§ 7.1 Природа світла

Надзвичайно важливу роль у природі відіграють електромагнітні хвилі довжиною 760-380 нм. Цей вузький діапазон електромагнітних хвиль спричинює зорові відчуття у людини й становить численну групу світлових явищ. Розділ фізики, в якому розглядають світлові явища, називають оптикою, а світлові явища – оптичними.

У сучасних установках як джерело світла використовують лазер, а приймачем світла – фотоелемент. Це дало можливість виміряти швидкість світла з великою точністю:

с 300 000 3 10⁸ м/с

Але знання швидкості світла ще не давало відповіді на основне питан­ня: що таке світло, яка його природа? Перші наукові теорії про природу світла виникли в XVII ст. На думку Ньютона, світло являє собою потік якихось особли­вих частинок речовини — корпускул. Водночас із цим, голландський вчений Хрістіан Гюйгенс (1629—1695) висунув теорію ("Трактат про світло", 1690 р.), згідно з якою світло — це сукупність хвиль, які поширюються в особливому середовищі — ефірі. Але природа цих хвиль, як і середовища, в якому вони поширюються, була невідомою.

Тривалий час обидві теорії співіснували в науці як рівнозначні. І корпуску­лярна й хвильова теорії світла цілком задовільно пояснювали відомі на той час оптичні явища. Між прибічниками корпускулярної й хвильової теорії час від часу виникали наукові дискусії, але брак достатнього експериментального матеріалу не давав жодному з них істотної переваги.

Відкриття інтерференції та дифракції світла (початок XIX ст.) незаперечно свідчили, що світло поширюється у вигляді хвиль. Лише хвилі мають властивість огинати перешкоди на своєму шляху (дифракція) і при зустрічі або посилювати, або ослаблювати одна одну (інтерференція). Корпускули позбавлені таких влас­тивостей. Корпускулярна теорія світла, як здавалося, зазнала "остаточного кра­ху". Але питання про природу світлових хвиль лишалося нез'ясованим. Звісно, що це не могли бути звукові або механічні хвилі, а про інші хвилі в ті часи ще й гадки не мали.

Природа світлових хвиль дістала пояснення в другій половині XIX ст. Вирі­шальну роль у цьому відіграла електромагнітна теорія Максвелла й досліди Герца. З теорії Максвелла випливало, що в природі існують електромагнітні хвилі, які поширюються у вакуумі з такою самою швидкістю, як і світло. У дослідах Герца був переконливо засвідчений не лише сам факт існування електромагнітних хвиль, а й установлені їхні основні властивості. З'ясувалося, що електромагнітні хвилі відбиваються, заломлюються, огинають перешкоди на своєму шляху за тими са­мими законами, що й світло. Фізики, порівнюючи між собою властивості елект­ромагнітних хвиль і світлових променів, після багатовікових суперечок, пошуків і помилок врешті-решт дійшли висновку, що світло — це сукупність електромаг­нітних хвиль, які спричинюють зорові відчуття в людини.

Зорові відчуття в людини спричинюють електромагнітні хвилі з частотою елек­тромагнітних коливань від 3,8*10¹⁴до 7,5*10¹⁴Гц. Ці відчуття є кольоровими: елек­тромагнітна хвиля певної частоти зумовлює зорове відчуття відповідного кольо­ру.

Вихо­дячи з цього, легко розрахувати, що світлові хвилі у вакуумі мають довжину від 380 (фіолетові промені) до 760 нм (червоні промені).

Світлові хвилі випромінюються атомами речовини. Тіла, атоми яких випромінюють світло в навколишній простір, називають джерелами світла. Усі джерела світла поділяються на природні й штучні. Головним природним джере­лом світла в межах нашої планетної системи є Сонце. До природних джерел світла належать зорі й спалахи блискавки під час грози, мерехтливе світло поляр­ного сяйва й холодне світло, випромінюване неорганічними сполуками та живи­ми організмами.

Поява штучних джерел світла пов'язана з пізнавальною діяльністю людини. Вони удосконалювалися в міру опанування людиною законів природи: вогнище, свічка, гасова лампа, газовий ріжок тощо. Вивчення електричних та оптичних явищ зумовило створення принципово нових джерел світла: електричні лампи розжарювання, дугові лампи, газосвітні трубки, лампи денного світла і, нарешті, лазери.

Різні ділянки джерела світла випромінюють його неоднаково. Але якщо оці­нювати дію джерела світла на значній відстані від нього, то ці відмінності прак­тично зникають. Таке джерело світла, розмірами якого можна знехтувати порівня­но з відстанню до нього, називають точковим джерелом світла.

Напрям, у якому поширюється світлова хвиля, називають світловим променем. Світлові промені — це лише графічний засіб зображення напряму поширення світлових хвиль. У природі, звісно, їх немає, реально існують лише світлові хвилі.

Розділ оптики, в якому вивчається розповсюдження світла називається геометричною оптико.

Закон геометричної оптики:

1. Прямолінійність розповсюдження світла в однорідному середовищі.

2. Незалежність розповсюдження світлових променів.

3. Відбивання світла від межі розділу двох середовищ. (рис.3.1) Відбивання може бути дзеркальним (рис 3.1, а) і розсіяним або дифузним ( рис.3.1,б).

Рисунок 3.1

Закони відбивання світла:

1. Кут відбивання β дорівнює куту падіння α.

α=β (7.1)

2. Падаючий і відбитий промені лежать в одній площині.

4.Заломлення світла – це явище проходження світла в друге середовище зі зміною напрямку ( рис3.2)

α β n₁ n₂ α β n₁ n₂

γ

γ

Рисунок 3.2

Закони заломлення світла:

Синус кута падіння так відноситься до синуса кута заломлення, як швидкість світла в першому середовищі відноситься до швидкості світла в другому середовищі.

n₂ - відносний показник заломлення другого середовища відносно першого;

n₁ n₂ - абсолютні показники заломлення: v₁

n₁ = ; n₂ = ;

v₁ v₂ – швидкості світла в середовищах 1 і 2 .

При переході світла з оптичного більш густого середовища в оптично менш густе середовище, можна спостерігати явище повного внутрішнього відбивання (рис. 3.3) , при якому світловий промінь повністю відбивається від межі обох прозорих середовищ (промінь4).

Рисунок 3.3

Кут падіння гр, при якому кут заломлення = 90⁰, називають граничним кутом повного відбивання світла.