random books / Ландсберг- Элементарный учебник физики Т. 3.Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика(2009)

РА З Д Е Л В Т О Р О Й

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

Г л а в а VII. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

СВЕТОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

§ 65. Разнообразные действия света. Чувствительность нашего зрительного аппарата к свету чрезвычайно велика. По современным измерениям для получения светового ощущения достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоятельствах попадало около 10−17 Дж световой энергии в секунду, т. е. мощность, достаточная для ощутимого светового раздражения, равна 10−17 Вт.

Глаз принадлежит к числу самых чувствительных аппаратов, способных регистрировать присутствие света. Действие света на глаз сводится к некоторому химическому процессу, возникающему в чувствительной оболочке глаза и вызывающему раздражение зрительного нерва и соответствующих центров головного мозга. Химическое действие света, сходное с действиями на чувствительные элементы глаза, можно наблюдать при выцветании на свету различных красок («выгорание тканей»). Химические превращения наблюдаются при поглощении света сравнительно немногочисленными с в е т о ч у в с т в и т е л ь н ы м и материалами. Но в большей или меньшей степени свет поглощается любым телом, что можно обнаружить по нагреванию тела.

Нагревание тел при поглощении света есть самый общий и наиболее легко осуществляемый процесс, который может быть использован для обнаружения и измерения световой энергии. Нагревание солнечным светом — простейший пример такого процесса. В тех южных областях, где много солнечных дней (например, Средняя Азия), тепло, полученное при поглощении солнечной энергии, может быть использовано для приведения в действие промышленных установок.

Энергия, доставляемая солнечным светом в южных широтах в ясный день, составляет более тысячи джоулей в секунду на каждый квадратный метр поверхности, так что плоский желез-

ный бак, поставленный на крыше дома, может снабжать его обитателей в течение лета горячей водой. Концентрируя солнечные лучи с помощью большого зеркала 1 (рис. 152) на поверхности какого-нибудь приемника 2, можно обеспечить его нагревание до высокой температуры.

Рис. 152. Схема устройства тепловой солнечной машины: 1 — зеркало, 2 — приемник

Действие света может обнаруживаться и в некоторых э л е к т- р и ч е с к и х я в л е н и я х. Как уже упоминалось в томе II, § 9, освещение металлической поверхности может вызвать вырывание из нее электронов (фотоэффект). С помощью определенных устройств можно без труда наблю- дать электрический ток, возникающий под действием света. На рис. 153

представлена схема одного из таких

устройств, называемого фотоэлемен-

том. Если бы можно было покрыть крышу небольшого дома веществом, используемым в таком фотоэлементе, то в ясный солнечный день удалось бы за счет световой энергии получать электрический ток мощностью несколько киловатт.

Наконец, важно отметить, что наблюдается и непосредственное м е х а н и ч е с к о е д е й с т в и е с в е т а. Оно проявляется в д а в л е н и и с в е т а на поверхность тела, отражающего или

поглощающего свет. Придавая этому телу вид легкого подвижного крылышка, удалось обнаружить поворот этого крылышка под действием падающего на него света. Этот замечательный опыт был впервые произведен П. Н. Лебедевым в Москве (1900 г.). Подсчет показывает, что в ясный день свет Солнца, падающий на зеркальную поверхность размером 1 м2, действует на нее с силой всего лишь около 4 мкН.

В настоящее время разработаны новые источники когерентного излучения очень высокой интенсивности — лазеры, с которыми при концентрации энергии на малую поверхность можно получить световое давление 106 атм (см. § 205). Таким образом, свет может производить весьма разнообразные действия; все они свидетельствуют о наличии энергии в световом излучении, превращение которой и обнаруживается во всех описанных явлениях.

Из перечисленных примеров видно, сколь разнообразны могут быть действия света. Однако роль света как непосредственного источника энергии сравнительно невелика: двигатели, основанные на нагревании под действием света, играют очень малую роль, а двигатели, построенные на основе фотоэффекта, — еще дело будущего, хотя опыты и показывают, что возможно изготовление фотоэлементов (с использованием полупроводников германия и кремния), способных превращать до 15 % падающей на них энергии света непосредственно в энергию электрического тока (солнечные батареи).

Правда, вся энергия, которую мы используем на Земле, практически имеет своим первоисточником световую энергию или энергию излучения Солнца, но использование ее происходит путем сложных превращений через посредство топлива, накапливающегося под действием солнечного излучения в растениях и сжигаемого в тепловых машинах, а также через посредство водяных и ветряных двигателей и т. д. В большинстве же применений света главную роль играет не количество приносимой им энергии, а его специальные особенности. Для выяснения природы световых явлений надо обратиться к опыту.

§ 66. Интерференция света. Цвета тонких пленок. Все, конечно, неоднократно любовались красивыми переливами цветов на поверхности весенних луж. Многие, вероятно, замечали, что такие же цветные полосы обнаруживаются на реке вблизи судов, когда на воде появляются пятна нефти или масла. Во всех этих явлениях обращает на себя внимание прихотливое расположение

184 Гл. VII. Общая характеристика световых явлений

цветных полос и особенно их п е р е л и в ы, т. е. смена цветов при повороте головы наблюдателя. Явление сходно с игрой цветов на мыльных пузырях и, действительно, тождественно ему по своей физической природе. Его нетрудно воспроизвести в классе, пустив капельку керосина или скипидара на поверхность воды в кювете, освещенной проекционным фонарем.

Разнообразие цветов в описанных картинах явно связано с тем обстоятельством, что мы производим наблюдение в б е- л о м свете. Поставим на пути света какое-нибудь цветное стекло, и мы убедимся, что вместо цветных полос будут наблюдаться полосы одного цвета, большей или меньшей яркости, разделенные темными промежутками. Форма и расположение полос при этом не изменяются. Так, например, если мы применим зеленое стекло, то полосы, имевшие при освещении белым светом зеленый тон, останутся практически неизменными, а красные полосы сделаются черными. Явление станет еще более отчетливым, если

вкачестве одноцветного (монохроматического) света воспользоваться пламенем горелки, в которое введен кусочек асбеста, смоченный раствором поваренной соли. Такое пламя окрашивается

вжелтый цвет благодаря излучению паров натрия, входящего

всостав соли; цвет этот весьма однороден. Наблюдаемая картина

вэтом свете будет состоять из ярко-желтых полос, постепенно переходящих в глубоко-черные. Таким образом, картина состоит из чередования светлых полос, посылающих много света в глаз наблюдателя (максимумы), и темных полос, от которых к наблюдателю совсем не идет свет (минимумы).

Вописанных опытах мы имеем дело с явлениями, аналогичными тем, которые были описаны в §§ 44, 45 и 46 и которые

получили название и н т е р ф е р е н ц и и волн. Там (см. § 45) указывались условия, при которых наложение двух волн ведет к перераспределению энергии, т. е. к образованию областей максимумов и минимумов энергии. В наших оптических опытах мы также обнаруживаем п е р е р а с п р е д е л е н и е э н е р- г и и, в результате которого вместо равномерной освещенности образуются темные области (минимумы) и области повышенной освещенности (максимумы). Другими словами, в наших опытах проявилась способность света к интерференции, т. е. обнаружился в о л н о в о й характер световых явлений. То обстоятельство, что максимум для разных цветов приходится на различные места, показывает, что различным цветам соответствуют различные длины волн (см. § 45). Мы в дальнейшем подробнее познакомимся с интерференционными явлениями в оптике и используем

их для точного определения длины световых волн; пока же ограничимся указанием, что длина эта меньше микрометра.

§ 67. Краткие сведения из истории оптики. Ответ на вопрос о природе световых волн был получен на основании длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлении. При этом, как обычно бывает при развитии наших научных воззрений, представление о природе света менялось по мере того, как накапливались новые сведения и данные.

Волновые представления о природе света развивались еще в XVII веке X. Гюйгенсом и поддерживались на протяжении XVIII века Л. Эйлером, М. В. Ломоносовым и В. Франклином. Однако в течение всего этого периода наиболее обоснованными оставались корпускулярные представления о свете, в соответствии с которыми свет уподоблялся потоку быстро летящих частичек (И. Ньютон). Лишь в начале XIX века трудами О. Френеля и Т. Юнга была надежно обоснована волновая природа света (см. гл. XIII и XIV). При этом волны эти уподоблялись упругим волнам, сходным до известной степени с волнами, обусловливающими акустические явления. Однако две важные особенности отличают световые волны от звуковых.

Во-первых, свет распространяется через пространство, откуда удален воздух или другая среда, тогда как звук в вакууме распространяться не может (см. § 33). Распространение света в вакууме можно наблюдать в электрических лампочках накаливания, из баллона которых откачан воздух 1). Другим доказательством способности света распространяться в вакууме являются наблюдения света Солнца и звезд, отделенных от нас огромными пространствами, содержащими в единице объема еще меньше вещества, чем самые совершенные вакуумные приборы.

По современным данным в межзвездном пространстве приходится в среднем около одного атома на 1 см3, тогда как в наиболее тщательно откачанных вакуумных приборах заключено не менее 108 атомов или молекул в 1 см3.

Во-вторых, отличительной особенностью световых волн по сравнению с волнами звуковыми является огромная скорость их распространения. Астрономические наблюдения над затмениями

1) В большинстве современных ламп накаливания баллон после тщательной откачки вновь наполняется каким-либо химически неактивным газом, например азотом. Это делается, однако, лишь для того, чтобы уменьшить распыление нити, т. е. удлинить срок службы лампы. Свет же от нити распространяется и в лампах с самой совершенной откачкой.

вгл. IV, V и VI. Накопление новых экспериментальных данных привело в XX веке к заключению, что свет наряду с волновыми обладает и корпускулярными свойствами (кванты света или фотоны, § 184). В настоящее время квантовая теория объединяет волновые и корпускулярные представления о свете

вединое целое, так же как она объединяет волновые и корпускулярные представления об электронах, атомах и других частицах (см. § 210).

Г л а в а VIII. ФОТОМЕТРИЯ И СВЕТОТЕХНИКА

§ 68. Энергия излучения. Световой поток. В § 65 мы указывали уже, что разнообразные действия света обусловлены в первую очередь наличием определенной энергии излучения (с в е т о в о й э н е р г и и).

Непосредственное восприятие света обусловлено действием световой энергии, поглощенной чувствительными элементами глаза. То же имеет место и в любом приемнике, способном реагировать на свет, например в фотоэлементе, термоэлементе

ифотопластинке. Вследствие этого измерения света сводятся

кизмерению световой энергии или

показывает, какая энергия протекает через площадку за единицу времени, и называется потоком излучения (мощностью излучения) через площадку σ. Напомним, что мощность, переносимую световой волной через единичную площадку, называют интенсивностью волны (см. § 39).

Поток излучения оценивается в обычных единицах мощности, т. е. в ваттах, а интенсивность излучения — в ваттах на квадратный метр. Однако для восприятия и использования световой энергии исключительно важную роль играет глаз. Поэтому