Дисперсия. Самое мутное из всех понятий: даже в моём учебнике физики параграф про неё был помечен звёздочкой (повышенная сложность) - даже при том, что школа моя с углублённым изучением физики! И исписано про эту страшную дисперсию было страниц 6 с какими-то непонятными рисунками и формулами. Но всю эту малопонятную (мне, тогда) писанину можно свести всего лишь к одной фразе: дисперсия света - это зависимость показателя преломления среды от частоты (или, что то же самое, длины волны) света. То есть красный свет преломляется "лучше", оранжевый чуть "похуже", и так далее. "Лучше" и "хуже" специально пишу в кавычках, потому что ничего хорошего или плохого в такой зависимости особо и нет. Она просто есть, и всё. Если кому-то вдруг интересно, почему это вообще происходит, вперёд: хоть тот же учебник Пёрышкина "Физика 11" в руки - и в штыковую атаку на страшный параграф со звёздочкой.
Вкратце и поумнее: свет с волновой точки зрения может испытывать интерференцию, дифракцию, поляризацию и дисперсию. Интерференция волн - это увеличение или уменьшение суммарной амплитуды при наложении когерентных волн друг на друга, в случае интерференции света - ослабление или усиление интенсивности света. Когерентные волны - волны, которые имеют одинаковую длину, и разность фаз между которыми в любой точке пространства остаётся постоянной. Дифракция волн - это комплекс явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах или при огибании ими препятствий. При дифракции на щели в препятствии и размерах щели, близких к длине волны дифрагирующей волны, такая щель становится источником вторичных когерентных волн, которые интерферируют. В случае света в результате дифракции возникает интерференционная картина, например, в опыте Юнга. Поляризация - это явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне относительно направления её распространения. Различают линейную, круговую и (в общем случае) эллиптическую поляризации, в каждом из случаев вектор амплитуды поперечной волны, колеблясь, описывает соответствующую фигуру. В случае поляризации света можно также получить его линейную поляризацию, пропустив свет через поляризатор (например, узкую вертикальную щель), при повороте анализатора (другая узкая щель) можно добиться как полного пропускания поляризованного света, так и полного его непропускания (темнота). Дисперсия - это явление, заключающееся в зависимости скорости волны от её частоты. В случае света это зависимость показателя преломления от длины волны света.
Как только не вертим этот бедный свет - и прямой его представляли, и двумя переплетёнными синусами... Но и это ещё не предел! Между этими двумя представлениями вкрапливается ещё одно, к счастью, последнее: свет - это поток частиц! Исторически сложилось так, что какое-то количество народу придерживалось именно такой точки зрения (это называли корпускулярной теорией, "корпускулы" означает "частицы"), в то время как другие рьяно утверждали, что свет - это волна. В итоге и одни, и другие ставили эксперименты, которые подтверждали свою теорию, опровергали теории противников и якобы разбивали последних в пух и прах. В конце концов сошлись на боевой ничьей: свет теперь считается и потоком частиц, и волной одновременно. Я не знаю, как это можно представить глазами, но современная наука отказываться от этого точно не будет и гордо величает всё это хозяйство "корпускулярно-волновой дуализм света".
Но это так, история. А в этом абзаце речь пойдёт как раз о "частичечной" стороне света, которой, кроме всех прочих, занимался не кто иной, как сам Эйнштейн. И самая её основная (и, пожалуй, единственная изучаемая в школе) часть - это явление фотоэффекта, или фотоэлектрического эффекта. Грубо говоря, это означает, что если включить в простенькую электрическую цепь, например, кусочек металла, то при его освещении по нему может как бы сам собой пойти ток. Звучит как обман? Так, да не так. Потому что не все металлы хорошо дают ток при освещении, и не любой свет даёт ток. Вообще, это правильно называется "внешний фотоэффект" - выбивание электронов из металла под действием света. Есть ещё внутренний фотоэффект, когда электроны тоже выбиваются, но не с поверхности металла, а остаются внутри (откуда и куда именно выбиваются, говорить не стану, в школе всё равно это не проходят). У него есть три закона, из-за которых не удаётся получить ток, просто светя на всё, что может проводить. Во-первых, количество электронов, выбиваемых с поверхности металла в единицу времени, прямо пропорционально освещённости поверхности: чем больше света падает на поверхность, тем больше электронов он выбивает. Логично. Во-вторых, энергия движения электрона (кинетическая которая) от освещённости не зависит, бОльшим количеством света электроны не разгонишь! А зависит она от частоты падающего света: красный пинает электроны еле-еле, если ему это вообще удастся, так как у него меньшая частота (а значит, и меньшая энергия), а фиолетовый футболит всех только так - у него частота наибольшая (поэтому и пинает с самой большой энергией) из видимого света. И, в-третьих, существует такая частота, при которой фотоэффект перестаёт наблюдаться вообще, то есть световой энергии становится недостаточно для того, чтобы вышибить электрончик с поверхности металла. Такая частота называется красной границей фотоэффекта (красная потому, что у красного частота меньше всех из света - то есть это самая маленькая частота света, при которой электрончики выбиваться ещё будут).
Но и это ещё не всё. Хорошо, электрон удалось вышибить с поверхности металла - но физике же надо держать всё под контролем математики, как это описать цифирями? Ясен пень, что надо бросаться куда-то в сторону закона сохранения энергии в первую очередь: он всегда должен выполняться, энергия света должна преобразоваться в энергию электрона! А чему равна энергия света? И тут же натыкаемся на тупик: очень долгое время никто не мог сообразить, как её посчитать. Некоторые товарищи решили как-то предположить, что свет может иметь энергию только с такими значениями, каждое из которых "прыгает" по отношению к предыдущему на какую-то величину - квант. (Это можно сравнить со старыми игрушками, где персонажу нужно перепрыгнуть через несколько ям, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга - персонаж останется жив, только если будет прыгать на расстояние со строго определённым шагом.) В физике, которая потом переросла в квантовую механику, а ещё позже - в целую квантовую теорию, которая разбухла до таких размеров, которые даже не снились обычной физике, и которую проходят только в вузах (и то - только механику, но даже она убивает студента наповал), эта величина определяется так называемой постоянной Планка - самый маленький шаг, который может сделать энергия света, составляет 6.626*10^-34 Дж*с. (Именем Планка, опять-таки, назвали не просто так, а потому, что данный товарищ провёл самые убедительные эксперименты, после которых стало ясно, что предположение про квант верно. Поговаривают, что сам Планк в это не очень-то и верил.) Обозначается эта цифирь буквой h и чем-то напоминает постоянную Больцмана в термодинамике - это "мостик", связывающий между собой частоту света и его энергию. Если представить свет как поток маленьких-маленьких частичек - квантов, то энергия каждого из них будет равна h*ню, где ню - частота света (а вовсе не жанр "нагого" искусства) - примерно таким же образом представляют электрический ток как поток электрончиков, у каждого из которых тоже есть элементарный, "квантующийся" заряд. Но поскольку слово "квант" может подходить не только для света, а и для любых других "шаговых" величин, решили один квантик света назвать "фотон". Свет - поток фотонов.
Ладно, хватит уже мне пугать страшным словом "квант", энергию света мы с грехом пополам определили. Остаётся связать всё воедино: h*ню = m*v^2/2? Как бы не так, ведь при какой-то ню (частоте) фотоэффект прекращается! Значит, есть какая-то энергия, которая мешает ему произойти. Итого получаем: h*ню = m*v^2/2 + Aвых. h - постоянная Планка, ню - частота света, m - масса электрона (она равна 9.1*10^-31 кг), v - начальная скорость электрона, с которой он вылетает с поверхности металла, Aвых называется работой выхода - это минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону для того, чтобы тот покинул пределы металла и оказался на его поверхности с нулевой начальной скоростью. Для каждого вещества она своя, измеряется тоже в джоулях, как и обычная работа.
