Волновая и корпускулярная теория

Свет — небольшая часть широкого диапазона электромагнитных волн. Но это та часть, которую мы можем воспринимать непосредственно одним из наших чувств — зрением. Чтобы визуализировать природу электромагнитного излучения, давайте представим простую модель. Мы можем считать, что атом обладает раковинообразной структурой. Орбиты электронов на различных расстояниях от ядра — это делает атом похожим на солнечную систему.

Допустим, мы прилагаем внешнюю энергию, например, тепловую, или, бомбардируя атом другими электронами, чтобы оттолкнуть их от ядра. Электрон перемещается на орбиту с более высоким энергетическим уровнем — при этом полученная извне энергия сохраняется как потенциальная.

Когда электрон возвращается обратно на предыдущую орбиту с более низким энергетическим уровнем, первоначальная энергия освобождается в определенной форме. Электрон смещается из более высокого энергетического состояние в более низкое, и излучает энергию в форме электромагнитного излучения. Колеблющийся электрон, таким образом, являющийся носителем изменяющихся энергетических уровней, возмущает электрическое поле. Любые изменения электрического поля влияют на магнитное поле.

Это приводит к волнообразному возмущению магнитного поля, распространяющемуся во всех направлениях. Это и есть электромагнитное излучение. Длина волн электромагнитного излучения зависит от частоты колебания. Энергия пропорциональна частоте колебания, что означает то, что при увеличении энергии длина волны уменьшается. Диапазон электромагнитных волн простирается практически бесконечно — от чрезвычайно короткой длины волны высокоэнергетического гамма-излучения до длинных радиоволн. Мы воспринимаем крошечную секцию этого диапазона — волны длиной от 400 до 700 нм — как свет.

Длина волны светового излучения связана с нашим восприятием цвета. Так, мы воспринимаем изучение с длиной волны от 400 до 500 нм как оттенки синего, длиной волны 500—600 нм — как зеленый, и 600—700 нм — как красный. Амплитуда волны ассоциируется с интенсивностью излучения, в случае светового излучения — с яркостью. Частота — это количество колебаний в секунду. В вакууме электромагнитное излучение распространяется с постоянной скоростью (примерно 300 000 км/с). Следовательно, более короткие длины волн обладают более высокими частотами. В таблице на следующей странице сравниваются длины волн света и других основных источников излучения.

Корпускулярная теория. Волновая теория объясняет многие оптические явления и при этом абсолютно отказывается объяснять другие. Более полезна альтернативная корпускулярная теория. В этой теории свет рассматривается как сверхмалые пакеты энергии с фиксированной массой, так называемые кванты или фотоны света. Вот упрощенная модель корпускулярной теории, пригодная для наших целей:

Главные конструктивные блоки атома известны: это сравнительно тяжелые положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны, вместе образующие атомное ядро. Отрицательно заряженные электроны, масса которых составляет примерно У2000 массы протона, расположены на достаточно удаленных от ядра орбитах. При определенных условиях протон может потерять положительный заряд и превратиться в нейтрон. Это явление, называемое «бета-распадом» вызывает образование других легких частиц: нейтрино, вид незаряженного электрона и позитрон, или положительно заряженный электрон. Есть доказательства существования данных частиц.

Если положительно заряженный позитрон встречается с нормальным (отрицательным) электроном, два противоположных заряда взаимно нейтрализуются. Малая масса двух частиц исчезает и становится энергией. Возникшая в результате этого энергия образует пакет из двух фотонов (квантов света). Этот процесс известен как взаимная аннигиляция.

Это явление обратимо. Когда электромагнитное излучение проникает в поле атомного ядра, оно может опять создать электрон и позитрон. Процесс взаимного образования преобразует два фотона в первоначальную пару электрон/ позитрон. В общих чертах, корпускулярная теория подразумевает связь образование света с частицами энергии, распространяющимися во всех направлениях. Можно даже совместить две теории света, рассматривая электромагнитное излучение, как совокупное действие сверхмалых фотонов.