Уч_Пособие_Часть_3 / Уч_Пособие_Часть_3 / Введение

8

ВВЕДЕНИЕ

Оптика  учение о свете (от греческого  Optike  зрительный), раздел физики, в котором изучаются процессы излучения и распространения электромагнитных волн (света) и явления, наблюдаемые при взаимодейст­вии света с веществом.

Оптика относится к таким наукам, первоначальные представле­ния о которых возникли в глубокой древности. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тысяч лет до н.э., и это свойство использовалось в древнем Египте при строительных работах (430 г. до н.э). Платон установил законы прямолинейного распространения и отра­жения света, Аристотель (350 г. до н.э.) и Птолемей (70-147 гг. н.э.) изучали преломление света. Архимеду (287-212 гг. н.э.) приписывают сожжение неприятельского флота лучами солнечного света при помощи системы вогнутых зеркал.

Следующий важный шаг развития оптики был сделан лишь много веков спустя, когда были открыты законы преломления. В средние века хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами. В 13 веке появились очки, в 16 – микроскоп, в 17 веке – телескоп и связанные с ними открытия в биологии, астрономии, физике. В это время было завершено построение фундамента оптики.

Важнейшим вопросом в оптике с древних времен был вопрос о природе света. Что такое свет? В 17 веке были открыты дифракция, интерференция и двойное лучепреломление, не поддающиеся истолкованию в рамках геометрической оптики. Голландский ученый Х. Гюйгенс сформулировал фундаментальный принцип волновой оптики, опираясь на который дал волновое истолкование законов отражения и преломления, а также объяснил двойное лучепреломление. Сформулировав фундаментальный принцип волновой оптики, Гюйгенс, однако, не разработал последовательную волновую теорию света, которая могла бы противостоять воззрениям Ньютона, поэтому корпускулярная «теория истечения» сохраняла господствующее положение в оптике до начала 19 века. Волновые представления Гюйгенса часто противопоставляют взглядам Ньютона на свет как поток частиц (корпускул). Это не совсем справедливо, так как Ньютон также обратил внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц.

Победа волновой оптики связана с работами английского ученого Т.Юнга и французского ученого О.Френеля. Френель, используя принцип Гюйгенса, дал удовлетворительное волновое объяснение многочисленных дифракционных явлений. В это же время была сформулирована важная идея о поперечности световых колебаний. Все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Вместе с тем свет представляли как упругие поперечные колебания эфира.

В 1848 году открытие английским физиком М. Фарадеем вращения плоскости поляризации света в магнитном поле стало первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с оптикой. Английский физик Д. К. Максвелл, основываясь на открытии Фарадея, пришел к выводу, что свет есть электромагнитные волны, а не упругие волны эфира. Максвелл теоретически показал, а немецкий физик Г.Герц подтвердил экспериментально в 1888 г., что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме со скоростью света.

Несмотря на успехи электродинамической теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов испускания и поглощения света веществом. Возникло представление о веществе как о совокупности осцилляторов (осциллятор – физическая система, совершающая колебания). Рассматривая эту проблему, немецкий физик М.Планк пришел к выводу (1900 г.), что элементарная колебательная система (электрон, атом, молекула) отдает и получает волновую энергию не непрерывно, а порциями, квантами. Построение электромагнитной теории света и дополнение электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось крупнейшим этапом развития оптики. Работы Планка и Эйнштейна, который приписал квантам света кроме энергии также импульс и массу, вернули оптике черты корпускулярных представлений. Исходя из этих представлений, были сформулированы законы теплового излучения, природа которого оказалась такой же, как и у оптического излучения. В 1899 году русским ученым П.Н.Лебедевым было измерено давление света.

По современным представлениям свет  это сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в дру­гих - как поток особых частиц (фотонов). Волновые либо корпускулярные свойства света проявляются в зависимости от конкретных условий. Так, при распространении света в пространстве и при взаимодействии световых потоков проявляются волновые свойства света, при взаимодействии света с веществом (атомами, элементарными частицами)  квантовые свойства. Волновая природа света подтверждается в явлениях интерференции, дифракции, поляризации, квантовая - в явлениях теплового из­лучения, фотоэффекта (впервые исследован русским ученым Столетовым), давлении света, эффекте Комптона и др.

В современной оптике квантовые представления не противопоставляются волновым, а сочетаются на идейной основе квантовой механики и квантовой электродинамики, развитой в трудах Н.Бора (Дания), М.Борна и В.Гейзенберга (Германия), В.Паули (Швейцария), Э.Шредингера (Австрия), английского физика П.Дирака, Э.Ферми (США), советских ученых Л.Д.Ландау и В.А.Фока.

Как было показано в теории Максвелла, свет  это электромагнитная волна, в которой векторы напряженностей элект­рического и магнитного полей и колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, перпендикулярных направлению распростра­нения волны (рис. 1). Несмотря на то, что электромагнитная волна представляет со­бой колебания электрического и магнитного полей, как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются электрическим полем. Поэтому в дальней­шем мы будем говорить только об электрических колебаниях в электро­магнитной волне.

Волновая теория света базируется на принципе X. Гюйгенса: каж­дая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени (рис. 2).

Фронтом волны называется геометрическое место точек, до кото­рых доходят колебания к моменту времени t. Волновой поверхностью – геометрическое место точек, имеющих одинаковую фазу.

Каков механизм излучения света? Свет испускается возбужденным атомом при его переходе из возбужденного состояния в нормальное (невозбужденное). Продолжительность процесса излучения света ато­мом оценивается временем τ = 10 ^–8 с. Затем, спустя некоторый промежуток времени, атом может вновь возбудиться и начать излучать свет. Такое прерывистое излучение света атомами (например, при нагревании) в виде отдель­ных кратко­вре­менных импульсов  цугов электро­магнитных волн  характерно для любого источника света. Каждый цуг волн имеет ограни­ченную протя­жен­ность l в про­стран­стве, связанную с конечной дли­тельностью τ его излучения и скоростью распространения света. Так, например, в вакууме протяженность цуга волн l = с∙τ; l = 3 ∙10⁸ м/с ∙ 10^-8с = 3 м. Цуги, испущенные разными атомами и даже одним и тем же ато­мом, различаются длиной волны λ, частотой ν и ориентацией плоскости колебаний вектора в пространстве.

С точки зрения квантовой теории излучение электромагнит­ного поля происходит не не­прерывно, а дискретно - определенными порциями - квантами (фотонами), энергия которых ε определя­ется частотой излучения ν :

, (1)

где h = 6,6 ∙ 10^-34 Дж∙c  постоянная Планка.

Свет не только излу­чается, но распространяется и поглощается в пространстве порциями - квантами, которые проявляют свойства частиц.

В соответст­вии с теорией относительности, которая установила связь массы и энергии

Е = mc², (2)

можно определить массу и импульс фотонa:

, (3)

. (4)

Формулы (1), (3) и (4) связывают корпускулярные (квантовые) характеристики излучения с волновыми. Массу, энергию, импульс фотона - с частотой его колебания и длиной волны.

Таким образом, свет представляет собой единство противополож­ных видов движения  волнового (электромагнитного) и корпускуляр­ного (квантового), т.е., по современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. На уровне макромира корпускулярное и волновое движения четко разграничены: одно дело  движение брошенного вверх камня, дру­гое  движение морской волны. На уровне микромира четкое раз­граничение волновых и корпускулярных свойств отсутствует. Микрообъекты (фотоны, электроны, протоны, нейтроны и т.д.) не являются ни чистыми корпускулами, ни чистыми волнами: корпускулярные и волновые свойства объединяются в рамках единого микрообъекта.