Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

З кінця XVII ст. в оптиці йшла боротьба між корпускулярною і хви-

льовою теоріями світла. Автор першої (і Ньютон) вважав світло

 потоком 

корпускул

 (від лат. "согризкиїа" - тільце), ЯКІ викидаються світним тілом і 

летять у просторі прямолінійно, 3 цим уявленням добре узгоджувались 

відомі на той час закон прямолінійного поширення світла і закон відби-
вання, Теорія Ньютона пояснювала і закон заломлення світла, причому з неї 
випливало, що в густішому середовищі світло поширюється з більшою 
швидкістю, ніж у менш густому. 

Хвильову теорію світла запропонував сучасник Ньютона голландсь-

кий учений X. Рюйгенс. Вона ґрунтувалась на аналогії між світловими 

явищами і хвилями, які спостерігаємо на поверхні води або іншої рідини» 
Теорія Гюйгеиеа була дещо формальною. Вона не пояснювала основного 
закону - закону прямолінійного поширення світла, її автор не вживав на-

віть поняття довжини хвилі. З цієї теорії випливало, що швидкість світла 
велика в менш густих середовищах і має менше значення в більш густих. 

Суперечність між корпускулярною і хвильовою теоріями в питан-

ні нро швидкість поширення світла була очевидною, 

Ньютонівська корпускулярна теорія світла панувала аж до 1818 р. 

У цьому році на одному із засідань Паризької академії наук розглядалася 

доповідь О. Френеля, в якій було викладено теорію, що пояснювала пря-

молінійність поширення світла, при цьому світло розглядалось як потік 
хвиль.

 Закон прямолінійного поширення світла

, відомий ще за дві тисячі 

років до Френеля, був обгрунтований з позицій хвильової теорії світла. 
З цього моменту хвильова теорія надовго запанувала. 

Тим часом М. Фарадей показав, що оптичні явища не є ізольованим 

класом процесів і що існує зв'язок між оптичними і магнітними явищами. 

Нарешті, теоретичні дослідження Дж. Максвелла (1865) показали, що 

зміни електричного і магнітного полів не локалізовані в просторі, а по-
ширюються із швидкістю, яка дорівнює швидкості світла. Цей теоретич-
ний висновок пізніше був підтверджений дослідами

 Г.

 Л Герца і

 П. N1

 Ле-

бедева. Отже, за Максвеллом, світло - електромагнітна хвиля, яка поши-
рюється в середовищі зі швидкістю 

(20.1) 

увц 

де

 с -

 швидкість світла у вакуумі;

 V

 - швидкість світла в середовищі, яке 

має відносну діелектричну проникність є і відносну магнітну проникність 

|і. За означенням, показник заломлення світла 

Останнє співвідношення зв'язує оптичні, електричні і магнітні харак-

теристики речовини. Але з нього не випливає залежність показника зало-

45(1 

млення речовини від довжини світлової хвилі, хоча досліди показують, 
що така залежність існує (це явище називають

 дисперсією світла

). Теорія 

Максвелла не могла пояснити це явище. Це зробив Г. А. Лоренц, який 
створив

 електронну теорію світла.

 Однак незабаром було з'ясовано, що 

за допомогою електронної теорії не всі дослідні факти можна пояснити. 

Ці утруднення були пояснені квантовою теорією світла, яку запропо-

нував у 1900 р. М. ГІланк. Теорія Планка, грунтуючись на ідеї дискретності 
всіх процесів, у тому числі й оптичних процесів випромінювання світла, 

дала можливість пояснити явища, які суперечать теорії Лоренца. Квантову 
теорію світла далі розвивали в своїх працях А. Ейнштейн, Н. Бор, В. Гей-

зенберг, Е. Шредінгер, П. Дірак та ін. На основі сучасних уявлень 

світло мас подвійну корпускулярно-хвильову природу (корпуску-

лярно-хвильовий дуалізм): з одного боку, воно має хвильові власти-

вості (явища інтерференції, дифракції, поляризації), з другого - це 
потік частинок - фотонів, які мають нульову масу спокою і рухають-

ся зі швидкістю, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі. Корпуску-
лярно-хвильовий дуалізм - це прояв найзагальнішого взаємозв'язку 

двох основних форм матерії, які вивчає фізика, - речовини і поля. 

§ 181. Електромагнітна природа світла 

Під

 світлом тепер розуміють електромагнітне випромі-

нювання, яке сприймає око людини. Довжина хвиль сприйнятого 
електромагнітного випромінювання лежить в інтервалі від 0,38

 до 

0,76 мкм. У фізиці часто називають світлом і невидимі електромагні-

тні

 хвилі, що лежать за межами цього інтервалу: від 0,01 до 340 мкм. 

Це пов'язано з тим, що фізичні властивості цих електромагнітних 

хвиль близькі до властивостей світлових хвиль. 

У 1873 р. Дж. Максвелл сформулював рівняння, які встановлюють в 

будь-якій точці простору і в будь-який момент часу зв'язок між значеннями 
напруженості електричного Е і індукцією магнітного

 В

 полів, густин елек-

тричного струмів і і зарядів. З теорії Максвелла випливало, що зміни елект-
ричних і магнітного полів взаємозв'язані. На основі цієї теорії було сфор-

мульовано найважливіше поняття у фізиці -

 електромагнітне поле.

 У рів-

няння Максвелла ввійшла швидкість, з якою мають поширюватись у прос-

торі змінювані електричне і магнітне поля, тобто електромагнітна хвиля. Ця 

швидкість дорівнює швидкості

 світла.

 Ось що про це сказав Максвелл: 

"Навряд чи ми можемо уникнути висновку, що світло - це поперечний хви-
льовий рух тієї самої природи, яка спричинює електричні і магнітні явища". 
Отже, на основі своїх теоретичних досліджень Максвелл зробив висновок: 

світло мас електромагнітну природу. 

15* 

451 

Електромагнітна теорія світла експериментально була підтверджена в 

дослідах Герца, який показав, що електромагнітні хвилі, як і світло на 

межі поділу двох середовищ, зазнають відбивання і заломлення. Крім то-
го, тотожність природи світлових і електромагнітних хвиль підтверджу-

валась однаковою швидкістю їх поширення. 

З рівнянь Максвелла для електромагнітного поля, що визначають 

зв'язок між Е і

 В,

 виведено формулу (20.1), яка пов'язує швидкість поши-

рення світла і електромагнітних хвиль у речовині з її електричними і маг-
нітними властивостями. 

Амплітуди

 гармонічних коливань частоти

 V

 (частота хвилі), які здійс-

нюють вектори Е і

 В

 електромагнітної плоскої монохроматичної хвилі, 

що поширюється, описуються виразами 

Е = Е

0

 8ІП(27ІУ

£ +

 Ф

0

 ),

 В = В

0

 5ІП(27СУҐ

 +

 Фо

), 

(20.2) 

де

 Е

0

 і

 В

0

 -

 максимальні (амплітудні) значення векторів

 Е

 і

 В;  ф

0

-

початкова фаза. Вектори

 Е

 і

 В

 завжди взаємно перпендикулярні і перпен-

дикулярні до напряму поширення (рис. 20.1) хвилі. 

Електромагнітні хвилі - поперечні. 

З рис. 20.1 видно, що вектори

 Е

 і

 В 

змінюються з часом за гармонічним 
законом. Вони одночасно досягають 
максимального і мінімального (нульо-

вого) значень. За час, який дорівнює 
періоду коливань Г, вектори мають ма-
ксимальні значення в моменти часу

 ТІ А 

і 3774 і нульові значення в моменти ча-

су 0,

 ТІ

2 і

 Т. Довжиною хвилі X називають відстань, яку електромагніт-

на хвиля проходить за час, що дорівнює періоду Т, тобто за час повного 
коливання векторів Е і В: 

Рис. 20.1 

Х = сТ. 

(20.3) 

Параметри, які характеризують електромагнітну хвилю, пов'язані між 

собою співвідношенням 

с = 

(20.4) 

Поняття електромагнітної природи світла не тільки пояснювало спо-

стережувані світлові явища, а й дало можливість передбачити таке явище, 
як тиск світла, який експериментально вста-новив російський фізик П. М. 
Лебедєв (1899). Це було справжнім тріумфом електромагнітної природи 
світла. Ось що писав англійський фізик Томсон: "Я все своє життя воював 

452 

з Максвеллом, не визнаючи його світлового тиску, і ось досліди Лебедєва 
змусили мене здатися". Отже, 

світло - це електромагнітні хвилі, які можуть поширюватись як у 

середовищі, так і у вакуумі. 

§ 182. Швидкість поширення світла 

Досліди Ремера і Майкельсона 

З давніх давен люди робили спроби виміряти швидкості світла 

і звуку. Першу спробу визначити швидкість світла зробив Г. Галілей у 

1607 р. Він запропонував метод визначення швидкості світла, схожий на 
гой метод, за допомогою якого він визначив швидкість звуку. Але ця 

спроба зазнала невдачі. Труднощі вимірювання швидкості світла зв'язані 
з тим, що вона дуже велика. Тільки в 1675 р. датський астроном О. Ремер, 
спостерігаючи затемнення супутників Юпітера, показав, що

 швидкість 

поширення світла - величина скінченна.

 Схему методу Ремера зображено 

на рис. 20.2. Відстань від Юпітера (Ю) до Сонця більша за відстань від 
Землі (3) до Сонця приблизно в 5 раз. Метод Ремера ґрунтується на спо-

стереженні затемнення супутника Юпітера 1/

0

. Ремер визначив, що при 

спостереженні затемнення тоді, коли Юпітер і Земля знаходяться на най-

меншій відстані між собою (положення Ю] і Зі), затемнення настає рані-
ше, ніж тоді, коли планети найбільше віддалені одна від одної (положен-
ня Ю

2

 і 3

2

). Запізнювання затемнення пов'язане з тим, що при найбіль-

шому віддаленні планет одна від одної світло має пройти додаткову від-

стань, яка дорівнює діаметру орбіти Землі. Знаючи час запізнення за-
темнення і діаметр орбіти Землі, можна визначити швидкість світла. У той 
час Ремер не міг знайти досить точного значення швидкості світла, бо 

діаметр земної орбіти не був ще виміряний досить точно та й точність 

вимірювання часу була не дуже висока. Сучасне значення швидкості сві-

тла за методом Ремера, близьке до 3-Ю

8

 м/с. 

Було запропоновано ще 

кілька методів вимірюван-
ня швидкості світла. Впер-
ше в земних умовах швид-
кість світла виміряв фран-
цузький фізик І. Фізо в 

1849 р. Метод Фізо також 

дав значення швидкості світ-
ла, близьке до 3-Ю

8

 м/с. 

Згодом метод Фізо вдоско-

Рис. 20.2 

453 

2 налив американський фізик А. Майкель-

?

сон. Схему досліду Майкельсона подано 
на рис. 20.3. 

Для вимірювання швидкості світла 

Майкельсон скористався двома гірськи-
ми вершинами (Антоніо і Вільсон), від-
стань / між якими було старанно вимі-
ряно. На вершині однієї гори було вста-
новлено джерело світла 5. Світло від 

Рис. 20.3 нього, пройшовши щілину Д падало на 

восьмигранну дзеркальну призму

 А. 

Відбите від дзеркальної грані призми світло падало на вгнуте дзеркало В, 
встановлене на вершині іншої гори. Відбившись від нього, світло падало на 

дзеркало

 т

 і, відбившись, знову на дзеркало

 В,

 після чого потрапляло на дру-

гу грань дзеркальної призми

 А.

 Відбите від призми

 А

 світло вловлювалось за 

допомогою зорової труби С. Призма

 А

 оберталася з такою швидкістю, щоб у 

зорову трубу С безперервно було видно зображення щілини О. Це можливо 
тоді, коли за час повороту призми на 1/8 оберту світло проходить відстань 

21.

 Майкельсон визначив швидкість світла, близьку до 3-Ю

8

 м/с. 

Крім того, він визначив швидкість світла у вакуумі та інших середо-

вищах. З цих дослідів було зроблено важливі висновки: 

по-перше, швидкість світла у вакуумі більша, ніж в інших середо-

вищах; по-друге, швидкість світла не залежить від швидкості джере-

ла, тобто світло не підпорядковується класичному правилу додаван-
ня швидкостей. 

Це дослідне положення -

 незалежність швидкості світла від швидко-

сті джерела -

 лежить в основі теорії відносності. У природі не існує 

швидкості, більшої від швидкості світла у вакуумі. За сучасними даними, 

швидкість світла у вакуумі

 с

 = (299792,5 ± 0,4)10

3

 м/с. Отже, 

електромагнітна хвиля у вакуумі поширюється із швидкістю 

с = 3-10

8

 м/с. 

§ 183. Джерела світла 

Джерела світла 

Під джерелами світла розуміють перетворювачі різних ви-

дів енергії в електромагнітну енергію оптичного діапазону

,

 з умовними 

межами у вакуумі від

 10~

3

 м

 до

 10~

9

 м. Джерела світла поділяють на 

природні і штучні. 

454