29

00

1

c

eµ

=

55. Оптическая система глаза

и некоторые ее особенности

Глаз человека является своеобразным оптическим

прибором, занимающим в оптике особое место. Для

медиков глаз не только орган, способный к функциоƒ

нальным нарушениям и заболеваниям, но и источник

информации о некоторых неглазных болезнях. Остаƒ

новимся кратко на строении глаза человека.

Собственно глазом является глазное яблоко, имеюƒ

щее не совсем правильную шаровидную форму. Стенƒ

ки глаза состоят из трех концентрически расположенƒ

ных оболочек: наружной, средней и внутренней.

Наружная белковая оболочка — склера — в передней

части глаза превращается в прозрачную выпуклую роƒ

говую оболочку — роговицу. По оптическим свойƒ

ствам роговица — наиболее сильно преломляющая

часть глаза. Она является как бы окном, через которое

в глаз проходят лучи света. Наружный покров роговиƒ

цы переходит в конъюнктиву, прикрепленную к векам.

К склере прилегает сосудистая оболочка, внутренƒ

няя поверхность которой выстлана слоем темных пигƒ

ментных клеток, препятствующих внутреннему дифƒ

фузному рассеянию света в глазу. В передней части

глаза сосудистая оболочка переходит в радужную, в коƒ

торой имеется круглое отверстие — зрачок. Непоƒ

средственно к зрачку с внутренней стороны глаза приƒ

мыкает хрусталик — прозрачное и упругое тело,

подобное двояковыпуклой линзе. Диаметр хрусталиƒ

ка 8—10 мм, радиус кривизны передней поверхности

в среднем 10 мм, задней — 6 мм. Показатель прелоƒ

мления вещества хрусталика несколько больше —

11,4. Строение хрусталика напоминает слоистую

структуру лука, причем показатель преломления слоƒ

56. Тепловые излучения тел

Из всего многообразия электромагнитных излучеƒ

ний, видимых или невидимых человеческим глазом,

можно выделить одно, которое присуще всем телам.

Это излучение нагретых тел, или тепловое излучение.

При тепловом излучении энергия переносится от одƒ

ного тела к другому благодаря испусканию и поглощеƒ

нию электромагнитных волн. Тепловое излучение наƒ

гретых тел возникает при любых температурах,

поэтому испускается всеми телами.

Равновесное (черное) излучение— это излучеƒ

ние, находящееся в термодинамическом равновесии

с телами, имеющими определенную температуру. Абƒ

солютно черное тело — это тело, которое полностью

поглощает любое падающее на его поверхность элекƒ

тромагнитное излучение независимо от температуры

тела.

Для абсолютно черного тела поглощательная споƒ

собность (отношение поглощенной энергии к энергии

падающего излучения) равна единице.

По своим характеристикам такое излучение подчиƒ

няется закону излучения Планка, определяющему исƒ

пускательную способность и энергетическую яркость

абсолютно черного тела. Он высказал гипотезу, из коƒ

торой следовало, что черное тело излучает и поглоƒ

щает энергию не непрерывно, а определенными порƒ

циями, квантами.

Закон Кирхгора устанавливает количественную

связь между излучением и поглощением — при одинаƒ

ковой плотности энергетической светимости к монохƒ

роматическому коэффициенту поглощения света для

любых тел, в том числе и для черных. Закон Кирхгора

устанавливает, что отношение испускательной споƒ

54. Поляризация света

Свет представляет собой поперечные электромагƒ

нитные волны. Поляризация света— упорядочение

в ориентации векторов напряженностей электричеƒ

ского и магнитного полей световой волны в плоскоƒ

сти, перпендикулярной световому лучу.Естественный

свет (солнечный, лампы накаливания) неполяризован,

т.е. все направления колебаний электрическогои магƒ

нитного векторов перпендикулярные световым лучам,

равноправны. Существуют приспособления, называƒ

емые поляризаторами, которые обладают способноƒ

стью пропускать через себя световые лучи с одним

направлением колебаний электрического вектора Е,

так что на выходе поляризатора свет становится плоƒ

ско (линейно) поляризованным. При произвольном

угле a между направлениями анализатора и поляризаƒ

тора амплитуда световых колебаний, выходящих из

анализатора, равна:

Ea= Encosa,

гдеEn— амплитуда колебаний на выходе из поляриƒ

затора.

В электромагнитной волне плотность энергии (инƒ

тенсивность) пропорциональна квадрату амплитуды

колебаний Е, т. е. и

На основании этого получаем:

Ia=Incos2 a.

Это соотношение называется законом Малюса.

Степень поляризации света (максимальная и миниƒ

мальная) равна интенсивности частично поляризоƒ

ванного света, пропускаемого анализатором.

Поляризация происходит и на границе двух изотроƒ

пных диэлектриков. Если падающий свет естественƒ

2

.IE

−

2

nn

IE

−

53а54а

55а56а

,

c

n

u=

,ueµ

=

53. Волновая оптика

Волновые свойства света. Свет — это электромагƒ

нитные волны в интервале частотой 13 ´1014—8 ´

´1014 Гц воспринимаемые человеческим глазом, т. е.

длина волн 380 ´770 нм. Свету присущи все свойства

электромагнитных волн: отражение, преломление,

интерференция, дифракция, поляризация.

Электромагнитная природа света.До середины

XIX ввопрос о природе света оставался практически

нерешенным. Ответ на него был найден Дж. Максвелƒ

лом, обосновавшим общие законы электромагнитного

поля. Из теории Дж. Максвелла следовал вывод о том,

что свет — это электромагнитные волны определенƒ

ного диапазона. Скорость света в однородной среде.

Скорость света определяется электрическими и магƒ

нитными свойствами среды. Подтверждением этого

служит совпадение скорости света в вакууме с элекƒ

тродинамической постоянной:

(e

0

— электрическая постоянная, m

0

— магнитная поƒ

стоянная). Скорость света в однородной среде, как

известно, определяется показателем преломления

среды n. Скорость света в веществе:

гдес — скорость света в вакууме.

Из теории Максвелла следует:

.

c

u

eµ

=

53б

54б

55б

2

21

1

,

n

n

n

=

ев неодинаков. Между роговицей и хрусталиком

расположена передняя камера глаза, она заполƒ

нена влагой — жидкостью, близкой по оптическим

свойствам к воде. Вся внутренняя часть глаза от хруƒ

сталика до задней стенки занята прозрачной студениƒ

стой массой, называемой стекловидным телом. Покаƒ

затель преломления стекловидного тела такой же, как

у водянистой влаги.

Рассмотренные выше элементы глаза в основном

относятся к его светопроводящему аппарату.

Зрительный нерв входит в глазное яблоко через заƒ

днюю стенку; разветвляясь, он переходит в самый

внутренний слой глаза — сетчатку, или ретину, являюƒ

щуюся световоспринимающим (рецепторным) аппаƒ

ратом глаза. Сетчатка состоит из нескольких слоев

инеодинакова по своей толщине и чувствительности

к свету, вней находятся светочувствительные зриƒ

тельные клетки, периферические концы которых имеют

различную форму. В месте вхождения зрительного нерƒ

ва находится не чувствительное к свету слепое пятно.

Глаз может быть представлен как центрированная

оптическая система, образованная роговицей, жидкоƒ

стью передней камеры и хрусталиком (четырьмя преƒ

ломляющимися поверхностями) и ограниченная спеƒ

реди воздушной средой, сзади — стекловидным

телом. Главная оптическая ось проходит через геомеƒ

трические центры роговицы, зрачка и хрусталика.

Кроме того, выделяют еще зрительную ось глаза,

которая определяет направление наибольшей светоƒ

чувствительности и проходит через центры хрусталиƒ

ка и желтого пятна.

т. е. показатель преломления, а следовательƒ

но, и скорость в среде определяются диэлектриƒ

ческой и магнитной проницаемостью среды:

Интерференцией называется сложение волн от двух

или нескольких источников, когда в результате сложеƒ

ния нарушается принцип суперпозиции интенсивноƒ

стей.

Плотность энергии в электромагнитной волне проƒ

порциональна квадрату амплитуды волны и определяƒ

ет интенсивность световой волны, которую человечеƒ

ский глаз оценивает как освещенность.Дифракция

света — явления отклонения света от прямолинейноƒ

го направления при прохождении у края преграды.

Дифракция волн — совокупность явлений, наблюдаƒ

емых при прохождении волн в неоднородных средах,

приводящих к отклонению волн от первоначального

прямолинейного распространения.

Принцип Гюйгенса—Френеля. Каждая точка поверхƒ

ности, которой достигла в данный момент волна, слуƒ

жит точечным источником вторичных сферических

волн, которые являются когерентными: волновая поƒ

верхность в любой момент времени представляет соƒ

бой не просто огибающую вторичных волн, а резульƒ

тат их интерференции.

Метод зон Френеля. Для точечного источника в одƒ

нородной и изотропной среде волновые поверхности

имеют сферическую форму. Френель предложил разƒ

бивать волновую поверхность на отдельные участки,

называемые зонами Френеля, так, чтобы колебания,

приходящие от двух соседних зон в точку наблюдения,

при сложении гасили друг друга.

1

.

a

l



−





()

,

rT

fT

aT

w

w

w

=

56б

30

ный, то преломленный и отраженный лучи чаƒ

стично поляризованы, причем преимущественƒ

ное направление колебаний электрического вектора

преломленной волны лежит в плоскости падения, а

отраженный — перпендикулярно ей. Степень поляриƒ

зации зависит от показателя преломления второй

среды относительно первой:

и от угла падения a, причем при угле падения aБ, для

которого tg a

Б

= n

21

(закон Брюстера), отраженный луч

поляризован практически полностью, а степень поляƒ

ризации преломленного луча максимальна.

Двойным лучепреломлением называется способƒ

ность некоторых веществ, в частности кристаллов,

расщеплять падающий световой луч на два луча —

обыкновенный (О) и необыкновенный (Е), которые

распространяются в различных направлениях с разƒ

личной фазовой скоростью и поляризованы во взаимƒ

но перпендикулярных плоскостях.

При прохождении света через некоторые вещества,

называемые оптически активными, плоскость поляриƒ

зации света поворачивается вокруг направления луча.

Угол поворота f плоскости поляризации пропорционаƒ

лен пути I, пройденному светом в оптически активном

веществе:

f = aI,

гдеа — постоянная вращения, зависящая от свойств

вещества и длины световой волны

8

24

5,710.

Bm

Q

K

µ

−

=´

собности r тела к его поглотительной способноƒ

сти абсолютно черного тела f(w, Т) при тех же

значениях температуры и частоты:

гдеw — частота волны.

Закон СтефанаƒБольцмана: энергетическая интеƒ

гральная светимость R (T) абсолютно черного тела

пропорциональна четвертой степени абсолютной

температуры:

R(T) = QT

4

.

Числовое значение постоянной Q, называемой поƒ

стоянной СтефанаƒБольцмана, равна:

Закон смещения Випа— длина lm , на которую

приходится максимум энергии излучения абсолютно

черного тела, обратно пропорциональна абсолютной

температуре Т. Значение постоянной Випа 2,898 ´

´10

ƒ3

µK.

µK — постоянная Випа. Этот закон выполняется и для

серых тел.

Проявление закона Випа известно из обыденных наƒ

блюдений. При комнатной температуре тепловое изƒ

лучение тел в основном приходится на инфракрасную

область и человеческим глазом не воспринимается.

Если температура повышается, то тела начинают свеƒ

титься темноƒкрасным светом, а при очень высокой

температуре — белым с голубоватым оттенком, возраƒ

стает ощущение нагретости тела.