1.3Скорость света. Основные законы распространения света.

Свет представляет собой электромагнитное излучение оптического диапазона. Скорость света в соответствии с теорией Максвелла (1831-1879), зависит от свойств среды, в которой он распространяется. Излучение света сопровождается переносом энергии. По современной классификации оптический диапазон занимаем полосу частот Гц, что соответствует длинам волн 0,1-100 мкм. Видимый диапазон ограничен полосой частот Гц, что соответствует приблизительно диапазону длин волн 0,40-0,75 мкм.

Современное представление о свойствах и природе света исходит из предположения о единстве его волновых и квантовых свойств. Основоположником волновой теории света является Х. Гюйгенс (1629-1695). Согласно его теории, свет рассматривается как волновое движение, распространяющееся в особой упругой среде-эфире. Каждая точка эфира, до которой доходит световая волна, становится самостоятельным центром возбуждения вторичных элементарных световых волн.

Основоположник корпускулярной природы света – И. Ньютон (1643-1727). По его теории, свет представляет собой поток мельчайших частиц – корпускул, испускаемых источником света прямолинейно во все стороны.

Квантовая природа света была сформулирована М. Планком (1858-1947), развита далее А. Эйнштейном (1879-1955) и другими учеными. Согласно этой теории, основанной на прерывистости всех процессов, излучение и поглощение световой энергии может происходить только определенными порциями – квантами, кратными некоторому значению hv, постоянному для данной частоты излучения. По М. Планку, энергия, содержащаяся в одном кванте, определяется как E=hv , где Дж*с (постоянная Планка); v- частота колебаний света, Гц.

В 1905 г. А.Эйнштейн, развивая теорию Планка, изложил фотонную теорию, согласно которой световое излучение распространяется как поток фотонов, являющихся частицами материи, обладающими энергией и импульсом (количеством движения). Соединение корпускулярных и волновых свойств света позволило Эйнштейну объяснить такие несовместимые для того времени явления, как интерференция света, фотоэффект и другие сложные явления физической оптики. За теорию фотоэффекта А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году правда в тексте награждения говорилось «и за другие работы в области теоретической физики».

Этот взгляд на природу света оправдывает применение на практике как квантовой, так и волновой(электромагнитной) теории света в зависимости от того, какие свойства преобладают в используемом световом явлении. Полное раскрытие двойственного характера природы света – задача современной науки.

Значителен вклад русских ученых в формирование взглядов на природу и свойства света. В 1889 г. А.Г. Столетов (1839-1896) открыл фотоэлектрический эффект, сущность которого состоит в том, что некоторые вещества при облучении их светом излучают электроны. А.Г. Столетовым впервые в мире был создан фотоэлемент – прибор для преобразования световой энергии в электрическую. В наше время немыслимо развитие таких отраслей науки и техники, как автоматика, телемеханика, телевидение и других, без использование фотоэффекта.

Большое значение имеет открытие П.Н. Лебедевым (1866-1912) светового давления, что имело огромное значение для подтверждения электромагнитной теории света. Работы П.Н. Лебедева доказали наличие у электромагнитных волн не только энергии, но и импульса и массы, и послужили исходным пунктом для установления соотношения между массой и энергией которое вывел А. Эйнштейн.

Существенное практическое значение имеют работы С.И. Вавилова (1891-1951) в области люминесцентного свечения.

Академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров – создатели первого молекулярного квантового генератора на аммиаке (1954). Их работа явилась основой для осуществления принципов квантового усиления и генерации электромагнитных волн оптического диапазона, что привело к созданию лазера на рубине (1960), газового лазера (1961) и, наконец, полупроводникового лазера (1962). В 1964 году Н.Г. Басов и А.М. Прохоров совместно с Чарльзом Таунсом получили Нобелевскую премию за "За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе".

При использовании электромагнитных волн в геодезии, в частности для измерения расстояний по времени и скорости распространения света, большое значение имеет знание скорости в воздушной среде в момент измерений. Скорость света в свободном пространстве (вакууме) с=299 792 458 м/с.

В физике для характеристики скорости пользуются термином «фазовая скорость», имея в виду скорость, с которой передается фаза колебаний от одной точки пространства к дугой. Фазовая скорость в вакууме не зависит от частоты колебаний; при распространении же колебаний в среде – зависит от частоты (длины волны). Это свойство электромагнитных волн, называется дисперсией, особенно резко выражено у световых волн. Скорость света в воздухе уменьшается с уменьшением длины волн. Так как при измерениях иногда пользуются смешанным по спектральному составу световым потоком, то вычисляют так называемую групповую скорость света (м/с):

Где n – показатель преломления воздуха для групповой скорости света.

В зависимости от состояния воздушной среды при решении геодезических задач показатель преломления определяют из выражения:

Где - показатель преломления при групповой скорости света при температуре воздуха , давлении P=760 мм рт. ст. и влажности e=0 мм рт. ст.; =1/273 – объемный коэффициент расширения воздуха.

В зависимости от длины волны света:

Где - длина волны света, соответствующая максимуму спектральной чувствительности приемника излучения (мкм).

Волновые свойства света широко используются в геодезии при решении задач методами интерференции, дифракции, двойного лучепреломления и поляризации.

При объяснении основных законов распределения света используют понятия светящейся точки и светового луча. Светящейся точкой называют геометрическую точку, являющуюся источником световых колебаний. Световым лучом называют линию, по которой распространяется свет от источника. Раздел оптики, изучающий распространение света, пользуясь приведенными понятиями светящейся точки и светового луча, называют геометрической оптикой.

Геометрическая оптика базируется на следующих законах распространения света:

1. В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно;

2. Лучи света распространяются независимо друг от друга;

3. Лучи света могут отражаться, т.е. изменять первоначальное направление на обратное, на границе раздела двух сред. Отражение может быть правильным (зеркальным), если неровности на границе двух сред меньше длины волны падающего света. В этом случае виден сам источник света, а граница раздела не видна; угол падения луча равен по абсолютной величине углу отражения и противоположен по знаку. Отражение может быть неправильным (диффузным), если неровности граница раздела сред больше длины волны света. При диффузном отражении видна граница раздела, а источник света не виден. Угол падения и угол отражения при этом не равны друг другу и распределяются по закону случайных величин;

4. Лучи света могут преломляться, т.е. изменять направление распространения на границе раздела двух сред, скорость распространения в которых различна. При этом отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная и равна отношению показателей преломления и . Для этих двух сред:

Показатели преломления сред обратно пропорциональны длинам волн в этих средах:

Преломленный свет сохраняет ту же частоту колебаний, что и падающий. Среда с большим показателем преломления считается оптически более плотной.

Явление отражения сопровождается частыми, а иногда и полным внутренним отражением от границы раздела двух сред. Если луч переходит из среды оптически более плотной n в среду оптически менее плотную , то угол преломления будет больше угла падения i. Увеличивая угол падения i , можно получить такое значение угла преломления, при котором преломленный луч будет скользить вдоль поверхности раздела двух сред, образуя угол преломления =90°. Тогда:

;

Угол определяемый последним соотношением, называют углом полного внутреннего отражения; преломление прекращается и остается лишь отраженный луч. При этом отражение происходит под углом, равным углу падения. Явление полного внутреннего отражения замечательно тем, что отраженный луч несет в себе полную энергию луча. Поэтому полное внутреннее отрадение широко используется в оптических геодезических приборах.

Интерференция – явление, возникающее при сложении двух и более световых волн и проявляющееся в том, что интенсивность результирующего колебания в зависимости от разности фаз складывающихся колебаний может быть больше или меньше суммы их интенсивностей. Это явление обусловлено волновой природой света.

Интерференция возникает в том случае, когда существует постоянное и неизменяющееся по времени (когерентное) соотношение между фазами световых колебаний. При этом периоды световых колебаний постоянны, а все изменения фазы, происходящие в одном источнике света, совершаются и в других. При интерференции происходит перераспределение световой энергии между различными точками, так как усиление света в одних точках пространства сопровождается ослаблением в других.

Пусть Q (см.Рис.1.15 ) – источник света, освещающий в диафрагме два точечных отверстия и . В соответствии с принципом Гюйгенса каждое из отверстий до которых дошла сферическая световая волна, можно рассматривать в качестве самостоятельного источника света, независимо излучающего вторичную сферическую световую волну. Поскольку расстояния и и , неизменны, то вторичные световые волны когерентны, т.е. их колебания сдвинуты по фазе относительно друг друга на постоянную величину. Такие колебания будут интерферировать, и в плоскости экрана можно наблюдать интерференционную картину в виде чередующихся темных и светлых концентрических колец.

Темные кольца соответствуют разности хода лучей для точки М на нечетное количество полуволн:

,

Где , - расстояния от точечных отверстий до точки М; n – целое число; - длина волны света.

Светлые кольца соответствуют разности хода лучей на четное количество полуволн:

Расстояние между серединами двух светлых или темных полос на экране называют шириной полосы интерференции. В общем случае это величина переменная, зависящая от расстояния и удаления от центра интерференционной картины.

Наиболее ярким будет центральное пятно, называемое нулевым максимумом, менее ярким- первое, далее- второе и последующие кольца- максимумы первого, второго и т.д. порядков.

Дифракция света -