Давление света интересные факты. Общие сведения о свете

Привет всем! Сегодня расскажу немного о свете, как о физическом явлении, а не о девушке с именем Света.

И сказал Бог – “Да будет Свет!”… По мнению ученых. эта команда прозвучала не раньше чем через полмиллиона лет после Большого Взрыва, так как раньше этого момента фотоны света просто не имели возможности свободно передвигаться из-за “тесноты” и плотности материи.
Эти фотоны мы можем видеть до сих пор, правда только с помощью чувствительных приборов. Они составляют так называемое фоновое микроволновое излучение, которое представляет собой отзвук того самого Большого Взрыва.
Свет распространяется с максимальной скоростью ~299.8 тысяч километров в секунду только в абсолютом вакууме. Чем больше плотность среды, тем медленнее распространяется свет, например в алмазе эта величина почти в 2.5 раза меньше – 124 тысячи километров в секунду.
Такая закономерность (пункт 3) не случайна – при попадании фотонов в толщу алмаза они многократно переотражаются от узлов кристаллической решетки, снова и снова… Именно из-за этого долгого запутанного путешествия бриллианты имеют свой особый неповторимый блеск.
С точки зрения физики очки корректируют зрение именно потому, что материал линз имеет бОльшую, чем окружающий воздух, плотность, и световые лучи задерживаются в нем при прохождении через различные участки на различный период времени.
Древнегреческий философ Платон считал, что мы можем видеть окружающие предметы благодаря особым светящимся щупальцам, которые растут из наших глаз и постоянно “пробуют” окружающее.
Что удивительно, Платон был отчасти прав – наше тело действительно светится благодаря явлению биолюминесценции. Особенно ярко мы светимся после полудня, а самые яркие места – губы и щеки. Это явление происходит из-за химических реакций и освобождения так называемых свободных радикалов.
Биолюминесценция является основным источником света в океане – 90% всех живых существ на глубине более 300 метров натуральным образом светятся, что можно видеть невооруженным взглядом, в отличие от свечения человека.
Лампы накаливания превращают в свет менее 10% электроэнергии, которую потребляют. Остальные 90% преобразуются в тепло. К 2012 году во многих странах Европы такие лампы могут оказаться под запретом.
Свет не имеет массы, но обладает кинетической энергией, “давя” на освещаемый объект. Эту энергию конструкторы давно пытаются использовать для движения космических аппаратов.
С помощью лазерного дальномера определено, что Луна удаляется от Земли ежегодно почти на 4 сантиметра.
Видимый нашими глазами свет – это только одна десятимиллиардная от всего многообразия электромагнитного излучения – от низкочастотного до гамма-лучей, пронизывающего окружающее пространство.
Золотые рыбки умеют видеть в инфракрасном свете, а жуки, птицы и ящерицы – в ультрафиолетовом.
Слово “фотография” означает “писать с помощью света”. Этот термин в 19 веке придумал астроном Джон Гершель, который открыл ультрафиолетовое излучение.
Продолжительность дня и ночи одинакова на всей Земле в день весеннего равноденствия, который в этом году приходится на 20 марта.
Северное сияние появляется, когда частицы солнечного света возбуждают атомы в верхних слоях атмосферы. Атомы кислорода светятся зеленым, азот – голубым и красным.
Коренные эскимосы считают, что северное сияние – это игра духов в мяч черепом моржа. Выдумщики!

Свет – это удивительное явление, он в прямом и переносном смысле озаряет нашу жизнь множеством способов.

ООН объявила 2015 год Международным годом света, чтобы продемонстрировать "жителям Земли важность света и оптических технологий в жизни, для будущего и для развития общества".

Солнечный свет 1. Солнце на самом деле белое, если смотреть из космоса, так как его свет не рассеивается нашей атмосферой. С Венеры вы вообще не увидите Солнце, так как там атмосфера слишком плотная.2. Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.
3. Солнечный свет может проникать на глубину океана примерно на 80 метров. Если спуститься на 2000 метров глубже, то там можно обнаружить биолюминесцентного морского черта, который заманивает своих жертв светящейся плотью.
4. Растения зеленые, так как они отражают зеленый свет и впитывают другие цвета для фотосинтеза. Если вы поместите растение под зеленый свет, оно, скорее всего, погибнет.
5. Северное и южное полярное сияние возникает, когда "ветер" от солнечных вспышек взаимодействует с частицами земной атмосферы. Согласно легендам эскимосов, полярное сияние – это души умерших, играющих в футбол с головой моржа.
6. За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет.

Интересные факты о свете
7. Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.

8. Световой чихательный рефлекс, который вызывает неконтролируемые приступы чихания в присутствии яркого света, встречается у 18-35 процентов людей, хотя никто не может объяснить, почему он возникает. Один из способов справится с ним - носить солнечные очки.
9. При двойной радуге, свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.
10. Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет, в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.
11. Ниагарский водопад был впервые электрически подсвечен в 1879 году, и освещение было равноценно подсветке 32 000 свечей. Сегодня подсветка Ниагарского водопада равноценна освещению 250 миллионами свечей.
12. Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.

Законы света
13. Свет обладает импульсом. Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.

14. Глаза лягушки настолько чувствительны к свету, что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.
15. Видимый свет является лишь частью электромагнитного спектра, который видят наши глаза. Именно поэтому светодиодные лампы такие экономичные. В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы излучают только видимый свет.
16. Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.
17. Чтобы изучить, как наши глаза воспринимают свет, Исаак Ньютон вставлял иглы в глазницу. Он пытался понять является ли свет результатом того, что исходит извне или изнутри. (Ответ: оба предположения верны, так как палочки в глазах реагируют на определенные частоты).
18. Если бы Солнцу внезапно пришел конец, никто на Земле не заметил бы этого еще в течении 8 минут 17 секунд. Это время, которое требуется солнечному свету, чтобы достичь Земли. Но не беспокойтесь, у Солнца осталось топлива еще на 5 миллиардов лет.
19. Несмотря на название, черные дыры на самом деле являются самыми яркими объектами во Вселенной. Несмотря на то, что мы не можем заглянуть за горизонт событий, они могут генерировать больше энергии, чем галактики, в которых они расположены.
20. Радуга возникает, когда свет встречается с каплями воды в воздухе, преломляется и отражается внутри капли и снова преломляется, оставляя ее.

Общие сведения о свете.

Свет – электромагнитная энергия, которая после взаимодействия с окружающей средой попадает в глаз, где в результате химических и физических реакций вырабатываются электроимпульсы, воспринимаемые мозгом.

Через опыт наш мозг учится определять и распознавать множество образов и отпечатков, которые создает свет об окружающей нас действительности. Младенец берет предмет, глядит на него мгновение, затем тащит в рот. Его язык - это прекрасный датчик, и может определять форму и вид поверхности предмета практически так же, как и глаз, а иногда и лучше. Ребенок учится ассоциировать то, что он видит с той формой, которую ему описал язык. Со временем ребенок узнает, что один и тот же предмет может выглядеть по-разному в зависимости от того, как его держать, хотя он по-прежнему является тем же самым предметом. Это очевидно - подумаете вы, но было обнаружено, что слепым с рождения людям, которым медицина вернула зрение, понять вышеизложенное очень сложно. Им также сложно усвоить смысл тени и отражения, суть которых зрячие люди познали еще от рождения. И сам факт того, что вы можете видеть, еще не означает, что вы можете понять то, что видите.

В этом и заключается разница между Данными (Data) и Информацией (Information). Данные - это световой образ, формирующийся на сетчатке глаза. Информация - это интерпретация этого образа нашим мозгом.

Создавая изображение любого вида, вы пытаетесь сформировать световой образ на сетчатке глаза таким образом, чтобы он интерпретировался мозгом как предмет, который отображает это изображение. Тренированный мозг может извлечь огромное количество информации из изображения. Благодаря этому в голове мы можем получить полное трехмерное преставление сцены, изображенной на двухмерной картинке. Чтобы получить это, наш мозг анализирует порядок взаимодействия света со сценой (набором объектов изображенных на картинке) и на основе такого анализа данных выдает нам конечное трехмерное представление сцены.

Разнообразие моделей освещения, применяемых в процессе формирования изображений компьютером, - это попытка увеличить количество информации, которую мозг сможет извлечь. Когда вы, как программист, будете писать фрагменты кода, отвечающего за графику, вам не следует думать: "Я пишу процедуру затенения по Фонгу", вместо этого вам следует рассуждать так: "Я использую визуальный трюк для корректной интерпретации мозгом".

Человеческий мозг может извлечь и интерпретировать 4 информационных ресурса из потока видимых данных.

Это внешний вид объекта (предмета) в сцене, его видимые границы и края. Глаз человека обладает способностью улучшать четкость воспринимаемого изображения, что позволяет увереннее распознавать края предметов; (к месту сказать, что многие компьютерные программы для обработки изображений используют алгоритмы, позволяющие получать улучшения четкости, подобные тем, какие производит глаз человека.)

2) Оттенки

Блики и тени. Тон и структура поверхностей.

Три цвета могут быть обнаружены человеческим глазом - красный, зеленый и синий.

4) Движение.

Мозг человека особенно восприимчив к движению объектов. Прекрасно "камуфлированное" животное мгновенно будет обнаружено, если оно пошевелится. Очень часто, если вы потеряли курсор на экране монитора, лучший способ найти его - двинуть мышкой.

Специальные отделы головного мозга отвечают за обработку этих четырех информационных ресурса. Это было неоднократно доказано в случаях анализа черепно-мозговых травм, получаемых человеком. Как только человек получает травму и лишается отдела головного мозга, отвечающего за любой из вышеперечисленных ресурсов, то он сразу утрачивает способность к восприятию этой информации. Например, в одном случае женщина потеряла способность ощущать движение. Она могла видеть так же, как все, за исключением способности чутко определять движение объектов. Например, она могла видеть автомобили на дороге, но никогда не могла сказать с первого взгляда - движутся они или нет.

Способность к восприятию принимается человеком как само собой разумеющееся. Принято считать, если вы можете видеть, то, значит, вы в состоянии определить форму, оттенки, цвет и движение. Но это не всегда так.

Не менее важной является информация, которую мозг добавляет или удаляет во время анализа. Когда мы созерцаем, мы имеем дело с гигантскими объемами информации. Было бы просто невозможным проанализировать и запомнить все сведения до мельчайших деталей. Да это и не нужно. Большая часть сведений (данных), поступающих нам через зрение, не обладают какой-либо ценностью. Мозг автоматически производит фильтрацию этого "мусора", позволяя нам сконцентрироваться на более значимой информации. Что еще более важно, мозг также добавляет недостающую информацию. Человеческое зрение имеет "мертвые зоны", но, тем не менее, мы этого не замечаем, потому что пробелы будут всегда заполнены подходящей информацией. Наш мозг много прощает.

Для программиста это означает то, что ему совсем не нужно прорисовывать изображение с точностью до мельчайших деталей. Большинство из этих деталей будет просто проигнорировано и "заполнено" чем - то другим. Ваша картина может быть значительно упрощена. Вот, например, в фильме "Возвращение Джедая" из знаменитых "Звездных Войн" один из космических кораблей в пространстве - это обыкновенный ботинок. Но никто этого не заметил, потому что ожидали видеть космический корабль, и в том месте действительно был объект, напоминающий его своей формой, поэтому все и видели именно космический корабль.

Вы можете еще более упростить свое конечное изображение, если сцена находится в движении. Нажмите паузу на видеомагнитофоне и посмотрите на неподвижное изображение, оно выглядит никуда негодным, но мы этого не замечаем, когда оно в движении.

Цель программиста, отвечающего за вывод графики в реальном времени, - обеспечить такие процедуры аппроксимации в визуализирующих фрагментах кода, которые улучшают реализм и точно передают атмосферу, дух создаваемого вами мира. Остальное пусть делает мозг. Цель программиста фотореалистичной графики - попытаться смоделировать взаимодействие света с объектами сцены настолько аккуратно, чтобы оно могло выдержать скрупулезную проверку человеческим мозгом.

Так же надо учитывать две особенности глаза:

1) Глаз приспосабливается к “средней” яркости сцены; поэтому область с постоянной яркостью на темном фоне кажется ярче или светлее, чем на светлом.

2) Еще одно важное свойство: границы областей постоянной яркости кажутся более яркими.

Этот эффект является причиной слишком резкого перепада яркости на граничных ребрах, где происходит изменение яркости между соседними плоскостями. Это явление называется эффектом полос Маха .

На рис. показаны действительные и кажущиеся изменения яркости вдоль поверхности, вызванные литеральным торможением рецепторов глаза.

Рецепторы глаза при реакции на свет подвергаются воздействию соседних рецепторов.

Рецепторы, расположенные на границе перепада яркостей с более яркой ее стороны, подвергаются более сильному раздражению, чем те, которые находятся дальше от границы. Это объясняется тем, что они < затормаживаются своими соседями с более темной стороны. И наоборот, рецепторы, расположенные на границе с более темной стороны, подвергаются меньшему воздействию, чем находящиеся дальше от границы. Причина в том, что они подвергаются более сильному торможению от соседей с яркой стороны границы.

Эффект полос Маха мешает глазу создавать сглаженное изображение сцены. Увеличивая количество полигональных граней, его можно ослабить, но полностью уничтожить нельзя.

Модель освещения.

Световая энергия, падающая на поверхность, может быть:

¾ поглощена (превращаться в тепло);

¾ отражена;

¾ пропущена.

Объект можно увидеть, если он отражает или пропускает свет. Если объект поглощает весь падающий свет, то он невидим и называется абсолютно черным телом. Количество поглощенной, отраженной или пропущенной энергии зависит от длины волны света. Если поглощаются лишьопределенные длины волн, то у света, исходящего от объекта, изменяется распределение энергии и объект выглядит цветным.Так, зеленая трава отражает зеленый свет, а остальные поглощает.

Свойства отраженного света зависят от:

¾ вида источника света;

¾ его ориентации;

¾ свойств поверхности.

Свойства объектов

Отражающие свойства объектов описываются коэффициентами отражения, коэффициентом яркости и индикатрисой отражения.

В основу классификации объектов по характеру отражения падающего света положено пространственное распределение отраженного света. Определяющее влияние на характер распределения оказывает структура поверхности объекта.

4 типа поверхностей:

1. Ортотропные поверхности отражают падающий свет равномерно (диффузно) по всем направлениям. Их называют диффузными (ламбертовскими). Эти поверхности доминируют среди естественных и искусственных объектов – пески, рыхлый снег, сухой асфальт, грунт. Отличительная особенность – независимость яркости от положения наблюдателя.

2. Зеркальные поверхности отражают падающий свет преимущественно под углом, равным углу падения. К ним относятся чистые стеклянные поверхности, пластики, металлические поверхности, лед, камни сухие, поверхности водных бассейнов. Применительно к реальным объектам термин “зеркальная поверхность” указывает на направленный характер отражения падающего света, но не означает, что отражение происходит в полном соответствии с законами геометрической оптики. Для реальных зеркальных отражений угол отражения = углу падения (идеально-отражающие поверхности - зеркало). При этом падающий свет рассеивается в некотором телесном угле относительно направления max.

3. Обратно отражающие поверхности отражают свет преимущественно к источнику. Их называют изрытыми, антизеркальными, световозвращающими. Такое отражение характерно для сельскохозяйственных культур, лугов и другой растительности.

4. Смешенное отражение . Для таких поверхностей характерно наличие 2-х или 3-х типов отражения. В общем случае можно выделить диффузную, зеркальную и обратную составляющие, а индикатриса имеет 2 max. Такое отражение наблюдается у рисовых полей, лугов, покрытых расой и др. аналогичных объектов.

С увеличением высоты шероховатостей зеркальная компонента уменьшается и отражение стремится к диффузному. Иногда диффузное отражение преобладает и для объектов с гладкими поверхностями (молочное стекло). В таком случае большая часть падающего света проникает в приповерхностный слой и рассеивается массой мелких неоднородностей (диффузное излучение из внутренних областей объекта).

Отражение диффузное

Отражение от объекта может быть диффузным и зеркальным. При диффузном отражении свет как бы проникает под поверхность объекта, поглощается и вновь испускается. Положение наблюдателя не имеет значения, т.к. диффузно отраженный свет рассеивается равномерно по всем направлениям. Зеркальное же отражение происходит от внешней поверхности объекта. При диффузном отражении поверхности имеют одинаковую яркость независимо от угла обзора.

Свет точечного источника отражается от поверхности по закону Ламберта:

Интенсивность отраженного света.

Интенсивность точечного источника.

Коэффициент диффузного отражения.

Угол между направлением света и нормалью к поверхности.

Предметы, освещенные одним точечным источником света, выглядят контрастными (предмет в темной комнате при фотовспышке). Отсутствует рассеянный свет, как в реальной ситуации, когда на объекты падает еще и свет, отраженный от окружающей обстановки, например, от стен комнаты, других предметов.

Поэтому введем коэффициент рассеяния (const):

Интенсивность отраженного света;

Коэффициент диффузного отражения рассеянного света .

Если есть 2 объекта, одинаково ориентированные относительно источника, но расположенные на разном расстоянии, то их интенсивность () по данной формуле будет одинакова. А ведь д.б. обратно пропорциональна расстоянию до объекта.

Тогда модель освещения примет вид:

Расстояние до объекта от точечного источника;

Произвольная const.

Если предполагается, что точка наблюдения находится в , то определяется положением объекта, ближайшего к точке наблюдения.

Для цветных поверхностей модель освещения применяется к каждому из 3-х основных цветов.

Зеркальное отражение

Что означает термин «идеальное зеркало»? Будем полагать, что у такого зеркала идеально ровная отполированная поверхность, поэтому одному отраженному лучу соответствует только один падающий луч. Зеркало может быть затемненным, то есть поглощать часть световой энергии, но все равно остается правило: один луч падает - один отражается. Можно рассматривать также «неидеальное зеркало». Это будет означать, что поверхность неровная. Один падающий луч порождает несколько отраженных лучей, образующих некоторый конус, возможно несимметричный, с осью вдоль линии падающего луча идеального зеркала. Конус соответствует некоторому закону распределения интенсивностей, простейший из которых описывается моделью Фонга - косинус угла, возведенный в некоторую степень.

Зеркальное отражение можно получить от любой блестящей поверхности. Осветим ярким светом яблоко – световой блик возникнет в результате зеркального отражения, а свет, отраженный от остальной части яблока – диффузный. В месте светового блика яблоко кажется не красным, а белым, т.е. окрашенным в цвет падающего света. Т.к. зеркально отраженный свет сфокусирован вдоль вектора отражения, блики при движении наблюдателя тоже смещаются.

Учитывать зеркальное отражение в модели освещения впервые предложил Фонг. Эти блики существенно увеличивают реалистичность изображения, ведь редкие реальные поверхности не отражают свет, поэтому эта составляющая очень важна. Особенно в движении, потому что по бликам сразу видно изменение положения камеры или самого объекта.

Зеркальное отражение света является направленным. Угол отражения от идеальной отражающей поверхности (зеркала) = углу падения; в любом другом положении наблюдатель не видит зеркально отраженный свет .

Для неидеально отраженных поверхностей (яблоко) интенсивность отраженного света резко падает с увеличением . У гладких поверхностей распределение узкое, сфокусированное, у шероховатых – более широкое.

Эмпирическая модель Фонга:

Кривая отражения, представляет собой отношение зеркально отраженного света к падающему, как функцию угла падения и длины волны .

Большие значения n дают сфокусированные распределения характеристик металлов и др. блестящих поверхностей, а малые – более широкие распределения для малоблестящих поверхностей.

Коэффициент отражения для металлов (n ) может быть больше 80%, а для неметаллов – всего 4%.

Функция очень сложна, поэтому ее обычно заменяют коэффициентом , который выбирается из эстетических соображений, либо определяется экспериментально.

Обычно одинакова для всех 3-х основных цветов.

Модель освещения (функция закраски):

Если есть несколько (m ) источников света, то их эффекты суммируются:

Пропускание света (прозрачность)

Поверхности могут направленно и диффузно пропускать свет. Направленное пропускание света происходит сквозь прозрачные вещества (стекло). Через них хорошо видны предметы, несмотря на то, что лучи света, как правило, преломляются, т.е. отклоняются от первоначального направления. Диффузное пропускание света происходит сквозь просвечивающиеся материалы (замерзшее стекло), в которых поверхностные неоднородности приводят к беспорядочному перемешиванию световых лучей. Поэтому очертания предмета, рассмотренного через такие материалы, размыты.

При переходе из одной среды в другую световой луч преломляется (торчащая из воды палка кажется согнутой). Преломление рассчитывается по закону Снеллиуса: падающий и преломляющий лучи лежат в одной плоскости, а углы падения и преломления определяются:

Показатели преломления двух сред.

Моделирование пропускания света осуществлялось несколькими способами. В простейшем из них преломление не учитывалось совсем и световые лучи пересекают поверхность без изменения направления. Т.о. все, что видимо на луче зрения при его прохождении через прозрачную поверхность, геометрически также принадлежит этому лучу. При наличии преломления геометрический и оптический лучи зрения не совпадают. Без учета преломления виден предмет В, с преломлением – А. На 1-ый взгляд достаточно знать угловые соотношения в точках пересечения луча с объектом. Но это не так, т.к. длина пути луча в объекте тоже меняется, 1) не совпадают т. выхода луча из объекта; 2) меняется количество поглощенного объектом света, поэтому исходящий луч имеет другую интенсивность.

Простое пропускание света можно встроить в любой алгоритм удаления невидимых поверхностей, кроме z – буфера, т.к. поверхности в нем обрабатываются в произвольном порядке. Если используется алгоритм построчного сканирования и передний многоугольник оказывается прозрачным, определяется ближайший из др. многоугольников, внутри которых находится сканирующая строка. Уровень закраски определяется как взвешенная сумма уровней, вычисленных для каждого из двух многоугольников:

Интенсивность видимой поверхности,

Общий вид модели освещения:

где а – рассеянный свет, d – диффузноотраженный свет, s - зеркальноотраженный свет, t – пропущенный свет.

С рассеянным и диффузным

С рассеянным светом

Без освещения

Специальные модели

Для исследования общих закономерностей отражения поверхностей сложной структуры используют специальные модели :

1) Модель Торрэнса-Спэрроу (фацентная модель).

Поверхность представляется в виде совокупности случайно ориентированных микроскопических зеркальных граней. Отражение от каждой микрограни определяется по формуле, затем методами геометрической оптики учитывается затенение микрограней соседними и маскирование части зеркально отраженного света соседними микрогранями. Эта модель позволяет в аналитической форме учесть длину волны и угол падения лучей.

2) Модель слоистая используется для растительности, покрытой листвой. Каждый слой образован отдельными, в общем случае не перекрывающимися площадками определенных форм и размеров и обладающими ортотропным отражением. Отражение определяется затенением отражающих площадок нижних слоев вышележащими. Получить аналитическое решение такой модели сложно, обычно используют метод Монте-Карло. Результаты моделирования показывают, что поверхности такой структуры обладают обратным отражением.

Модели, основанные на статистическом описании структуры отражающих поверхностей, сложны. Это очень ограничивает их применение в машинной графике. Обычно используют приближенные модели. Полагают, что форма индикатрисы отражения не зависит от длины волны.

Libmonster ID: RU-8780

Первые сведения о Новом Свете без использования, однако, термина "Америка" сохранились на русском языке в рукописи "Инока Максима Грека сказание отчасти недоуменных неких речений в Слове Григория Богослова", относящейся примерно к 1530 году 1 .

Комментируя одну из проповедей этого константинопольского патриарха (329 - 389 гг.), посвященную превосходству христианства над язычеством в различных частях известного тогда мира, Максим Грек без всякой связи с текстом проповеди или какого бы то ни было перехода вспоминает о следующем "недоуменном речении" Григория Богослова: "Еже бо чрез Гадир непрепловно" 2 . "Эллинские мудрецы полагали, что далее Гадира плыть нельзя, так как там югозападный конец земли, море весьма узко, течение его быстрее реки, а с обеих сторон подступили к нему высочайшие береговые горы, называемые "Геркулесовыми столбами", так как до этого места доходил сильнейший и славнейший греческий герой Геркулес, повсюду очищал вселенную от диких всяких зверей, разбойников и злодеев. Древние народы не умели плавать далее Гадира, а главное, не дерзали на это; нынешние же португальцы я испанцы, приняв все меры предосторожности, недавно, лет 40 или 50 тому назад (по истечении седьмой тысячи лет от сотворения мира), начали переплывать на больших кораблях и открыли множество островов, из коих некоторые обитаемы людьми, а другие необитаемы; и землю Кубу, настолько великую по размерам своим, что даже обитатели её не знают, где она кончается. Ещё открыли они, обогнув всю южную сторону и направившись к северо-востоку, по пути в Индию семь островов, называемых Моллукскими. На этих островах произрастает и корица, и гвоздика, и другие ароматные и благовонные растения, которые до той поры неизвестны были ни одному человеку, ныне же всем ведомы, благодаря королям испанскому и португальскому. Государи этих людей тамошних, не знавших дотоле истинного бога и поклонявшихся наиболее твари, а не Творцу, ныне обратим в свою веру, то есть в латинскую, отправив к ним "епископов, учителей и священников и также различных ремесленников и всевозможные здешние семена, и ныне там открылся новый мир и новое собрание человеческое" 3 .

Гадир - Агадир, или Гаддир Карфагенян, - был известен грекам как Гадейра, а римлянам - как Гадес. Это морской порт Кадикс (или более правильно - "Кадис), база испанских флотилий, доставлявших богатства Нового Света. Максим Грек в этом случае смешал Кадис с Гибралтарским проливом - "Геркулесовыми столбами" древних.

"Южская страда" (южная страна) Максима Грека - современная Африка. Из контекста очевидно, что Максиму Греку были известны в общих чертах плавания Васко де Гама (1497 - 1499 гг.) и других португальцев вокруг мыса Доброй Надежды к западному побережью Индии, Малаккскому полуострову (1509 - 1511 гг.), Моллукским островам (1512 г.).

"Однако упоминание о "селян" Моллукских островах ещё не доказывает, что до Максима Грека дошла хотя бы смутные сведе-

1 Максим Грек, светское имя которого было Макарий, родился в Арта (Эпир) около 1470 года. Он получил образование в Париже, Флоренции и Венеции. В Венеции Макарий познакомился с известным гуманистом и издателем - Альдусом Мануциусом. По возвращении в 1507 г. в Грецию Максим принял монашество. В 1518 г. он был направлен в Москву Ватопедской обителью на Афоне для перевода священного писания с греческого на русский язык, по предложению Василия III. Максим Грек умер в 1556 г. в Троице-Сергиевском монастыре.

2 Это выражение встречается у Григория Богослова в "Надгробном слове Василию, архиепископу Кесарии Каппадокийския" (Ч. IV, слово 43). Однако Максим Грек комментирует его в слове Григории "На святые светы явлений Господних" (Творения. Изд. Московской духовной академии. Ч. III, слово 39, стр. 253 - 256. 1844).

3 Сочинения преподобного Максима Грека в русском переводе. Ч. II. Троице-Сергиева лавра. 2911. "Объяснение отчасти неудобопонятных некоторых изречений в Слове Григория Богослова". Цитируемый отрывок на стр. 28 - 29. Русский перевод, по нашему мнению, не всегда точен: например вместо "южная сторона" следовало бы переводить "южная страна"; вместо "ремесленников"- "орудия" (в оригинале "всякое ремество").

стр. 72

ния о плавании Магеллана и Дель Кано (1519 - 1522 гг.). Насколько недостаточны были представления Максима Грека о плавании в современную Индию, показывает его сообщение, что Моллукские острова лежат на пути в Индию, если идти на северовосток от Африки 1 .

В изложении Максима Грека нет отчётливой дифференциации между географическими открытиями испанцев в Вест-Индии и открытиями португальцев в Ост-Индии. Зато Максиму Греку известны другие важные культурно-географические факты, как например перенесение европейцами в Новый Свет "реместв", т. е. своих средств производства, и "всяка семена здешняя", а также получение с Моллукских островов пряностей.

Не лишено интереса, наконец, что Максим Грек называет "землю величайшу глаголемую Куба". Это первый географический термин на русском языке, относящийся к Новому Свету. "Земля Куба" представляет, по Максиму Греку, часть материка, "еяже конца не ведают тамо живущей". Как известно, Колумб, открывший остров Кубу 28 октября 1492 г., также считал его частью Восточной Азот.

Из цитированного отрывка "Оказания инока Максима Грека" очевидно, что он не знал названия нового континента - Америки, - хотя уже пользовался термином "Новый Свет".

Нет необходимости теряться в догадках, каким путём дошли до Максима Грека эти известия об открытии Нового Света, а также пути вокруг Африки в Индию и получении пряностей с Моллукских островов. В конце XV - первом десятилетии XVI в. Максим Грек учился во Франции и Италии и был современником великих событий. Московская Русь начала XVI в. вовсе не была абсолютно изолирована от связей с Западом: достаточно напомнить о двукратном посольстве С. Герберштейна - а 1517 и 1526 гг. - в Москву и посольстве Герасимова в Рим в 1525 году. Эллинизированная транскрипция Моллукских островов также указывает на греческие каналы, по которым была получены русскими первые сведения о великих географических открытиях испанцев и португальцев. Важнее установить, что в условиях Московской Руси Максим Грек сумел получить в общем правильные представления о великих географических открытиях испанцев и португальцев конца XV - начала XVI столетия и пользовался термином "Новый Свет".

В отношении даты "Сказания" Максима Грека имеются прямые указания с его стороны. Максим Грек относит плавания испанцев и португальцев "за Гадес" к моменту, наступившему через сорок или пятьдесят лет по истечении седьмого тысячелетия от "сотворения мира", т. е. именно к 1492 г., по современному летосчислению. Это даёт основание отнести дату написания "Сказания" инока Максима Грека, - по-видимому наиболее раннего из сохранившихся документов, относящихся к первым сведениям русских о Новом Свете, - примерно к 1530 г., т. е. спустя сорок лет после плавания Колумба на запад и через тридцать лет после третьей экспедиции Америго Веспуччи (1501 - 1502 гг.).

Широкое распространение сочинений Максима Грека в Московской Руси обеспечивало проникновение в различные слои русского общества XVI в. сведений о великих географических открытиях испанцев и португальцев, в частности об открытии Нового Света 2 .

После посещения англичанином Ченслором Москвы в 1554 г., путешествия Дженкинсона через Московию в Персию в Среднюю Азию (1557 и 1562 гг.) и ряда экспедиций голландцев, из которых наиболее замечательной была экспедиция Баренца 1596 - 1597 гг., создались новые возможности для торговых и культурных отношений русских с европейцами.

Как англичане, так и голландцы в этот период искали северовосточный проход к рынкам Японии, Китая, Индии. Этой цели они, как известно, не достигли. Вместо Китая и Индии был открыт северный путь в Московию. Экспедиция Уиллоуби и Ченслора 1553 - 1554 гг., снаряженная "Компанией и Товариществом отважных купцов для открытия районов, владений, островов и неизвестных мест" (The Company and Fellowship of merchant Adventurers for the discovery of unknown lands, etc.), стала называться "Московской, или Российской, компанией". Один из прежних спутников Ченслора - Барроу - в 1556 г. достиг о. Вайгач и проник в Карское море. Конкуренты англичан - голландцы - в свою очередь, к 1577 г. установили через Белое море прочные торговые связи с Московией. В 1584 г. голландец (из Энкгюйзена) Олавер Брунель, который находился в плену у Строгановых и по их поручению ездил за Урал к Оби и в другие местности на севере, сообщил обстоятельные сведения о "земле самоедов" 3 . В задачу экспедиции

1 Максим Грек следует в этом случае средневековым представлениям о "Верхней Индии", которую полагали лежащей к северу от Китая. Эти представления удерживались и в начале нового времени (см. карту мира Мюнстера 1540 г., воспроизведенную в книге Л. Багрова "История географической карты", стр. 22. Петроград. 1917). В этой связи очевидно, что выражение Максима Грека "до востока солнца зимняго ко Индии" расшифровывается как к северовостоку в направлении к Верхней Индии (India Superior).

2 Белокуров С. "О библиотеке московских государей в XVI столетии", стр. CCXX- CCCCXIV. М. 1899. О распространённости сочинений Максима Грека свидетельствуют, например, сохранившиеся к концу XIX в. около 250 рукописных копий в 50 различных библиотеках и частных коллекциях.

3 Гомель И. "Англичане в России", стр. 211 - 213, 219. СПБ. 1869.

стр. 73

Линехотена и Баренца (1594 г.) прямо входило "плыть в Северные моря для открытия царств Катая и Китая на север от Норвегии, Московии и вокруг Тартарии" 1 .

Однако географические представления в Московской Руси развивались не только в результате усиления контакта с иностранцами, но и вследствие укрепления государства в центре и роста колонизации окраин, особенно на севере и востоке, "Изумлённая Европа, в начале княжения Ивана III едва ли даже подозревавшая о существовании Московии, зажатой между Литвой и татарами, была ошеломлена появлением огромной империи на восточных своих окраинах" 2 .

И всё же в отношении великих открытий в Новом Свете и в других частях мира введения русских в XVI в. продолжали ещё носить отрывочный характер. Лишь через полвека после "Сказания инока Максима Грека", упоминающего о Новом Свете, а Москве был закончен перевод польской "Хроники всего мире" М. Вельского. В этой "Хронике" новый континент впервые на русском языке называется Америкой.

Польский оригинал "Хроники" Вельского вышел первым изданием в 1560 году. Русские переводы делались со второго издания этой "Хроники", 1554 г., и третьего издания, 1564 года. Первый из сохранившихся переводов "Хроники" Вельского на русский язык датирован 1584 г. и сделан не с польского, а с западнорусского языка. Имеется ряд других переводов "Хроники" Вельского на русский язык.

Рукописная копия русского перевода "Хроники" Вельского, хранящаяся в Ленинградской Публичной библиотеке, представляет фолиант, состоящий из 1347 пронумерованных листов размером 29х38 сантиметров. Начало снятия копии датировано 1671 годом. Иллюстрации, имевшиеся в польском оригинале, в этой копии отсутствуют. Пустые места, оставленные для их наклейки, свидетельствуют, что иллюстрации брались из печатных текстов "Хроники". Русская копия написана скорописью.

Исследованию Америки посвящено шесть глав, занимающих листы 1213 - 1245. На листе 1304 даётся описание Нового Света. Раздел об Америке озаглавлен "О островах морских Новых" которых прозывают Ново"Свет на восток Слнца и на Запад Снца и на полден инаполунощ, окоторых островех и мудрыа философи старые немогли изведати".

Русский перевод, как правило, близко следует оригиналу, хотя встречаются сокращения, неточности, описки ("камбалы" вместо "канибалы"), недопустимые упрощения (например "унции" вместо "фунты", вместо миль - вёрсты).

В духе того времени большое место уделено повествованию о каннибалах. Немало в "Хронике" Вельского и в русском переводе её баснословных сведений о Новом Свете. Например рассказывается, что брат Христофора Колумба, Варфоломей, открыл на Испаньоле (о. Гаити) золотые месторождения, которые разрабатывались царём Соломоном.

В разделе об Америке "Хроники" Вельского излагались краткие сведения о тех, кто впервые её открыл и исследовал, о географии и туземцах новооткрытых земель. При этом в "Хронике" ещё не проводится достаточно отчётливого разделения между открытиями в Вест- и Ост-Индии.

Раздел о Новом Свете начинается с описания первого путешествия Христофора Колумба. По-видимому, это - самое раннее упоминание о Колумбе из сохранявшихся памятников русской литературы 3 . В "Хронике" сообщается ряд общих сведений о Колумбе: о том, что он итальянец, родом из "Енова" (Генуя); что, получив суда от испанского короля, Колумб отплыл 1 сентября 1498 г, из Испании и через тридцать два дня плавания открыл два острова: о. Иоанна, названный якобы в честь королевы испанской (в действительности - в честь наследника Хуана), и о. Испаина, или Ишпанна, - современный о. Испаньола" или Гаити 4 . В дальнейшем упоминается о. Куба, как не имеющий ничего общего с о. Иоанна (Хуана) Остров Иоанна, т. е. современная Куба, характеризуется как не имеющий населения; наоборот, о населении о. Ишпанна (о. Гаити) даются довольно состоятельные сведения.

Хронологические сведения о первой экспедиции Колумба в "Хронике" Вельского далеки от точности. Как известно, суда этой экспедиции вышли из порта Палое де ла Фронтера в Испании 3 августа 1491 года, 2 сентября они соединились у о. Хо-

1 Baker G. A history of geographical Discovery and Exploration, p. 122 - 123. 4930. Тартарией, илл Татарией, в XVI-XVIII столетиях называли Сибирь, или северную и северовосточную части Азии.

2 К. Маркс. "Секретная дипломатия XVIII века".

3 Yarmolinsky A. Studies in Russian Americana: I. "The Translation of Bielski Chronicle (1584). - Bulletin of the New York Public Library. Vol. 43. 1939, N 12 p. 899.

4 Как известно, Колумб отплыл из порта Палое де ла Фронтера в Исламе" 2 августа 1492 года. Через 33 неполных дня плавания, считая с момента прекращения штиля у Канарских островов, на судах экспедиции Колумба были впервые замечены огни новой земли. 12 октября 1492 г. Колумб высадился на о. Гуанахани, в группе Бермудских островов. Остров Гуанахана, названный Колумбом о. Сан-Сальвадор, - по-видимому, современный о. Уотлинг.

стр. 74

мера, в группе Канарских островов, и 6 сентября 1492 г. отплыли отсюда на запад. В ночь на 12 октября 1492 г. на кораблях экспедиции Колумба были замечены первые огни, и 12 октября Колумб впервые вступил на небольшой остров, названный им Сан-Сальвадор (Спаситель). Этот островок в группе Багамских, - по-видимому, современный о. Уотлинг - не имел ничего общего ни с о. Иоанна (Кубой), ни с о. Испанна (Испаньолой, или Гаити), которые первая экспедиция Колумба открыла позднее.

В русском переводе "Хроники" Вельского даются также сведения о второй и третьей экспедициях Колумба. При описании второго путешествия упоминаются острова Доминика, Санта-Крус и др., а также форт Томасо на Испаньоле.

В отличие от путаной и далеко не точной хронологии событий, связанных с предшествующими путешествиями Колумба, дата его третьего путешествия указывается верно; зато географические сведения, относящиеся к третьему путешествию Колумба, иногда принимают фантастический оттенок: например вместо залива Пария между о. Тринидад и южноамериканским континентом появился "остров Пария". При этом, следуя польскому оригиналу, в русском переводе испанские имена спутников Колумба латинизированы или сильно искажены: вместо "Роланд" стоит "Орландус", вместо "Педро Алонсо Ниньо" - "Петрус Алонцус", вместо "Пинсон" - "Пинцонус".

Остальная часть раздела об Америке посвящена плаваниям Веспуччи. Она начинается с сообщения о третьем путешествии, которое в 1501 г. совершил "Алберикус веспузиус ишпан". Затем идёт изложение открытий португальцев в Ост-Индии, включая плавание Магеллана, После этого следуют четыре главы, описывающие соответствующие действительные и сомнительные путешествия Веспуччи. Этим главам предшествует общее вступление-заголовок (лист 1238) "О походе амърикуса Веспуцыа; Амъмерикус прозван именем отвеликого острова америка, атот остров мошно прозвать за четвёртую часть света: а нашёл тот остров аммерикус веспуцыа" 1 .

Источники "Хроники" Вельского об Америке показывают новый канал получения географических сведений в Московской Руси XVI столетия. Это уже не религиозные источники, а книги, печатавшиеся в Базеле и составленные гуманистами. Через Польшу и Литву, пройдя этап предварительного перевода на западнорусский язык или путём непосредственного перевода польской "Хроники" Вельского на русский язык. Московская Русь получала более детальные и дополнительные сведения о великих географических открытиях, в том числе о плаваниях Америго Веспуччи и Магеллана дель Кано (1519 - 1522 гг.).

Новый подъём русской колонизации Сибири в XVII в., укрепление Московского государства после кризиса 1598 - 1613 гг., расширение экономических и культурных связей с Западом вызвали большой интерес русских к иностранным географическим и картографическим изданиям. "Что было переведено в Москве в XVII веке? Всего более интересовались географией. Все лучшие, труды по этой науке общего характера, явившиеся в Западной Европе в конце XVI и в XVII веке, были у нас переведены. Это сочинения Ботеро, Ортелиуса, Меркатора де Линда, огромный амстердамский атлас Блеу, ещё несколько сочинений, оригиналы (а вместе и авторы) которых нам неизвестны" 2 . В конце XVII в. были переведены и пользовались широким распространением в Московской Руси другие голландские атласы: (напр. - P. Goos u Da Wit.). Таким образом, образованные русские в XVII в. знали уже о Новом Свете всё, что было известно о нём европейцам в ту эпоху. https://сайт/Sechin

Искать материалы публикатора в системах: Либмонстр (весь мир) . Google . Yandex

Не так давно, в декабре 2000 года мировая научная общественность отмечала столетний юбилей возникновения новой науки – квантовой физики и открытие новой фундаментальной физической константы – постоянной Планка.

Заслуга в этом принадлежит выдающемуся немецкому физику Максу Планку. Событие это осталось практически незамеченным. Между тем, историческая дата 14 декабря 1900 г., когда на заседании Берлинского физического общества Макс Планк впервые произнес слово «квант», имеет все основания стать одним из самых значительных событий в истории человечества. С этого дня начинается отсчет того кардинального переворота в научной мысли, который к настоящему времени привел к качественно новым фундаментальным научным достижениям квантовой теории. В результате, к настоящему времени оказалась заложенной основа тем грядущим масштабным и глубоким изменениям во всех сферах общества, которые ожидают нас в недалеком будущем.

Планку удалось решить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, проблему, перед которой классическая физика оказалась бессильной. Планк первым высказал гипотезу о квантовании энергии осциллятора, несовместимую с принципами классической физики. Именно эта гипотеза, развитая впоследствии трудами многих выдающихся физиков, дала толчок процессу пересмотра и ломки старых понятий, который завершился созданием квантовой физики, что и обусловило актуальность нашего исследования.

Цель работы – проанализировать квантовую теорию света.

В соответствии с поставленными целью решались следующие основные задачи :

Рассмотреть развитие представление о природе света;

Изучить квантовые свойства света: фотоэффект и эффект Комтона;

Проанализировать квантовую теорию Планка.

Методы исследования:

Обработка, анализ научных источников;

Анализ научной литературы, учебников и пособий по исследуемой проблеме.

Объект исследования – квантовая теория света

1. Развитие представлений о свете

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:

где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде. Так как n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений.

Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.

Рис. 1. Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны.

Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:

Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу: υ < c, тогда как согласно корпускулярной теории υ > c.

Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c.

Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.

В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт .

Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν). Таким путем было найдено значение

превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис. 2. дает представление о шкале электромагнитных волн.

Рис. 2. Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10 –9 м = 10 –7 см = 10 –3 мкм.

Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм .

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений

2. Квантовые свойства света: фотоэффект. Эффект Комтона

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения . На рис. 4 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Рис. 4.Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.

Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

4) Фотоэффект практически безинерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели невозможно было также понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света .

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν (рис. 5), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:

где c – скорость света, λкр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж). В квантовой физике часто используется электрон-вольт в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно

h = 4,136·10 –15 эВ·с

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света .

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.

Энергия фотонов равна

Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0. Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,

E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 ,

следует, что фотон обладает импульсом

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Эффект Комптона

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона (1922 г.). Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии. Согласно волновой теории, электрон под действием периодического поля световой волны совершает вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты .

Схема Комптона представлена на рис. 6. Монохроматическое рентгеновское излучение с длиной волны λ0, исходящее из рентгеновской трубки R, проходит через свинцовые диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень P (графит, алюминий). Излучение, рассеянное под некоторым углом θ, анализируется с помощью спектрографа рентгеновских лучей S, в котором роль дифракционной решетки играет кристалл K, закрепленный на поворотном столике. Опыт показал, что в рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны Δλ, зависящее от угла рассеяния θ:

Δλ = λ - λ 0 = 2Λ sin 2 θ / 2,

где Λ = 2,43·10–3 нм – так называемая комптоновская длина волны, не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном излучении наряду со спектральной линией с длиной волны λ наблюдается несмещенная линия с длиной волны λ0. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.

Рис.6. Схема эксперимента Комптона

На рис.7 представлены кривые распределения интенсивности в спектре излучения, рассеянного под некоторыми углами.

Рис. 7. Спектры рассеянного излучения

Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения .

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц – налетающего фотона, обладающего энергией E0 = hν0 и импульсом p0 = hν0 / c, с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным p = hν / c, а его энергия E = hν < E0. Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения в соответствии с релятивистской формулой (см. § 7.5) становится равной где pe – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде

Закон сохранения импульса

можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 8):

Рис. 8.Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне.

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины pe можно получить

mc 2 (ν 0 – ν) = hν 0 ν(1 – cos θ).

Переход от частот к длинам волн приводит к выражению, которое совпадает с формулой Комптона, полученной из эксперимента:

Таким образом, теоретический расчет, выполненный на основе квантовых представлений дал исчерпывающее объяснение эффекту Комптона и позволил выразить комптоновскую длину волны Λ через фундаментальные константы h, c и m:

Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией с длиной волны λ наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны λ0. Это объясняется взаимодействием части фотонов с электронами, сильно связанными с атомами. В этом случае фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Из-за большой массы атома по сравнению с массой электрона атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона, поэтому длина волны λ рассеянного излучения практически не отличается от длины волны λ0 падающего излучения .

3. Квантовая теория Планка

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения нагретым телом электромагнитной энергии, происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:

где h – так называемая постоянная Планка, равная h = 6,626·10–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО.

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.

Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Решение проблемы излучения черного тела ознаменовало начало новой эры в физике. Нелегко было примириться с отказом от классических представлений, и сам Планк, совершив великое открытие, в течение нескольких лет безуспешно пытался понять квантование энергии с позиции классической физики

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная И. Ньютона и волновая Р. Гука и Х. Гюйгенса.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон, и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

В результате, многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

2) Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3) Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованности излучаемой энергии.

Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах. Она прекрасно согласуется с экспериментальными данными.

Идея квантования является одной из величайших физических идей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретный ряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законы поведения микрочастиц

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с.

2. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. - Новосибирск: Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с.

3. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с.

4. Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007

5. Покровский, А.К. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / А.К. Покровский, Л.Б. Миротин; под ред. Л.Б. Миротина. - М.: Экзамен, 2005. - 480 с

6. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с.

7. Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2004

8. Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.

Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с.

Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с.

Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. - Новосибирск: Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с.

Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007

Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с.

Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2004

Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.