Раздел 1. Основы метода спектрального анализа
Тема 1.2. Природа и свойства электромагнитного излучения
План:
1. Современные представления о природе света. Корпускулярно-волновой дуализм.
2. Происхождение спектров поглощения и спектров испускания веществ.
Литература:
1. Кустанович И.М. Спектральный анализ. – М.: Высшая школа, 1972, - с.13-26.
2. ОрешенковаЕ.Г. Спектральный анализ. – М.: Высшая школа, 1982, - с.5-22.
Современные представления о природе света. Корпускулярно-волновой дуализм.
Первые представления древних учёных о том, что такое свет были наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых были Эвклид, Птолемей и многие другие учёные и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом, и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося тела. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.
В XVIIвеке одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.
Одна ил этих теорий связанно с именем И. Ньютона, а другая с именами Х Гюйгенса и Р.Гука.Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц-корпускул, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).Согласно же представлениям Гюйтенса и Гука, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем всё пространство и проникающим внутрь всех тел.
На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
Волновая же теория это легко объясняла, например, волны на поверхности воды свободно проходят друг свозь друга не оказывая взаимного влияния.
Прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопредел1нное положение относительно природы света сохранялось до начала XIXвека, когда были открыты явления дифракции света (огибание светом препятствий) и интерференции света (усиление или ослабление освещённости при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления относятся к волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя.
Во второй половине XIXвека Максвелл показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.
После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведёт себя как волна, не осталось.
Однако в начале XX века представление о природе начали изменяться. Выяснилось, что корпускулярная теория всё же имеет отношение к действительности. При излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц.
Были обнаружены прерывистые или квантовые свойства света. Явления интерференции и дифракции можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения – считая потоком частиц.
Тот факт, что свет в одни опытах обнаруживает волновые свойства, а в других корпускулярные, означает, что свет имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.
Современные представления о природе света. Электромагнитная, волновая природа света не вызывает сомнений и в настоящее время. Она строго доказана большим числом разнообразных опытов. Но представление о непрерывной волне не верно.
Оказывается, атомы и молекулы излучают электромагнитные волны отдельными группами. Каждая такая группа волн распространяется как одно целое и обладает рядом свойств, характерным для частиц. Её называют по аналогии с другими частицами микромира фотоном. При взаимодействии света с различными веществами фотон действительно ведёт себя, как частица. Так, например, ни разу не было обнаружено система волн описывает распространение на всего светового пучка, а одного фотона.
Группы волн, составляющих разные фотоны, между собой практически не взаимодействую, поэтому движение каждого фотона можно рассматривать независимо от остальных.
Особый интерес представляет распространение всего светового пучка, который состоит из громадного числа фотонов. Зная, все возможные направления движения одного фотона, можно легко определить, как будет распространяться весь световой пучок. Остаётся только решить очень важный вопрос об интенсивности света, т.е. о числе фотонов, распространяющихся в каждом направлении. Фотон можно обнаружить в любом месте, где имеются составляющие его волны. Чем больше амплитуда этих волн, тем вероятнее обнаружить фотон именно в данном месте. Когда имеется большое число одинаковых фотонов, их можно обнаружить в данных местах, но там, где больше амплитуда колебаний каждого фотона, там будет обнаружено наибольшее число фотонов.
Например, пусть в результате интерференции амплитуда электромагнитных колебаний, составляющих один фотон, в какой-то точке пространства в два раза больше, чем в другой. Если поставить в двух этих точках приёмники света, то каждый фотон будет поглощен и зарегистрирован только одним из приёмников (напомним, что фотон ведёт себя, как единое целое). Но когда имеется поток одинаковых фотонов, первый приёмник будет поглощать и регистрировать их в среднем в четыре раза больше, чем второй, т.к. вероятность поглощения фотона пропорциональна квадрату амплитуды.
Таким образом, при излучении света нужно одновременно пользоваться и волновым и корпускулярными представлениями. Распространение света следует рассматривать, пользуясь волновой теорией, так как каждый фотон является группой волн и его движение как целого полностью определяется распространением этих волн. При изучении испускания или поглощения части фотона. Всегда вся группа волн, составляющих фотон, поглощается целиком, отдавая всю свою энергию.
Энергия фотона Е является суммарной энергией электромагнитного поля всей группы волн; она зависит только от частоты колебаний:
где h – постоянная Планка, численное значение которой равно 6,62∙10-34Дж∙сек, если энергия фотона измеряется в джоулях, то частоту электромагнитных волн в Герцах.
Интенсивность Iсветового пучка (световой поток) определяется числом фотонов N и энергией каждого фотона:
т.е. энергией светового пучка в единицу времени.
Пользуясь современными представлениями, можно легко понять особенности фотоэффекта. При увеличении интенсивности светарастёт число фотонов, тогда как энергия каждого фотона остаётся прежней. Фотон поглощается полностью и его энергия передаётся одному электрону. Поэтому число свободных электронов растёт, а их кинетическая энергия остаётся постоянной.
При увеличении частоты света растёт энергия каждого фотонов поэтому увеличивается и скорость свободных электронов. Легко понять также появлении определённой граничной частоты фотоэффекта: когда для данного металла работа выхода одного электрона больше, чем энергия одного фотона, фотоэффект не наблюдается.
Распространение световой волны рассматривается в современной теории так же, ка это делалось раньше в волновой теории, с той разницей, что испускания света веществом, наоборот, главную роль играет энергия фотона и лучше пользоваться представлением о свете, как о потоке частиц.