только очень высокочастотных. Не­случайно скорость света равна скорости распространения электромагнитных волн и характеризуется константой с = 300 ООО км/с.

Глаз — основной орган человека, воспринимающий свет. При этом длина волны световых колебаний воспри­нимается глазом как цвет световых лучей. В школьном курсе физики приводится описание классического опыта по разложению белого света — стоит достаточно узкий луч белого (например, солнечного) света направить на стек­лянную призму с треугольным сечением, как он тут же расслоится на множество плавно переходящих друг в друга световых пучков разного цвета. Это явление обусловлено различной степенью преломления световых волн различ­ной длины.

Помимо длины волны (или частоты), световые коле­бания характеризуются интенсивностью

Из ряда мер интенсивности светового излучения (яркость, световой поток, освещенность и др.) при описании видеоустройств наиболее важной является освещенность. Не вдаваясь в тонкости определения световых характеристик, отметим, что освещенность измеряется в люксах и является привыч­ной для нас мерой визуальной оценки видимости объек­тов

Ниже представлены типовые уровни освещенности:

• Освещенность в 20 см от горящей свечи 10—15 люкс
• Освещенность комнаты при горящих лампах накаливания 100 люкс
• Освещенность офиса с люминесцентными лампами 300-500 люкс
• Освещенность, создаваемая галогенными лампами 750 люкс
• Освещенность при ярком солнечном свете 20000люкс и выше

Свет широко используется в технике связи. Достаточ­но отметить такие применения света, как передача инфор­мации по световолоконным линиям связи, применение в современных электроакустических устройствах оптичес­кого выхода для оцифрованных звуковых сигналов, при­менение пультов дистанционного управления по лучу инфракрасного света и др.

Электромагнитная природа света Свет обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными свойствами. Такое свойство света называет корпускулярно-волновой дуализм. Но ученые и физики древности не знали об этом, и изначально считали свет упругой волной.

Свет — волны в эфире Но так как для распространения упругих волн нужна среда, то возникал правомерный вопрос, в какой же среде распространяется свет? Какая среда находится на пути от Солнца к Земле? Сторонники волновой теории света предположили что всё пространство во вселенной заполнено некоторой невидимой упругой средой. Они даже придумали ей название – светоносный эфир. В то время, ученые еще не знали о существовании каких либо волн, кроме механических. Такие взгляды на природу света высказывались примерно в 17 веке. Считалось, что свет распространяется именно в этом светоносном эфире.

Свет — поперечная волна Но такое предположение вызывало ряд противоречивых вопросов. К концу 18 века было доказано, что свет является поперечной волной. А упругие поперечные волны могут возникать только в твердых телах, следовательно, светоносный эфир является твердым телом. Это вызывало сильную головную боль у ученых того времени. Как небесные тела могут двигаться сквозь твердый светоносный эфир, и при этом не испытывать никакого сопротивления.

Свет — электромагнитная волна Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме. И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. Потом это предположение подтвердилось. Но актуально также было представление о том, что в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц. Теория Максвелла противоречила некоторым экспериментальным фактам. Но, в 1990 году, физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. А в 1905 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, о том, что электромагнитные волны с некоторой частотой можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=р*ν. В настоящее время квант электромагнитного излучения называют фотоном. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света. То есть при излучении и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства, а при перемещении в пространстве волновые.

Праздник каждый день

Программа шоу «Активация» на Стрелке будет меняться еженедельно с учётом времени года и праздничных дней. Для зрителей приготовили несколько основных режимов подсветки.

• дежурный режим (c минимальнойяркостью и рабочим освещением в ночное время);
• будничный режим (монохромная гамма — в одном цвете, с плавным мерцанием объектов);
• праздничный режим (многоцветная гамма подсветки с яркими световыми эффектами);
• светомузыкальное шоу (анимированные3D-картинына фасадахс музыкальным оформлением и сценарной драматургией).

Во время Универсиады представление будет начинаться ежедневно в 19:00 и повторяться каждые полчаса до 21:30. После Универсиады — с 20:00 до 22:00 по выходным, с повторением каждый час.

Такое украшение городу явно к лицу. Скоро подобные световые решения появятся и в других знаковых местах Красноярска — есть планы украсить о. Отдыха и о. Татышев. А пока обязательно зовите своих близких на шоу «Активация» — теперь это, пожалуй, лучшая площадка для крутых селфи!

Ерёмин Сергей Васильевич
Мэр Красноярска