книги из ГПНТБ / Нечаева Н.Н. Волновая оптика
.pdf
Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени
институт инженеров железнодорожного транспорта имени И. В. Сталина
Кафедра физики.
Доц. Нечаева Н. Н.
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Под редакцией проф. Брюхатова Н. Л.
Москва 1960 г.
ro* НУММЧНАЯ .
t’ НАУЧИ»г£ХНИЧЕС<1АЯ /9Л£)
ьиьдидтаи ееar
ГЛАВА I. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
§ 1. Развитие представлений о природе света.
Учение о природе света в своем историческом развитии претер певало очень много изменений. Многие основные явления и законы лучевой оптики были установлены в глубокой древности, о чем, например, говорит факт нахождения искусственных зеркал в древних гробницах (X век до н. э.), а в III веке до н. э. появился трактат Эвклида, в котором давалась своеобразная теория получения изо бражений в зеркалах. В I веке н. э. в сочинениях Плутарха име лись указания на использование преломляющих свойств линзы — зажигание светильника в храме богини Весты «чистейшим огнем», т. е. огнем солнца при помощи чащи, а во II веке и. э. Птоломеем изучалось явление преломления света, и результаты работы при менялись им к исследованию атмосферной рефракции.
Несмотря на такое довольно обширное знакомство с рядом оп тических явлений, все же точка зрения на природу света менялась неоднократно. Различные теории света, существовавшие до Нью тона, не имели под собой никакой научной основы и носили сугубо умозрительный характер.
Прямолинейность распространения света, характер законов от ражения и преломления света, повидимому, заставили Ньютона склониться к эмиссионной теории света (1669—1671 гг.), т. е. счи тать, что свет может рассматриваться как поток частиц — корпус кул, излучаемых источником света и летящих в пространстве пря молинейно. Отражение света объяснялось Ньютоном как отражение
летящих |
корпускул, |
которое |
происходило |
по |
законам |
|
упругого |
удара. |
Преломление света объяснялось |
притяжением |
|||
летящих |
частиц |
преломляющей |
средой. Показатель |
преломления |
||
в трактовке Ньютона есть отношение скоростей световых частиц в двух средах, при чем, по Ньютону скорость света в более прелом ляющей среде получалась больше, чем в менее плотной. В своем сообщении о «новой теории света и цветов», сделанном Ньютоном на заседании Королевского Общества в Лондоне, он впервые го ворит о том, что свет необходимо «считать субстанцией».
В 1678 г. голландский ученый, современник Ньютона, Христиан Гюйгенс, исходя из аналогии между звуковыми и оптическими явле-
киями, полагает, что свет надо рассматривать как упругие импуль сы, распространяющиеся в особой среде — эфире, заполняющей все пространство. Следует отметить, что представление Гюйгенса о «волнах» существенно отличается от представления о волнах, имеющего место в настоящее время. Гюйгенс называет световые импульсы «волнами» лишь по аналогии с волнами, получающи мися на воде, в которую брошен камень. Сам Гюйгенс не считает свет явлением периодическим и нигде не говорит о «длине волны». Явление диффракции света, уже известное до Гюйгенса, им не раз бирается. Гюйгенс не дает объяснения и цветности световых лучей. Волновая теория Гюйгенса не объясняла и прямолинейности рас пространения света.
Основным недостатком теории Гюйгенса являлась необходимость ■ наделить мировой эфир, в котором распространялся волновой им пульс, необычными свойствами. Во-первых, для объяснения огром ной величины скорости распространения света, мировой эфир надо было наделить очень большой упругостью, не меньшей, чем упру гость твердого тела. С другой стороны, эфир должен был иметь очень малую плотность и не оказывать никакого сопротивления при движении небесных тел. Поэтому величина скорости света объясня лась легче с точки зрения корпускулярной теории света.
Одним из основных аргументов Гюйгенса при его возражениях против положений корпускулярной теории Ньютона было явление суперпозиции световых волн, свойственное только волновым про цессам.
Ни одна из вышеназванных теорий не имела особого преимуще ства. Однако авторитет Ньютона привел к тому, что восторжество вала корпускулярная теория, а волновая теория не была признана до начала XIX века. Сторонниками теории Гюйгенса были Юнг, Эйлер, Ломоносов, который говорил, что «зыблющееся движение эфира.... должно быть причиной света» (доклад в Академии Наук
1/VI 1756 г.).
Волновая теория света восторжествовала после опубликования работ Френеля (1815—1821 гг.), который дал строгое математиче ское обоснование волновой теории и ввел принцип интерференции накладывающихся волн, идущих от различных точек пространства,
вкотором распространяется световая волна.
В1873 г. Максвелл выдвинул новую теорию электромагнитного поля, из которой, как следствие, вытекало, что световые волны есть волны электромагнитные. Обнаруженная Максвеллом связь свето вых волн с электромагнитным полем, подчеркивает справедливость
одного из основных положений марксизма — о глубокой внутрен ней связи между различными явлениями природы.
4
В1901 году профессор Московского Университета П. Н. Лебе дев экспериментально подтвердил наличие и определил величину светового давления, существование которого вытекало как след ствие из электромагнитной теории света.
Вконце XIX и начале XX века было установлено, что имеется ряд оптических явлений, которые не могут быть объяснены с точки зрения электромагнитной теории света. Целый ряд исследований привел к тому, что электромагнитная теория света была пополнена
новой |
теорией — квантовой, в |
основу которой |
легла |
гипотеза |
Планка |
(1900 г.) о том, что изучение и поглощение света |
происхо |
||
дит порциями —квантами, энергия которых г |
пропорциональна |
|||
частоте v и равна |
|
|
|
|
|
|
г =hv |
|
|
где 11 — «постоянная Планка», равная 6,62. 10~27 |
эрг. сек. |
|
||
Введение понятия о квантах позволило объяснить многие опти |
||||
ческие |
явления, как например: |
законы излучения, фотоэлектриче |
||
ский эффект и др. Таким образом было показано, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами.
В 1924 году французский ученый де-Бройль высказал новую гипотезу о том, что каждая материальная движущаяся частица об ладает и некоторыми волновыми свойствами. Эта новая теория, но сящая название волновой теории материи или кван товой механики, вскоре была подтверждена целым рядом экс периментов. Она позволила построить теорию микропроцессов, про исходящих в атоме, т. е. позволила вникнуть в детали многих оп тических явлений, которые ранее не были объяснены.
§ 2. Шкала электромагнитных волн.
Как известно, в пространстве, окружающем электрический ви братор любого вида, во всех направлениях будет распространяться электромагнитное поле, в котором изменяющееся электрическое поле в каждой точке пространства будет вызывать появление маг нитного поля, а изменяющееся магнитное поле будет вызывать по явление электрического поля. Такое электромагнитное поле, рас пространяющееся в пространстве, окружающем вибратор, распро страняется в виде электромагнитной волны.
Излучателем электромагнитных волн может служить любой от крытый колебательный контур, для которого период возникающих колебаний в первом приближении может быть вычислен по форму ле Томсона:
Т = 27fTLC "
Подбирая соответствующие значения для L и С, можно полу
чить колебания произвольной частоты, т. е. электромагнитные вол ны любой длины. Однако длина коротких волн практически огра ничивается по двум причинам: с одной стороны, из-за невозможно сти изготовления вибратора со сколь угодно малыми L и С, а с другой стороны, из-за уменьшения энергии колебания, которая, как известно, уменьшается с уменьшением L и С.
Таким образом, при помощи вибратора могут быть получены электромагнитные волны, начиная от бесконечно длинных (соот ветствующих постоянному току) до волн порядка десятых долей миллиметра.
Указанными видами электромагнитных волн далеко не исчер пываются все виды этих волн, существующих в природе. Инфра красные, видимые световые, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и гамма — излучение радиоактивных изотопов также электромаг нитной природы.
Опыты, проведенные Герцем в 1888 году, впервые послужили доказательством электромагнитной природы световых волн, так как электромагнитные волны, полученные им от вибратора распрост ранялись со скоростью света, отражались и преломлялись так же, как и световые волны.
Опыты профессора Московского университета П. Н. Лебедева также говорили об электромагнитной природе света: он наблюдал как преломление в эбонитовой призме, так и явление двойного лу чепреломления на электромагнитных волнах длиной порядка 5 мм, полученных им при помощи маленького вибратора.
В 1923 г. в Ташкенте профессором Левицкой М. А. были полу чены от миниатюрных вибраторов электромагнитные волны длиной ,в несколько десятых долей миллиметра. Эти волны в опытах Ле вицкой поглощались куском парафина, содержащего распыленную медь; поглощаемая парафином энергия обнаруживалась по повы шению его температуры при помощи термопары.
В том же году, в Москве, проф. Глаголева-Аркадьева А. А. по лучила такие же и еще более короткие электромагнитные волны при помощи вибратора, представлявшего собой кашицеобразную массу из медных опилок и машинного масла, увлекаемую вращаю щимся колесом. Под действием напряжения, приложенного к этой кашицеобразной массе, между соседними опилками возникали мно гочисленные мелкие электрические разряды. Эти разряды давали начало коротким электромагнитным волнам, которые фокусирова лись параболическим зеркалом на термоэлемент, который служил для обнаружения получаемых электромагнитных волн по их тепло
вому действию.
Таким образом, опытами Левицкой и Глаголевой-Аркадьевой электромагнитные волны получались электрическим методом, а ис-
6
следовались методом, применяемым для обнаружения инфракрас ных лучей. Это говорит об общности природы электромагнитных волн, получаемых при помощи вибратора, и инфракрасных лучей, получаемых при излучении атома. В результате указанных работ был закрыт имевшийся ранее неисследованный промежуток между электромагнитными волнами, полученными от вибратора, и инфра красными волнами.
Инфракрасные лучи, обнаруживаемые обычно по их тепловому действию, занимают область длин волн .до 7,6 .10 ~3 см, при ко
торой эти волны уже оказывают возбуждающее действие на зри тельный нерв человеческого глаза.
Видимые световые волны занимают область от 7,6 10~8см до
3,8 . 10 ~ 5 см.
С еще более короткой волной—«ультрафиолетовые лучи» —за нимают область до 9 . 10-7 см.
Для измерения таких коротких ^олн, как волн видимого света, ультрафиолетовых лучей, рентгеновского и гамма-излучения, удоб но применять более мелкую единицу длины, равную 10~3 см. называемую ангстрем (1А°=10~8 см).
Итак границей ультрафиолетовой области будет 90 А°.
Еще более короткие электромагнитные волны — рентгеновские
лучи — занимают область |
длин волн приблизительно |
от 120 до |
0,08 А°. |
известных электромагнитных |
волн — это |
Наиболее короткие из |
гамма-лучи, возникающие при ядерных процессах. Самые длинные из них имеют длину волны порядка 0,2 А°. Со стороны коротких волн их граница не установлена: самые короткие гамма-лучи, ко торые были обнаружены, имели длину волны порядка 0,001 А°.*
...10*10* 10* |
id' /о” /О* <0 <0 |
10 <0 Ю* !QS id Ю 10ч |
f ' |
& олнь<, |
получаемые |
инфра |
|
красные |
|
||
|
|
|
|
от Ьи Spa т о |
&рны |
|
|
Рис. 1. Шкала электромагнитных волн
На рис. 1. приведена диаграмма, дающая понятие о всей шкале электромагнитных волн, на которой, ввиду огромного диапа-
7
зона нанесенных на диаграмму длин волн, значения длин волн отложены в логарифмическом масштабе, т. е. длины отрезков, обозначающих длины волн, пропорциональны 1g X . В верхней час ти диаграммы указаны значения длин волн в ангстремах, а в ниж ней части диаграммы указаны наименования волн. Как видно из рисунка, области, соответствующие различным видам электромаг нитных волн, перекрывают друг друга, что говорит об условности приведенного выше деления;
Электромагнитные волны различной длины обладают, как уже указывалось, различными свойствами. Этим объясняется и разно образие их применения в быту и технике. Не говоря о видимых, световых волнах, электромагнитные волны других длин находят себе широкое применение в различных областях техники: так на пример, электромагнитные волны длиной от нескольких километров до волн, порядка 10 метров применяются в радиовещании, метро вые волны — в телевидении, сантиметровые — в радиолокации.
Невидимые глазом инфракрасные лучи, как более длинные по сравнению с видимыми лучами, менее рассеиваются и поглощаются атмосферой. Эта особенность позволяет использовать инфракрас ные лучи в военных целях. Так при помощи инфракрасных лучей производят фотографирование местности. На основании улавли вания инфракрасных лучей, отраженных различными телами, осно вано устройство тепловых обнаружителей. Кроме этого путем спе циальных приспособлений можно использовать инфракрасные лучи для возбуждения свечения различных веществ, которыми покры вают небольшие экраны. Таким образом инфракрасные лучи дают возможность «видеть» в темноте.
Ультоафиолетовые лучи вызывают ионизацию газа и дают на чало целому ряду фотохимических реакций. Еще более короткие электромагнитные волны — рентгеновские, также как и гамма-лу чи, широко используются, например, в технике для целей дефекто скопии, при изучении структуры различных тел, а также исполь зуются в медицине не только как глубоко проникаюшее’излучение, но и как мощный фактор, способствующий излечению различных заболеваний. Указанными выше примерами далеко не исчерпы ваются все виды использования электромагнитных волн.
§ 3. Измерение скорости света.
Задача измерения скорости света относится к числу наиболее важных задач физики, решение которой имело большое принци пиальное и практическое значение.
Установление конечности скорости света, измерение величины этой скорости в пустоте и различных средах послужило в свое
8