- •Часть 4. Оптика. Квантовая физика а.В. Петров, а.А. Петров
- •Программа курса Лекционный курс
- •Тематика практических занятий
- •Основные формулы по геометрической и волновой оптике
- •Глава I. Оптика
- •§1. Развитие представлений о природе света
- •§2. Отражение и преломление света
- •§3. Волновые свойства света
- •§4. Оптические приборы
- •Глава II. Оптика в таблицах и схемах
- •§2. Элементы волновой оптики
- •Для любознательных
- •Глава III. Квантовая физика
- •§1. Зарождение квантовой теории
- •Для любознательных фотоны
- •§2. Открытие фотоэффекта
- •Глава IV. Атомная физика
- •§1. Модели атома Томсона и Резерфорда
- •§2. Спектр атома водорода по Бору
- •Глава V. Физика атомного ядра
- •§1. Состав атомного ядра
- •Свойства ядерных сил
- •§2. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер
- •§3. Радиоактивность
- •§4. Закон радиоактивного распада
- •Глава VI. Элементарные частицы
- •Глава VII. Квантовая физика в таблицах и схемах
- •Свойства фотонов
- •Для любознательных
- •Эвристические задачи
- •Задачи к контрольной работе по оптике и квантовой физике
- •Вопросы к экзамену по оптике и квантовой физике
- •Геометрическая оптика. Законы отражения и преломления света. Полное отражение. Рассмотрение законов преломления и отражения с позиции принципа Гюйгенса. План ответа
- •Волновые свойства света. Интерференция света. Дифракция света. Поляризация света. Дисперсия света. План ответа
- •Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Свойства ядерных сил. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер. План ответа
- •Радиоактивность. Законы смещения. Закон радиоактивного распада. План ответа
- •Систематика элементарных частиц. Основные свойства элементарных частиц. Лептоны и адроны (мезоны, барионы). Типы взаимодействия в природе. План ответа
- •Рекомендуемая литература
- •Содержание
- •Контрольные работы
Часть 4. Оптика. Квантовая физика а.В. Петров, а.А. Петров
ВЕДЕНИЕ
Оптика. Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
В течение последних двух с половиной столетий представление о природе света претерпело весьма существенные изменения. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света. Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в так называемом «мировом эфире» — неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Обе теории удовлетворительно объясняли закономерности, присущие некоторым световым явлениям, например законы отражения и преломления света. Однако такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, не укладывались в рамки этих теорий.
До конца XVIII столетия подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX в. благодаря исследованиям Юнга (1801 г.) и Френеля (1815 г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса — Френеля. Волновая теория Гюйгенса — Юнга — Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма сомнительной. Однако в 60-х годах прошедшего столетия, когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и их носителем является электромагнитное поле. Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мк, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света.
Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX столетия. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему. Изучение данных о спектрах, свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. что свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами). Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц — фотонов. Таким образом, в начале текущего столетия возникла новая теория о природе света — квантовая теория. По современным воззрениям, свет есть сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией. Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей.
Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.
Предлагаемое читателю издание предназначено для введения в курс общей физики студентов первого курса ФМФ, для активизации их школьных знаний по физике и является, таким образом, пропедевтическим курсом.
Он предполагает соответствующий итоговый экзамен. На экзамене студенты имеют право пользоваться краткими планами ответов, которые представлены в пособии.
Для читателей, умеющих самостоятельно работать с учебником и заинтересованных в более глубоком освоении элементарной физики, в пособии предлагается дополнительная литература, без которой нельзя стать специалистами в области физики.
Данное методическое пособие мы снабдили специальными таблицами и схемами по всем разделам физики, которые позволяют систематизировать учебный материал, выступать в роли своеобразных методических опор при конструировании ответов по различным темам, а также в качестве проверочного материала, позволяющего самостоятельно оценивать свои знания. Предусмотрели материал и для любознательных, который в той или иной степени расширяет и углубляет знания в области физики и приучает «заглядывать за угол», без чего не может состояться будущий ученый.