173

ПОПКОВ В.И.

ФИЗИКА

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ЧЕТВЕРТЫЙ СЕМЕСТР

Часть 4

МОДУЛЬ 6. ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ

ЛЕКЦИЯ 35

6.1. Геометрическая оптика

Развитие представлений о природе света. Свет как электромагнитная волна. Основные законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика и ее применение. Оптическая длина пути. Принцип Ферма. Линзы. Погрешности оптических систем. Основные фотометрические единицы.

Оптика – раздел физики, изучающий оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Различают оптику геометрическую (или лучевую) и физическую.

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах, основанные на представлении о световых лучах. Геометрическая оптика не рассматривает вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Основными законами геометрической оптики являются: закон прямолинейного распространения света; закон независимых световых пучков; закон отражения; закон преломления.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений. Волновая оптика – раздел физической оптики, изучающий совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света (интерференция, дифракция и др.). Квантовая оптика изучает явления, в которых проявляется корпускулярная теория света (испускание и поглощение света, взаимодействие света с веществом).

6.1.1. Развитие представлений о природе света

До начала XIX в. в физике господствовала корпускулярная теория света, разработанная И.Ньютоном (1672 г.), в которой свет рассматривался как поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника. Движением световых частиц через эфир и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких пленок, дифракция и дисперсия света. Одновременно с Ньютоном в работах Гюйгенса и Гука были заложены основы волновой теории света, но она не была последовательной, поэтому концепция Ньютона стала господствующей.

Победа волновой теории в начале XIX в. связана с работами Т.Юнга и О.Френеля. С точки зрения волновой теории были объяснены явления интерференции и дифракции света, а также прямолинейность распространения света. Д.К.Максвелл теоретически показал, а Г.Герц экспериментально подтвердил (1888 г.), что свет представляет собой электромагнитную волну. Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы испускания и поглощения света, взаимодействия света с веществом. Для объяснения этих явлений световому электромагнитному полю сопоставляется поток квантов света – фотонов (М.Планк – 1900 г., А.Эйнштейн – 1905 г.). При испускании и поглощении света, взаимодействии света с веществом проявляются квантовые (корпускулярные) свойства света. Двойственность природы света – наличие у него одновременно характерных черт, присущих волнам и частицам, является проявлением крпускулярно-волнового дуализма.

Корпускулярно-волновой дуализм – важнейшее универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные и волновые характеристики. Микрообъекты (электрон, протон, нейтрон, фотон) в одних условиях проявляются как частицы, движущиеся по классическим траекториям и обладающие определенными энергией и импульсом, а в других – обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц. Согласно принципу дополнительности корпускулярные и волновые свойства объектов микромира не исключают, а дополняют друг друга. Микромир является такой специфической реальностью, что адекватное его описание возможно как раз посредством идеи о взаимодополняемости вроде бы несовместимых свойств — корпускулярных и волновых. Концепция корпускулярно-волнового дуализма впервые была сформулирована именно для оптических явлений. В современной оптике квантовые представления не противопоставляются волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики.