Йозеф Фраунгофер

Современником Френеля был немецкий оптик Йозеф Фраунгофер. Два его открытия в оптике навсегда остались в истории физики. В 1802 году Волластон наблюдал в спектре Солнца семь темных линий. Он посчитал их границами отдельных цветных участков и не исследовал подробно. В 1814 – 1815 годах Фраунгофер детально изучил это явление, описал его в 1817 году, и с тех пор в физике появился термин «фраунгоферовы линии». Фраунгофер зафиксировал большое число темных линий и важнейшие из них обозначил буквами.

Изученные до Фраунгофера случаи дифракции наблюдались без помощи каких-либо оптических приборов: на пути фронта световой волны располагался лишь непрозрачный экран, частично загораживающий фронт. Иной способ наблюдения дифракционных явлений предложил Фраунгофер. С помощью двояковыпуклой линзы L₁ (рис.21), в фокусе которой F располагался точечный источник света, он формировал параллельный пучок лучей, на пути которого располагал непрозрачный экран с отверстием ab шириной В. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка волнового фронта, достигающего щели, является источником колебаний, распространяющихся во все стороны. Лучи, идущие под некоторым углом  к первоначальному направлению, собирались второй линзой L₂ в некоторой точке С фокальной плоскости. Фраунгофер наблюдал дифракционную картину, возникающую в фокальной плоскости линзы L₂. Так он открыл дифракцию в параллельных лучах.

С

Рис. 21. Схема наблюдения дифракции в параллельных лучах

ледующим шагом явилось изобретение Фраунгофером дифракционной решетки. Первые изготовленные им решетки состояли из большого числа тонких проволочек, натянутых параллельно друг другу. Просветы между проволочками играли роль щелей, число которых доходило до 136 на сантиметр. Впоследствии Фраунгофер стал изготовлять решетки путем нанесения штрихов алмазом на стеклянную пластинку. Положение главных максимумов в дифракционной картине, даваемой решеткой, определяется соотношением

m = 0, 1, 2, ...

где Z – постоянная решетки,  – длина световой волны.

При освещении решетки белым светом в центре ( = 0) возникает белая полоса, т.к. при  = 0 приведенное выше условие удовлетворяется при любом значении . Справа и слева от центральной белой полосы возникнут максимумы для различных длин волн под углами, значения которых определяются рассмотренным условием при m = 1. Эти максимумы, сливаясь друг с другом, образуют спектры. В каждом из спектров максимумы для фиолетовых лучей расположатся ближе всего к центральной полосе, максимумы для красных лучей – дальше всего от нее. Таким образом, изобретя дифракционную решетку, Фраунгофер сделал новый важный шаг в развитии спектроскопии.

Прямые измерения скорости света

Успехи оптики первой половины XIX столетия пополнились в 1849 году прямым измерением скорости света, выполненным Ипполитом Физо методом зубчатого колеса. Схема этого метода представлена на рис. 22. Свет от источника S, отражаясь от полупосеребренного зеркала А, проходит между зубцами колеса С, достигает зеркала М, отражается обратно и, пройдя сквозь полупосеребренное зеркало А, попадает в глаз наблюдателя В. Если привести колесо во вращение, то условие того, что свет, отраженный обратно от зеркала М, пройдет через следующий промежуток между зубцами по ходу вращения колеса и будет зафиксирован наблюдателем, записывается в виде

Рис. 22. Определение скорости света методом зубчатого колеса

Здесь t – время, требующееся свету на преодоление пути до зеркала М и обратно,  – число оборотов колеса в единицу времени, n – число зубцов на колесе, – период обращения колеса. С другой стороны, откуда следует или c = 4nL. В эксперименте Физо L равнялось примерно 7 км. Для скорости света он получил значение c = 315000 км/с. Впоследствии измерения методом зубчатого колеса повторялись более тщательно, с большим базисом L. При L = 23 км было получено c = 299870±50 км/с.

Еще одно прямое измерение скорости света было выполнено Леоном Фуко методом вращающегося зеркала (рис.23). Свет от источника S, пройдя сквозь полупосеребренную пластинку М, падал на зеркало А, способное вращаться вокруг оси О, перпендикулярной к плоскости рисунка. Отразившись от зеркала А, луч падал на вогнутое зеркало В, расположенное таким образом, что ось О проходила через его центр кривизны. Отразившись от зеркала В, луч шел обратно и давал в точке S' изображение источника. Когда зеркало А приводилось во вращение , то за время t, пока луч проходил путь 2L от А до В и обратно, зеркало А успевало повернуться на некоторый угол . При этом луч, отраженный от зеркала А, поворачивался на угол 2 и изображение смещалось в точку S" на отрезок S = l2, где l – длина светового пучка от линзы C до точки образования изображения S". C другой стороны  = t, но в свою очередь откуда для угла  получим Соответственно, и для скорости света находим выражение

Рис. 23. Определение скорости света методом вращающегося зеркала

Расстояние L в опытах Фуко равнялось 4 м, зеркало А делало 800 оборотов в секунду. Для скорости света он нашел значение с = 298000 ± 500 км/с.

Используя свой метод, Фуко в 1850 году сравнил скорости света в воде и в воздухе. Первые же наблюдения показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе. Этот результат рассматривался в то время как решающий аргумент в пользу волновой теории света; поэтому середина XIX столетия ознаменовалась полной победой волновой оптики Гюйгенса-Юнга-Френеля.

Однако спустя полвека идеи корпускулярной теории света вновь возродились, чтобы дать начало представлениям о корпускулярно-волновом дуализме.