Лекция 4. оптика (1 часть)
§1 Краткая история развития представлений о природе света. Двойственный характер света. Источники.
Солнце находится от Земли на расстоянии 150 млн. км. Расстояние от Земли до звёзд значительно больше. Каким же образом свет, излучаемый Солнцем, звёздами и другими светящимися телами, распространяется в пространстве? Что такое свет? — Все эти вопросы издавна занимали человечество. В настоящее время наукой выяснено многое о природе света и законах его распространения.
Под светом будем понимать электромагнитное излучение в интервале длин волн от 0,1 А (1 А = 10-8 см) до порядка 10° А. Электромагнитное излучение с длинами волн в области от 4000 А до 7630 А воспринимается непосредственно глазом и называется видимым светом.
Оптика — это раздел физики, занимающийся изучением природы света *, законов его .распространения и взаимодействия с веществом.
Как известно, четыре основных закона геометрической оптики (законы прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, отражения света от зеркальных поверхностей и преломления света на границе раздела двух прозрачных сред) были установлены на основе опытных данных еще задолго до выяснения истинной природы света. В связи с этим уместно привести некоторые исторические сведения.
Еще 430 лет до нашей эры школа Платона установила законы прямолинейного распространения и отражения света от зеркальных поверхностей. Закон прямолинейного распространения нашел свое отражение также в трудах Эвклида (300 лет до н. э.), тогда как закон преломления света, можно полагать, был установлен Аристотелем (350 лет до н. э.). Окончательно закон преломления был установлен Снеллиусом в конце XVI в. Им было найдено, что отношение синусов углов падения и преломления остается постоянным для двух данных сред (рис. 1). В середине XVII в. Декарт дал математическую формулировку закона преломления света.
Рис. 1 Закон
преломления света
Согласно Пифагору (450 лет до н. э.), тела становятся видимыми благодаря попаданию в глаз человека частиц, вылетающих из тел. Эти частицы Демокрит (460—370 лет до н. э.) назвал атомами. Подобные догадки относительно природы света были опровергнуты Аристотелем. Согласно Аристотелю, свет, передаваясь через посредство прозрачной среды, расположенной между объектами и глазом, вызывает зрительное действие. Эта идея Аристотеля как бы положила начало учению о светоносной среде — эфире.
В XVII в. Кеплер высказал предположение относительно природы света. Согласно Кеплеру, свет представляет собой частицы, излучаемые веществом — источником. Он считал распространение света мгновенным процессом.
Последовательная теория о природе света была выдвинута Ньютоном на основе наблюдений и проделанных экспериментов. Ньютон разобрал два противоречивых друг другу случая. Согласно одной из гипотез, свет есть волновая энергия. Ньютону были известны явления огибания препятствий звуковыми волнами и волнами воды. Он полагал, что предметы за препятствиями не видны из-за отсутствия огибания последних световыми волнами. Этот факт послужил основанием для отказа от волновой теории. Согласно другой гипотезе, свет представляет собой корпускулы, движущиеся равномерно прямолинейно в однородной среде. Явление дисперсии света, наблюдаемое впервые Ньютоном в опыте с призмой, было объяснено с помощью корпускулярной теории. По Ньютону, цвета определяются размерами носителей-корпускул: красному цвету соответствуют корпускулы наибольшего, фиолетовому — наименьшего размера. Корпускулярная теория могла объяснить законы отражения и преломления света. Согласно этой теории, отражение света происходит подобно упругому удару шарика о неподвижную стенку, т.е. углы падения и отражения должны быть равны. Далее, корпускула, падающая на границу раздела двух прозрачных сред, при дальнейшем прохождении в более плотной среде приближается (из-за увеличения притяжения) к нормали, опущенной к границе раздела.
Спустя несколько лет после создания Ньютоном корпускулярной теории известный ученый X. Гюйгенс, опираясь на аналогию оптических и акустических явлений, выдвинул волновую теорию света.
Согласно Гюйгенсу, свет есть упругие импульсы, распространяющиеся в особой среде — эфире. Он полагал, что не только сами тела, но также пространство между ними заполнены эфиром. Согласно Гюйгенсу, большая скорость распространения света обусловлена особыми свойствами эфира.
В основу волновой теории Гюйгенса положен принцип, носящий его имя. Согласно этому принципу, каждая точка, до которой доходит световая волна, становится в свою очередь центром вторичных волн; поверхность, огибающая в произвольный момент времени эти вторичные волны, определяет фронт распространяющейся волны в этот момент времени.
Принцип Гюйгенса позволяет определить фронт волны в любой момент времени, если он известен в какой-то предыдущий момент (рис. 2). Зная положение фронта волны, можно определить направление распространения (направление, перпендикулярное волновому фронту) света.
Рис. 2 Принцип
Гюйгенса
Таким образом, к началу XVIII в. существовали два подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. XVIII век стал веком борьбы этих двух теорий.
Ньютон был противникам волновой теории. Его величайшие открытия в области механики принесли ему славу, и этот факт сыграл существенную роль в признании корпускулярной теории света. Несмотря на то что против корпускулярной теории с разными, серьезными в те времена, возражениями выступали такие ученые, как Ломоносов и Эйлер, эта теория господствовала почти в течение всего XVIII в. Образно говоря, XVIII век был «веком Ньютона».
В конце XVIII в. результаты многих теоретических и экспериментальных исследований расшатали основы корпускулярной теории и она стала сдавать свои позиции. К началу XIX в. правильность волновой теории уже не вызывала никакого сомнения и корпускулярная теория была полностью отвергнута. Это стало возможным после того, как Т.Юнг исследовал явления дифракции и интерференции света, а О.Френель, опираясь на волновую теорию и дополнив принцип Гюйгенса принципом интерференции, блестяще объяснил эти два явления. В дальнейшем Френель и Араго изучали такие явления, как поляризация света и интерференция поляризованных лучей. Полученные ими результаты позволили сделать заключения и о природе света. Френель и Араго пришли к выведу, что дифракция и интерференция света могут быть объяснены, если принять световые волны поперечными. В связи с этим заключением возникли своеобразные трудности перед гипотезой эфира, смысл которых заключается в следующем. Известно, что поперечные упругие волны распространяются только в твердых телах (за исключением случая на границе раздела несмешивающихся жидкостей и жидкость—воздух). Следовательно, поскольку свет является поперечной волной, то носитель световых волн — эфир — должен обладать свойствами твердых тел. Эфир, с одной стороны, должен иметь очень малую плотность, а с другой стороны, должен обладать очень большим модулем сдвига. Это была не единственная трудность, стоящая перед гипотетическим эфиром. Как показали измерения Фуко и Физо, скорость распространения света в разных средах различна. Это могло иметь место в случае, если бы эфир обладал разными свойствами в разных средах. Неприятности, связанные с эфиром, этим не исчерпываются. Если эфир обладает свойствами твердого тела, то в нем могут распространяться как поперечные, так и продольные волны, в то время как у световой волны продольной составляющей нет. Следовательно, эфир должен был обладать такими свойствами, которые допускают распространение в нем только поперечной волны.
Значительным шагом в развитии теории света явилась теория, разработанная Максвеллом во второй половине XIX в. на основе работ Кулона, Ампера, Фарадея, Вебера, Кольрауша и др. Обобщая известные факты, Максвелл выдвинул электромагнитную теорию света, согласно которой световые волны представляют собой не что иное, как электромагнитные волны высокой частоты. Им была предложена система дифференциальных уравнений, описывающая электромагнитные волны.
Как Максвелл, так и Лорентц считали, что носителями световой волны в пространстве является эфир. Существование эфира долгое время не вызывало сомнений, а представления о свойствах эфира развивались параллельно с представлениями о природе света. Согласно Максвеллу, эфир является ответственным за все электромагнитные явления. По Лорентцу, эфир представляет собой бесконечную среду, характеризующуюся только одним параметром — скоростью распространения света в данной среде. Опыты Морли — Майкельсона опровергли представления о покоящейся среде — эфире, в результате этого электродинамика Лорентца была заменена электродинамикой теории относительности.
Теория Лорентца, несмотря на определенные успехи, встретила серьезные трудности. В частности, она не могла объяснить распределения энергии по частотам при тепловом излучении абсолютно черного тела. Эти недостатки теории не были устранены и попытками других ученых (Вин, Рэлей, Джинс). Смелая гипотеза, выдвинутая в 1900 г. Планком, решила проблему спектрального распределения энергии теплового излучения.
Согласно гипотезе Планка, излучение электромагнитного поля происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия w которых определяется частотой v:
где h — постоянная Планка. Позже Эйнштейном была выдвинута идея о том, что не только излучение, но и поглощение, а также распространение света происходит порциями, которые переносятся световыми квазичастицами, которые были названы фотонами.
Теория Планка, хотя и противоречила духу классической физики, подтверждалась опытными фактами и смогла решить задачу теплового излучения абсолютно черных тел. Следует отметить, что квантовая теория Планка совершенно не нуждается в понятии «эфирной среды». Таким образом, к началу XX в. наряду с электромагнитной теорией возродилась «корпускулярная» теория света, но, безусловно, отличная от корпускулярной теории Ньютона.
Подводя итоги, приходим к естественному выводу о том, что свет имеет двойственную природу — волновую и корпускулярную, т.е. свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, называемой корпускулярно-волновым дуализмом.
Источники света.
«Свет — необходимое условие для "работы глаза, самого тонкого, универсального и могучего органа чувств,—писал академик С. И. Вавилов. — Ночь лишает человека этого органа, превращая жизнь из активной в пассивную.
Роль искусственного света — поддерживать деятельное, бодрствующее сознание. Свет фактически удлиняет сознательное существование человека, и в этом прежде всего его великое значение. Неудивительно поэтому, что в наше время вопрос о количестве света вырастает в очень большую технико-экономическую проблему».
Мы видим( различные тела, когда от них исходит свет и попадает к нам в глаза. Одни тела мы видим независимо от того, светло вокруг нас или темно. Они сами излучают свет в окружающее пространство, такие тела называются источниками света
Большинство же тел мы видим только тогда, когда они сами освещены источниками света.
Источники света можно разделить на естественные и искусственные. Из естественных источников света главное значение имеет для нас Солнце, так как свет, излучаемый Солнцем, является первоисточником большинства энергетических запасов, которыми располагает человечество в настоящее время. Солнечный свет является источником жизни для всех живых организмов на земле — растений, животных, человека.
Искусственные источники света, которыми человечество овладевало по мере своего развития и с которыми каждый из нас до сих пор встречается (костры, спички, свечи, керосиновые и электрические лампы), как и Солнце, всегда горячие.
Все эти источники испускают свет в нагретом состоянии, поэтому они называются тепловыми источниками света.
Наряду с тепловыми источниками в настоящее время всё шире и шире начинают проникать в технику и быт новые виды источников света, в которых используется свечение газов под действием проходящих через них электрических токов. Температура газа в таких лампах при свечении почти не меняется, поэтому их называют иногда источниками «холодного света». Они значительно экономичнее электрических ламп накаливания. Кроме того, в некоторых из них можно получить свет, одинаковый по своему составу с солнечным светом. Такие лампы «дневного света» сейчас используются во многих производствах.