Лекция №6

Тема. Основы оптики.

Введение

Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

В течение последних двух с половиной столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света. Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» - неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Обе теории удовлетворительно объясняли закономерности, присущие некоторым световым явлениям, например законы отражения и преломления света. Однако такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, не укладывались в рамки этих теорий.

До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX в. благодаря исследованиям Юнга (1801 г.) и Френеля (1815 г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса-Френеля. Волновая теория Гюйгенса-Юнга-Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.

Через полвека Джеймс Клерк Максвелл пришёл к своей теории, которая описывала процессы изменения электрического и магнитного полей во времени – а именно электромагнитные волны (ЭМВ). Экспериментальные данные позволили установить, что свет представляет собой электромагнитные волны с определённой длиной волны – от 0,4 до 0,76 мкм. Представление о волновой природе света продержалось около 50 лет. Оказалось, что спектральные линии излучения и поглощения химических элементов и фотоэффект свидетельствуют о дискретном поглощении и излучении света. То есть свет ведёт себя как совокупность большого числа частиц (квантов) – фотонов. В дальнейшем квантовую теорию света развили Планк, Эйнштейн. Большой вклад в исследование электромагнитных волн внесли Бор, Шредингер, Дирак, Фейнман, Фок.

На сегодняшний день в физике общепринятой концепцией считается концепция корпускулярно-волнового дуализма. Согласно ей, все частицы обладают как волновыми свойствами, так и корпускулярными. То есть свет в одних случаях можно считать волной, а в других – совокупностью частиц. В сегодняшней лекции мы затронем вопросы, касающиеся волновой природы света.

В ЭМВ колеблются векторы электрического и магнитного полей , (Рис.6.1).

Рис. 6.1. Колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей в ЭМВ.

Из экспериментальных данных следует, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое действия света вызываются колебаниями электрического вектора , поэтому мы будем рассматривать только электрическую составляющую электромагнитной волны.

Модуль амплитуды светового вектора мы будем обозначать, как правило, буквой (иногда ). Соответственно, изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он колеблется, будет описываться уравнением

,

где - угловая частота, - волновое число, - расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны. Для плоской волны, распространяющейся в непоглощающей среде, , для сферической волны .

Отношение скорости световой волны в вакууме к фазовой скорости в некоторой среде называется абсолютным показателем преломления этой среды и обозначается буквой :

.

Теория Максвелла приводит к соотношению

,

где - электрическая и магнитная проницаемости среды. Для большинства прозрачных веществ можно считать, что . Формула на первый взгляд может показаться неправильно: для воды , в то время как . Тем не менее, учёт дисперсии света в воде позволяет получить правильное значение для показателя преломления по формуле .

Значение показателя преломления характеризует оптическую плотность среды. Чем больше его значение, тем больше оптическая плотность среды. Если в вакууме длины волны с частотой равна , то в веществе она определяется по формуле:

.

То есть в оптически более плотном веществе длина волны уменьшается по сравнению с оптически менее плотным веществом.

Рис. 6.2. Колебания вектора напряжённости электрического поля.

ЭМВ характеризуется средней по времени плотностью потока энергии, которая называется интенсивностью света : . Линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называются лучами. Колебания вектора напряжённости электрического поля происходят в плоскости, перпендикулярной к лучу (Рис. 6.2.). То есть, ЭМ колебания являются поперечными. В свете, испускаемым обычными источниками, данные колебания совершаются в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу. Это происходит из-за того, что излучение светящегося тела представляет собой суперпозицию волн, у которых фаза колебаний случайна, следовательно, будет случайно и направление колебаний результирующего вектора электрического поля. Если направления колебаний вектора электрического поля упорядочены каким-либо образом, то говорят, что свет поляризован. Например, колебание напряжённости электрического поля в одном направлении соответствует линейной поляризации. В случае, когда конец вектора описывает эллипс, говорят, что свет поляризован эллиптически. При равенстве полуосей эллипса поляризация света считается круговой.