Дуализм оптических явлений

    В 1808 году французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского  шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже заметил, что при определённом положении кристалла было видно лишь одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

    В 1932 году группа американских учёных во главе с Е. Лэндом изобрела первый оптический поляризатор, который оказывает  на световые волны действие, аналогичное  описанному выше. Для изготовления такого поляризатора было выбрано вещество, состоящее из длинных углеводородных цепей. Затем его растянули, чтобы молекулы выстроились вдоль направления растяжения, и опустили в раствор йода. Молекулы йода «прикрепились» к углеводородным цепям и отдали в них электроны, свободно перемещающиеся вдоль нитей. При падении электромагнитной волны на получившуюся решётку составляющая электрического поля, параллельная нитям, затухает, так как полю приходится совершать работу, разгоняя электроны вдоль нитей; перпендикулярная нитям составляющая электрического поля проходит через такой поляризатор, практически не затухая.

    Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока. Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный. Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.

Квантовые свойства света

    Фотоэффект

    Гипотеза  Планка о квантах послужила основой  для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887 г. немецким физиком Генрихом Герцем. Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться  отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы – электроны.

    Фотоэффекты бывают нескольких видов: внешний и  внутренний фотоэффект, вентильный фотоэффект и ряд других эффектов. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Внутренним фотоэффектом называют появление свободных электронов и дырок в полупроводнике в результате разрыва связей между атомами за счет энергии света, падающего на полупроводник. Вентильным фотоэффектом называют возникновение под действием света электродвижущей силы в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников или полупроводника и металла.

    Эффект  Комптона

    Наиболее  полно корпускулярные свойства света  проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон (1892-1962), исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с лёгкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более длинноволновое излучение. Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-излучений) на свободных (слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты. Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу. Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий. Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором- поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект – со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона. 
 
 
 
 
 

Заключение 

    Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс, масса  и спин локализованы в фотонах, а  не размыты в пространстве, но не в том, что фотон может находиться в данном точно определенном месте  пространства. Свет ведет себя как  волна в том смысле, что распространение  и распределение фотонов в  пространстве носят вероятный характер: вероятность того, что фотон находится  в данной точке определяется квадратом  амплитуды в этой точке. Но вероятностный (волновой) характер распределения  фотонов в пространстве не означает, что фотон в каждый момент времени  находится в какой-то одной точке. Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц.

    Если  учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и  корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

    Корпускулярно – волновая двойственность свойств присуща также любой элементарной частице вещества. 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Основы современного естествознания: Учеб. пособие / Воронов В. К., Гречнева М. В., Сагдеев Р. З. – Иркутск: Издательство ИрГТУ, 1999. – 376 с., 78 ил.
2. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов ; под ред. проф. А. И. Бочкарёва.  –  Тольятти  :  ТГУС, 2008. – 386 с.
3. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.
4. Начала современного естествознания: концепции и принципы: учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2006. — 608 с. — (Высшее образование).