Natura światła

1. Falowa natura światła

 

1.1. Rozwój poglądów na naturę światła.

 

            Nauka o świetle jest bardzo stara, ale spór o jego naturę trwał aż od początku naszego stulecia. Spór ten wśród uczonych rozpoczął się w XVII wieku, a dotyczył odpowiedzi na pytanie: czy światło to fala czy cząstka?

            Newton był twórcą tzw. korpuskularnej teorii światła (korpuskuła znaczy cząstka). Według niej światło jest strumieniem bardzo szybko pędzą-cych cząstek - korpuskuł wylatujących ze źródła. Cząstki te wpadając do oka, wywołują wrażenie światła.

            Współczesny Newtonowi Huygens w roku 1690 ogłosił swoją falową teorię światła, według której światło polega na ruchu fal rozchodzących się podobnie jak fale w ciałach sprężystych, niosąc ze sobą energię. Pewien problem stanowił ośrodek, który według teorii Huygensa miał służyć do transportu energii. Nazwano go eterem kosmicznym i założono, że cała przestrzeń jest nim wypełniona. Chociaż falowa teoria światła tłumaczyła szereg zjawisk optycznych to jednak nie miała początkowo zbyt wielu zwolenników. Być może wpływał na to autorytet Newtona, występującego przeciwko teorii Huygensa. Poza tym teoria Newtona tłumaczyła wszystkie znane wówczas zjawiska optyczne, tak więc o teorii Huygensa zapomniano.

            Teoria korpuskularna Newtona panowała aż do początku XIX wieku, kiedy to zaobserwowano dyfrakcję i interferencję światła. Oba te zjawiska świadczą o falowej naturze światła. Do łask wróciła więc teoria falowa światła Huygensa, chociaż problem eteru kosmicznego nadal pozostał.

            Po ogłoszeniu w roku 1867 przez Maxwella teorii fal elektromagnetycznych stało się jasne, że światło to też fala elektromagnetyczna, która nie potrzebuje do rozchodzenia się w przestrzeni żadnego ośrodka materialnego. Problem eteru kosmicznego zniknął. Elektromagnetyczna teoria światła przeżywała swój triumf po doświadczeniach Hertza.

            Było tak do końca XIX wieku, kiedy to odkryto nowe zjawiska (np. zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne), których nie udało się wytłumaczyć za pomocą falowej teorii światła. Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego

w roku 1905 podał Einstein zakładając, że światło rozchodzi się w postaci określonych porcji energii, zwanych kwantami. Powstała w ten sposób nowa teoria kwantowa światła, w której można znaleźć nawiązanie do dawnej teorii korpuskularnej Newtona.

            Znowu można zadać pytanie, czym naprawdę jest światło? Na pierwszy rzut oka wydaje się bowiem, że oba punkty widzenia na naturę światła - falowy (elektromagnetyczny) i kwantowy (korpuskularny) wzajemnie się wykluczają. Okazuje się jednak, że falowe i korpuskularne właściwości światła są ze sobą ściśle związane - światło ma dwoistą naturę. Dualizm korpuskularno-falowy światła wyjaśniła dopiero na początku naszego stulecia mechanika kwantowa.

 

 

1.2. Dyfrakcja światła.

 

            Jeżeli światło jest falą to powinno dla niego zachodzić zjawisko dyfrakcji - typowe zjawisko dla ruchu falowego. Jak z pewnością pamiętasz efekty ugięcia fali są silne wtedy, gdy rozmiary przedmiotów lub szczelin znajdujących się na jej drodze są porównywalne z długością fali. Ponieważ długość fal świetlnych jest rzędu kilku dziesiątych mikrometra, stąd nie tak łatwo zaobserwować ugięcie fali - szczeliny o rozmiarach ułamków milimetra nie są typowymi przeszkodami jakie na swej drodze spotyka światło.

            Najczęściej przeszkoda np. otwór w przysłonie jest znacznie większa od długości fali. Wtedy światło nie ugina się i biegnie po linii prostej. Na ekranie otrzymujemy wówczas cień przysłony tzw. cień geometryczny i jeden jasny obszar na wprost otworu w przysłonie (rys. 1).

Rys. 1.   Światło nie ulega ugięciu gdy rozmiary szczeliny są znacznie większe od długości fali.

 

       Jeżeli natomiast rozmiary szczeliny są porównywalne z długością fali padającego światła sytuacja się zmienia; zmniejszanie szerokości szczeliny powoduje zwiększanie się jasnego obszaru na wprost szczeliny - jego średnica jest znacznie większa od średnicy w przysłonie. Widocznie światło po przejściu przez otwór biegnie nie tylko w pierwotnym kierunku, ale także w innych kierunkach, jak to pokazuje rys. 2. Opisane zjawisko nosi nazwę zjawiska ugięcia światła.

Rys. 2.   Zjawisko ugięcia światła na brzegach otworu o niewielkiej średnicy.

 

            Ponadto uzyskany na ekranie obraz ma charakterystyczną strukturę. W środku obrazu mamy obszar jasny, a wokół prążki w kształcie okręgów o mniejszej jasności przedzielone obszarami nieoświetlonymi (rys. 3).

 

Rys. 3.   Dyfrakcja światła na okrągłym otworze.

 

  

            Porównanie wyników ugięcia dla światła, fal na wodzie i fal akustycznych wskazuje na uderzające podobieństwo tych zjawisk.

            Mechanizm tworzenia się dość złożonej struktury fali ugiętej podobnie jak dla fal mechanicznych opisujemy posługując się zasadą Huygensa. Rozumujemy następująco: jeżeli w przysłonie jest otworek o rozmiarze mniejszym od długości fali światła, to stanie się on źródłem nowej fali kulistej wybiegającej z tego otworka.

  

 1.3. Interferencja fal świetlnych.

 

            Drugim charakterystycznym zjawiskiem ruchu falowego jest interferencja polegająca na nakładaniu się dwóch (lub więcej) fal spotykających się w pewnym obszarze. Fale mogą nakładać się tak, że ich energia nie jest rozłożona równomiernie, lecz jest maksymalna w pewnych punktach i minimalna w innych, przy czym wartość jej może nawet być równa zeru.

            Aby efekt ten zademonstrować trzeba mieć dwa źródła fal świetlnych, położone w odpowiedniej odległości od siebie. Fale wychodzące z tych źródeł nakładając się na siebie powinny dać na przemian obszary jasne (duża amplituda fali) i obszary ciemne ( amplituda fali mała). Omawialiśmy to zagadnienie dokładnie dla fal mechanicznych.

            Doświadczenie takie po raz pierwszy wykonał w 1803 roku fizyk angielski Thomas Young (1773-1829). Oświetlił on światłem jednobarwnym (monochromatycznym) ekran, w którym wycięto wąską szczelinę S (rys. 4).

 

 

Rys. 4.   Zjawisko interferencji światła.

 

            Światło przechodząc przez tę szczelinę ulega ugięciu i pada na szczeliny S₁ i S₂ wycięte w następnej przysłonie. Na szczelinach tych znowu światło ulega ugięciu, a szczeliny S₁ i S₂ stają się wtórnymi źródłami fal świetlnych o jednakowej amplitudzie, tej samej częstotliwości i zgodnych fazach. Te dwa identyczne źródła fal kulistych nakładają się na siebie dając na ekranie obraz w postaci tzw. prążków interferencyjnych (rys. 5).

 

 

Rys. 5.   Prążki interferencyjne w doświadczeniu Younga.

 

 

Wykorzystując Twoje wiadomości o interferencji fal mechanicznych rozważmy wynik interferencji w doświadczeniu Younga.

            Jasne prążki - miejsca gdzie spotykają się fale w fazach zgodnych - to miejsca, w których następuje wzmocnienie. Miejsca gdzie spotykają się fale w fazach przeciwnych - ciemne prążki - to miejsca, w których następuje wygaszenie.

  

            Fale świetlne dochodząc do punktu P. ze szczelin O₁ i O₂ różnią się jedynie długością przebytej drogi, a co za tym idzie fazą (rys. 6). Jeżeli zatem różnica dróg jest równa całkowitej wielokrotności długości fali, czyli

 

            [1]                   Ds = n × l, n = 0, 1, 2, 3, ...

 

przy czy różnica dróg Ds wynosi

           

                                   Ds = O₂P - O₁P

 

to w punkcie P następuje wzmocnienie - otrzymujemy jasny prążek.

 

 

 

 

 

                                               Rys. 6.   Schemat doświadczenia Younga.

 

Z rys. 6 mamy

                        [2]                   Ds = a × sina

gdzie:

            a   -   odległość pomiędzy szczelinami,

a    -   kąt ugięcia fali.

Łącząc ze sobą zależności (1) i (2) otrzymujemy

            [3]                   n × l = a × sina

lub

            [4]                   sin a =