Глава I Предмет оптика и история развития учения о свете

Глава I

Предмет оптика и история развития учения о свете.

1. Область явлений, изучаемых оптикой

2. Оптическая область спектра электромагнитного излучения

3. Предыстория оптики

4. Период становления оптики как науки

5. Период современной оптики

Литература

Еще в недавнем прошлом оптическая наука ограничивалась изучением физических явлений лишь в видимой области спектра электромагнитных волн, вызы­вающей зрительные ощущения и называемой светом. В настоящее время изучаемый оптикой диапазон спектра значительно расши­рился за счет участков невидимого излучения, примыкающих к видимой области: ультрафиолетового, рентгеновского излучений, гамма-излучения и космических лучей, с одной стороны, и инфра­красного излучения вплоть до радиоволн миллиметрового интер­вала, — с другой.

Согласно электромагнитной теории света все электро­магнитные излучения (радиоволны, видимые и невидимые) имеют одинаковую природу и различаются между собой только частотой колебаний v и соответственно длиной волны .

Видимая невооруженным глазом область спектра на шкале электромагнитных волн занимает лишь небольшой участок =380...780 нм.

Весь оптический диапазон спектра, или оптическое излучение, включая и невидимые излучения, весьма условно ограничивают областью длин волн 0,01 нм...1 см. Как показывают исследования, границы отдельных областей на шкале электромагнитных волн

нечеткие — они перекрываются, т. е. границы спектра длинновол­нового инфракрасного излучения, а также коротковолновых излу­чений (космического и гамма-излучения) и других не являются строго определенными. С помощью современных лазеров можно генерировать как радиоизлучения, так и инфракрасные излучения большой мощности.

Оптикой называется раздел физики, в котором изучаются:

природа оптического излучения, законы его распространения и процессы, наблюдаемые при его взаимодействии с веществом. Так как оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, то оптика является частью учения об электромагнитном поле. Физические явления, изучаемые оптикой, связаны с рас­пространением коротких электромагнитных волн. Условно оптику как предмет изучения уже сложившейся традиции удобно подразде­лять на физическую, геометрическую и физиологическую.

1.1. Область явлений, изучаемых оптикой

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с при­родой света и световых явлений. В круг вопросов, рассматривае­мых физической оптикой, входят: всестороннее изучение природы света, его волновых и квантовых свойств, законов распростране­ния в изотропных и анизотропных средах, взаимодействия света с веществом, которое проявляется в процессах излучения, погло­щения и рассеяния.

Геометрическая оптика рассматривает формирование изобра­жения с помощью световых лучей. В основе геометрической оптики лежат законы прямолинейного распространения света и независи­мости распространения световых лучей в изотропных средах, а также законы преломления и отражения на границах раздела сред с разными оптическими свойствами. Природу световых излу­чений в геометрической оптике во внимание не принимают; пре­небрегают и такими физическими явлениями, как интерференция, дифракция и др.

Физиологическая оптика — наука о зрительном восприятии света глазом — смыкается с биофизикой и психологией, исследует механизмы зрения, изучает восприятие света глазом.

Значительную часть практических вопросов можно вполне удовлетворительно решить с помощью законов геометрической оптики. Теория оптических приборов базируется в основном на законах геометрической оптики, частью которой является теория аберраций и методика расчета оптических систем. Оптические системы приборов, рассчитанные в соответствии с законами геомет­рической оптики, обеспечивают достаточно хорошее качество изображения.

Однако существует ряд явлений, связанных с образованием оптических изображений и их качеством, которые можно правильно объяснить только с позиций физической или волновой оптики. К их числу относятся явления дифракции (отклонения лучей от прямолинейного распространения); интерференции (взаимодейст­вия световых пучков); дисперсии (изменения скорости распростра­нения излучения в зависимости от его частоты, в результате чего происходит разложение сложного излучения на его составляю­щие—монохроматические излучения). Такие вопросы объясняет только физическая оптика, рассматривающая световое излучение как процесс распространения коротких электромагнитных волн, и изучающая тонкую структуру оптического изображения.

Следует подчеркнуть, что все электромагнитные волны и, в частности, волны оптического диапазона могут вступать во взаимодействие со всеми известными современной науке вещест­вами. Это положение характеризует тесную связь учения об опти­ческих явлениях с учением о молекулярном строении вещества и объясняет широкое применение оптических методов исследования и контроля.