Оптика и элементы атомной физики

Тема 1: Развитие взглядов на природу света. Законы геометрической оптики.

§ 1.Корпускулярная и волновая теория света.

Свет и его свойства люди начали изучать более 2000 лет назад, ещё в трактатах Евклида (300 г. до н. э.) формулируются законы прямолинейного распространения света и равенства углов падения и отражения. Однако слабостью подхода древних греков было отсутствие моделей, то есть, что же из себя представляет свет. Поэтому, в частности закон преломления, найденный ими экспериментально был записан неверно. Вместо отношения синусов (sini/sinr=const) они писали отношение углов (i/r=const), что, в принципе, верно для малых углов. Этот закон правильно сформулировал Декарт. Он же впервые пытался объяснить закон преломления, исходя из корпускулярных представлений о свете. Эту традицию, объяснять свет как поток корпускул, продолжил и развил Ньютон. Он применил, естественно, сформулированные им законы механики к доказательству законов отражения и преломления света. Он предположил, что при отражении корпускула света испытывает упругое соударение с зеркалом. Отсюда легко выводится тот факт, чтоугол падения равен углу отражения. Ньютону удалось также вывести и закон преломления -sini/sinr=const=n. Приведу его рассуждения. При упругом ударе корпускулы о поверхность нормальная составляющая её скоростиv_nменяет свой знак на противоположный (модуль сохраняется одинаковым), касательная составляющая остаётся неизменной. Поэтому получим:

Из рисунка видно, чтоtgi=v_k/v_n=v_k/(-v_n) = -v_k/v_n= -tgi’, илиi=i’, то есть угол падения равен углу отражения. При выводе закона преломления Ньютон также воспользовался своей механикой. Обозначим скорость света в вакууме –c, а скорость света в некой среде –v. Поскольку предполагалось, что касательная составляющая скорости остаётся постоянной при пересечении границы раздела, тоcsini=vsinr.

Получимsini/sinr=v/c=const=n. Но посколькуi>r, тоsini>sinrи, следовательно,v >r. Получилось, чтоsini/sinr=const– это правильно (соответствует сегодняшним знаниям), ноv>c(т.е. скорость распространения света в среде больше, чем вакууме) – это неверно!

Продолжая исследования свойства света, Ньютон также показал, что белый свет (видимый глазом) является сложным и содержит цвета радуги, причём, каждый из которых характеризуется своей преломляемостью. Он это объяснил различием в массах корпускул разного цвета.

Наряду с корпускулярной концепцией света в XVIIв. возникла и начала развиваться волновая теория Гука-Гюйгенса. В "Трактате о свете" (1678 г.) Гюйгенс писал о свете, как о процессе распространения продольных деформаций (это было неверным предположением, поскольку свет – это поперечные колебания) в некоторой материальной среде, пронизывающей все тела -мировом эфире. Для анализа распространения этих деформаций Гюйгенс предложил простой метод, в основе которого лежит процесс распространения плоских волн в эфире. Рассмотрим доказательство закона преломления, приведенное Гюйгенсом:

Пусть фронт плоской волныAB, распространяющийся в вакууме со скоростьюc, падает под угломiна границу со средой, в которой скорость распространения равнаv. Спустя некоторый промежуток времениt, волна, распространяющаяся из точкиB, пройдёт путьBC=ctи достигнет границ раздела. За то же время волна, распространяющаяся от точкиAв среде со скоростьюv, пройдёт путьAD= vt. Направление распространения фронта волныDCв среде характеризуется углом преломленияr. Из рисунка видно, что сторонаACявляется одновременно гипотенузой двух прямоугольных треугольников иAC=ct/sini=vt/sinr. Отсюда, после сокращенияt получаем:sini/sinr=c/v=const= n(т.е., по сравнению с выражением, полученным Ньютоном, строго наоборот). Именно такое выражение соответствует современным представлениям о свете. То есть, Гюйгенс здесь оказался прав!

Более общая формулировка закона распространения света была дана Ферма (1601-1655). Согласнопринципу Ферма,лучи света распространяются по пути, приводящему к цели в кратчайшее время. С его помощью также можно доказать справедливость законов отражения и преломления света. Следует отметить, чтопринцип Фермане утратил своего значения до сих пор и применяется при выводе законовквантовой электродинамики.

И из корпускулярных и из волновых представлений о природе света можно вывести все законы геометрической оптики. Единственным противоречием этих двух подходов является то, что из корпускулярных представлений следует что v>c, а из волновых, наоборот,v<c(c- скорость распространения света в вакууме,v- скорость распространения света в среде). Верным оказался вывод Гюйгенса. Дальше продолжалось интенсивное изучение свойств света:

- в 1663 г. Гримальди впервые наблюдает явления дифракции и интерференции света;

- чуть позже Гюйгенс открывает поляризацию света, но не может её объяснить;

- в 1717 г. Ньютон показывает, что поляризация света может быть объяснена при предположении поперечности световых волн, хотя это противоречило волновой теории, так как считалось невозможным распространение упругой деформации поперечного сдвига;

- в 1756 г. Ломоносов вводит представление о "зыблющемся" или колебательном движении частиц эфира;

- Эйлер пишет формулу v=/T=и объясняет различием в частоте колебаний эфира различные цвета тел.

Борьба между сторонниками волновой и корпускулярной природе света доходила до курьёзов. Так, в 1818 г. сторонники корпускулярной теории выдвигают на конкурс Парижской Академии вопрос о дифракции света. Однако, премию получает Френель, давший объяснение дифракции, исходя из волновой теории. Он же доказывает возможность распространения поперечных колебаний, и в результате все явления поляризации были объяснены с волновой точки зрения.

То есть, наука о свете, в том числе - есть борьба идей.