Изложенное во втором разделе книги показывает, что можно получить вполне удовлетворительное решение обширного круга вопросов практической оптики, не пользуясь волновыми представлениями о свете. Для этой цели было введено понятие светового луча как линии, ...
§ 124. Опытное осуществление интерференции света
Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев интерференции света. Однако условия возникновения интерференционной картины в этом случае значительно отличаются от условий, при...
§ 125. Объяснение цветов тонких пленок
Опираясь на сказанное в предыдущем параграфе, мы можем составить себе отчетливое представление о происхождении цветов тонких пленок. При освещений прозрачной пленки часть световой волны отражается от передней поверхности, часть от задней, благодаря чему в...
§ 126. Кольца Ньютона
Прихотливый вид интерференционных картин в тонких пленках объясняется, как сказано, случайными неравномерностями в толщине пленки. В пленке, имеющей вид клина, области одинаковой толщины вытянуты вдоль ребра клина и в соответствии с этим так же расположен...
§ 127. Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона
Для того чтобы использовать интерференционные явления, в частности кольца Ньютона для измерения длины волны, надо подробнее рассмотреть условия образования максимумов и минимумов света.При падении света на пленку или тонкую часть света проходит сквозь нее...
§ 128. Пучки лучей и форма волновой поверхности
Для очень большого круга вопросов, где успешно применялись построения геометрической оптики, Мы характеризовали распространение света при помощи лучей. Образование параллельного пучка лучей означало, что световая энергия распространяется лишь по направлен...
§ 129. Принцип Гюйгенса
Рисунки, представленные в предыдущем параграфе, дают лишь общее качественное понятие о волновом характере распространения света и о действии отражения и преломления на световую волну. Но еще Гюйгенс сумел использовать представление о распространении волн...
§ 130. Законы отражения и преломления света на основе принципа Гюйгенса
Пусть на границу раздела двух сред (рис. 273) падает параллельный пучок лучей, образуя угол с перпендикуляром к поверхности раздела. Согласно закону преломления пучок преломленных лучей будет распространяться по направлению, задаваемому углом. Закон пр...
§ 131. Принцип Гюйгенса в толковании Френеля
Изложенное в предыдущем параграфе наглядно показывает плодотворность принципа Гюйгенса для решения многих важных задач оптики. В формулировке Гюйгенса принцип этот имел характер геометрического правила, согласно которому результат действия вторичных волн...
§ 132. Простейшие дифракционные явления
Простейший случай нарушения законов геометрической оптики был описан в § 80, где было показано, что в случае прохождения света через очень малое отверстие не соблюдается правило прямолинейного распространения: свет на краях отверстия заметно отклоняется в...
§ 133. Объяснение дифракции по методу Френеля
Отступления от законов прямолинейного распространения света, примеры которых приведены в предыдущем параграфе, получают простое объяснение с точки зрения волновой теории и являются естественным следствием этой теории. Действительно, наблюдаемое в каждом с...
§ 134. Разрешающая сила оптических инструментов
Изложенное выше показывает, что отверстие, ограничивающее проходящую световую волну, обусловливает дифракцию света и приводит к сложной картине распределения освещенных и темных мест. Однако всякий оптический инструмент, в том числе и наш глаз, снабжен л...
§ 135. Дифракционные решетки
Положение максимумов; и минимумов, составляющих дифракционную картину, зависит, как мы видели, от длины световой волны. Поэтому при наблюдениях в сложном свете, например в белом, где представлены различные длины волн, дифракционные максимумы для различны...
§ 136. Дифракционная решетка как спектральный прибор
Из формулы (135.2) следует, что для данной длины волны может наблюдаться несколько максимумов. Направление, соответствующее, есть; это - направление первоначального пучка. Соответствующий максимум носит название максимума нулевого порядка; на рис. 280 ...
§ 137. Изготовление дифракционных решеток
Хорошая дифракционная решетка должна обладать малым периодом и большим числом полосок. В современных хороших решетках число это превышает (ширина решетки до, число полосок до на). Полоски должны быть строго параллельными между собой, и ширина полосок...
§ 138. Дифракция при косом падении света на решетку
На рис. 280 изображена дифракция параллельного пучка лучей (плоская волна) в случае, когда падающий пучок перпендикулярен к плоскости решетки (угол падения равен нулю). Дифракция, конечно, будет наблюдаться и при косом падении света, когда угол падения ра...
§ 139. Фотография и голография
В настоящем главе мы рассмотрим бурно развивающийся в настоящее время метод получения объемных изображений различных предметов, который имеет многочисленные научные и технические применения. Этот метод, называемый оптической голографией, основывается на я...
§ 140. Запись голограммы с помощью плоской опорной волны
Как было указано выше, прямая регистрация фазы оптических колебаний методами, фиксирующими лишь среднюю по времени интенсивность света, невозможна. Однако известно, что в явлениях интерференции света распределение его интенсивности в интерференционном пол...
§ 141. Получение оптических изображений по методу восстановления волнового фронта
Для прочтения записанной на голограмме информации об объекте наблюдения голограмму, полученную описанным выше способом, просвечивают. Принципиальная схема получения изображений показана на рис. 286. Плоская монохроматическая волна падает на голограмму сле...
§ 142. Голографирование по методу встречных световых пучков
В 1962 г. советским физиком Ю. Н. Денисюком был предложен метод получения голографических изображений, являющийся распитием практически уже не применявшегося тогда способа цветной фотографии Липпмана. Схема такой голографической записи приведена на рис. 2...
§ 143. Использование голографии в оптической интерферометрии
Как известно, явление интерференции света находит обширные и разнообразные применения в физике и технике. Например, интерференция света широко используется для тщательного контроля геометрической формы различных тел, качества обработки их поверхности, мал...
§ 144. Прохождение света через турмалин
Явления интерференции и дифракции, послужившие для обоснования волновой природы света, не дают еще полного представления о характере световых волн. Новые черты открывает нам опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин.Возьмем д...
§ 145. Гипотезы, объясняющие наблюдаемые явления. Понятие о поляризованном свете
Итак, свет, прошедший сквозь турмалин, приобретает особые свойства. Свойства световых волн в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, становятся анизотропными, т. е. неодинаковыми относительно плоскости, проходящей через луч и ось ту...
2. Геометрическая оптика
3. Физическая оптика
Список литературы
1. Оптика
Оптика - это раздел физики, в котором изучают свойства света, его физическую природу и взаимодействие с веществом. К видимому свету относят электромагнитные волны с частотой от 1,5*10 11 до 3*10 16 Гц. Видимый свет располагается между инфракрасным и ультрафиолетовым участками спектра электромагнитных излучений. Эту область спектра обычно называют оптической областью. Ей соответствуют длины волн λ, от 2*10 -3 до 10 -8 м.
2. Геометрическая оптика
Основной задачей всей геометрической оптики является получение изображений точечных источников света, а также протяженных предметов.
Изображением точечного источника света S называется такая точка S", которая является точкой пересечения и расхождения световых лучей из источника света S и которая воспринимается как источник света. В отличие от реального источника света, из которого лучи света расходятся во все стороны, из изображения лучи расходятся под определенным углом, поэтому его можно видеть не из любого положения.
Оптика относится к одному из древнейших разделов физики. Первые открытия в оптике были сделаны уже в древности. Тогда были открыты два закона геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света и закон отражения света.
К познанию этих законов древние мыслители пришли, вероятно, очень давно. Опыт повседневной жизни: наблюдение тени, перспективы, астрономические наблюдения - привел к возникновению понятия луча света, а также к понятию прямолинейного распространения света. Наблюдая затем явление отражения света, в частности в металлических зеркалах, которые были распространены в то время, древние пришли к пониманию закона отражения света.
Эти два закона были описаны знаменитым греческим ученым Евклидом, жившим в III веке до нашей эры. С помощью этих законов Евклид объяснил множество наблюдаемых явлений - например, явление отражения света от плоскихи даже сферических зеркал. Он геометрически вывел законы перспективы из четырнадцати исходных положений, которые были результатом оптических наблюдений. Например:
Лучи, исходящие из глаз, распространяются прямолинейно и расходятся в бесконечность;
Видимы те предметы, на которые падают зрительные лучи, и невидимы те, на которые зрительные лучи не падают;
Предметы, видимые под большими углами, кажутся больше, видимые под меньшими углами, кажутся меньше, а видимые под равными углами, кажутся одинаковыми;
Все, что видимо, видимо в прямолинейном направлении и т.д.
Исследованием отражения света плоскими и сферическими зеркалами занимался еще один знаменитый ученый древности - Архимед. Он знал свойство вогнутого сферического зеркала собирать световые лучи в фокусе. Согласно легенде, он даже смог сжечь неприятельский флот, используя щиты воинов как зеркала. Кроме того, Архимед в концепцию «лучей зрения» ввел поправки, основанные на влиянии величины зрачка на результат измерения.
Кроме закона прямолинейного распространения и отражения света ученые древности имели представление о преломлении света и даже пытались установить закон преломления.
При распространении в однородной среде свет движется прямолинейно. Прямая, указывающая направление распространения света, называется световым лучом. Однако необходимо всегда помнить о том, что понятие светового луча является геометрическим понятием. На границе раздела двух сред свет может частично отразиться и распространяться в первой среде по новому направлению, а также частично пройти через границу раздела и распространиться во второй среде.
Закон отражения. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, причем угол отражения β равен углу падения α.
При падении лучей света на идеальную плоскую границу раздела двух сред наблюдается так называемое зеркальное отражение. При зеркальном отражении отражающая свет поверхность невидима, видны только источники световых лучей. При падении параллельного пучка света на шероховатую поверхность наблюдается диффузное, или рассеянное, отражение. Каждый отдельный падающий луч при диффузном отражении подчиняется законам отражения света. Лучи, отраженные от участков такой поверхности, ориентированных различным образом по отношению к падающим лучам, не образуют параллельного пучка после отражения. В результате этого отражающая поверхность становится видимой.
В геометрической оптике важное место отводится нахождению изображений при отражении света от различных типов зеркал. Плоское зеркало представляет собой гладкую поверхность. Оно создает мнимое (кажущееся) изображение. Источник света S и его изображение S" расположены симметрично относительно поверхности зеркала.
Сферическое зеркало представляет собой гладкую сферическую поверхность. Ее оптической осью называется любая прямая, проходящая через центр кривизны сферической поверхности. Главная оптическая ось проходит через центр кривизны и полюс зеркала - точку, равноудаленную от границ зеркала.
Лучи, параллельные главной оптической оси, после отражения от сферического зеркала собираются в одной точке F, называемой фокусом зеркала. Расстояние от полюса зеркала до фокуса называется фокусным расстоянием f:
,
где R - радиус кривизны зеркала.
При построении изображения в зеркале необходимо учитывать три правила. Во-первых, луч, параллельный главной оптической оси, после отражения в зеркале проходит через фокус. Во-вторых, луч, прошедший через фокус, после отражения идет параллельно главной оптической оси. В-третьих, луч, проходящий через центр кривизны зеркала, при отражении совмещается с самим собой. Эти три луча, испущенные из данной точки предмета (источника), после их отражения в зеркале пересекаются в одной точке, являющейся изображением источника.
При переходе из одной среды в другую происходит преломление света - т.е. изменение направления его распространения. Впервые исследование преломления света было осуществлено Клавдием Птолемеем почти две тысячи лет назад; в его работе «Оптика» были описаны результаты экспериментирования по преломлению света в стекле и воде, представленные в виде таблиц, очень точных для того времени. Ученый стремился выявить причину того, почему при отражении углы падения и отражения равны, а при преломлении углы падения не равны углам преломления. Птолемей посчитал угол преломления пропорциональным углу падения. В правильной форме закон преломления был открыт в XVII веке голландским физиком Виллебрордом Снеллиусом (1591-1626) и, независимо от него, французским физиком Рене Декартом (1596-1650).
Понятия «фокус» и «оптическая ось» впервые ввел в обиход великий немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), разработав теорию построения изображения в оптических приборах. Эти понятия применяются в оптике вплоть до настоящего времени.
Закон преломления. Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Угол падения α и угол преломления γ связаны соотношением:
= n,где n - постоянная величина для двух данных сред, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления n среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды. Для двух сред с абсолютными показателями преломления n 1 и n 2 относительный показатель преломления n равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:
.Из двух сред та среда, которая обладает меньшим значением абсолютного показателя преломления, называется оптически менее плотной средой. Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол преломления γ меньше угла падения α.
При переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду угол преломления γ оказывается больше угла падения α. Наблюдая преломление света, можно увидеть, что помимо преломления происходит и отражение света от границы раздела двух сред. При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча увеличивается. При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (например, из стекла в воздух) при постепенном увеличении угла падения может быть достигнуто такое его значения α о, при котором угол преломления должен стать равным γ 0 = 90°:
.
При достижении такого значения угла падения интенсивность преломленного луча становится равной нулю: свет, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается от нее.
Угол падения α 0 , при котором наступает полное отражение света, называется предельным углом полного отражения. При всех углах падения, больших и равных α о, происходит полное отражение света.
При отражении и при преломлении свет может проходить один и тот же путь в двух этих противоположных друг другу направлениях. Это свойство света называется обратимостью световых лучей. Основным принципом геометрической оптики, из которого можно вывести все ее законы, является принцип Ферма.
Принцип Ферма . Свет распространяется из одной точки среды вдругую по пути, для прохождения которого затрачивается наименьшее время.
Fizikinė optika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. physical optics vok. physikalische Optik, f rus. физическая оптика, f pranc. optique physique, f … Fizikos terminų žodynas
физическая оптика - дисперсия света зависимость показателя преломления в ва от частоты проходящего через него света. радуга разноцветная дуга на небосводе; наблюдается, когда Солнце освещает завесу дождя, расположенную на противоположной от него стороне неба. гало.… … Идеографический словарь русского языка
- (греч. optike наука о зрительных восприятиях, от optos видимый, зримый), раздел физики, в к ром изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при вз ствии света и в ва. Оптич. излучение представляет… … Физическая энциклопедия
физическая светосила - Отношение освещенности изображения, создаваемого данной оптической системой, к яркости изображаемого предмета. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.]… … Справочник технического переводчика
Таблица «Оптика» из энциклопедии 1728 г. О … Википедия
- (др. греч. κίνησις движение) микроскопическая теория процессов в неравновесных средах. В кинетике методами квантовой или классической статистической физики изучают процессы переноса энергии, импульса, заряда и вещества в различных… … Википедия
- «Введение в истинную физическую химию». Рукопись М. В. Ломоносова. 1752 Физическая химия раздел химии … Википедия
Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия
Раздел оптики (См. Оптика), в котором изучаются явления, сопровождающие распространение оптического излучения (См. Оптическое излучение) в средах, Преломления показатель n которых не постоянен, а зависит от координат. Оптическими… … Большая советская энциклопедия
Раздел физ. оптики, в к ром изучаются явления, сопровождающие распространение оптического излучения в оптически неоднородных средах, показатель преломления n к рых не постоянен, а зависит от координат. Оптич. неоднородностями явл. поверхности или … Физическая энциклопедия
Книги
- Физическая оптика. Гриф МО РФ
- Физическая оптика. Гриф МО РФ , Ахманов С.А.. Книга написана на основе курса лекций, читающегося авторами на физическом факультете Московского государственного университета. Излагается электромагнитная теория света, физика излучения…
Первые представления о том, что такое свет, относятся к древности. Подавляющее большинство древних мыслителей рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Однако позже, к началу XVII века, такое представление о природе света теряет свое значение.
Наслаждаясь видом безоблачного неба, мы вряд ли склонны рассуждать о том, что небесная синева - это одно из проявлений рассеяния света. Оказывается, синие лучи, падающие на Землю от Солнца, рассеиваются молекулами воздуха примерно в 6 раз сильнее красных, поэтому небо выглядит голубым, а солнце тем краснее, чем оно ближе к горизонту. Подобным образом объяснил голубой цвет неба в 1871 году знаменитый английский математик и физик Джон Уильям Страт (по отцу - лорд Рэлей). С тех пор рассеяние света на отдельных атомах или молекулах и вообще на маленьких частицах - с размерами, намного меньшими длины световой волны, называют рэлеевским рассеянием.
Другая точка зрения заключалась в том, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Позже, в XVII веке, эта точка зрения оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет является потоком неких частиц, испускаемых светящимся телом.
Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве действие или движение. В дальнейшем его взгляды на природу света положили начало волновой теории света. Необходимо отметить, что огромную роль в развитии оптики сыграло определение скорости света. Впервые скорость света была определена датским астрономом Олафом Ремером (1644--1710) в 70-х годах XVII века. Проведя наблюдения над затмением спутников Юпитера и измерив время их затмения, он смог из полученных данных подсчитать скорость распространения света. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с.
В XVII веке происходит окончательное формирование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.
С точки зрения корпускулярной теории хорошо объяснялось прямолинейное распространение света и закон отражения света. Кроме того, закон преломления также не противоречил этой теории. Не было противоречий и с общими представлениями о строении вещества. Но, несмотря на преобладание взглядов о корпускулярной природе света, начинают развиваться и представления о его волновой природе.
Родоначальником волновой теории света является Декарт. Согласно его взглядам, свет - это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство (эфир). Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света. Однако необходимо отметить то, что взгляды Декарта носили чисто умозрительный характер.
Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618--1663), который заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое им явление ученый назвал дифракцией. Гримальди объяснял это явление тем, что свет -- это флюид (тонкая неощутимая жидкость) и при встрече с препятствием возникают волны этого флюида.
Дифракцией света называется явление огибания световыми волнами малых препятствий, встречающихся на пути их распространения. Например, при прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца. Чем меньше размеры экрана или отверстия, тем сильнее дифракция света.
Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Важная роль в исследовании интерференции принадлежит английскому физику Роберту Гуку (1635-1703). Гук считал, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже высказывал предположение, что эти колебания являются поперечными. При изучении цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой (например, мыльной) пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов.
Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волн. Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода Д1, кратной целому числу длин волн л:
наблюдается интерференционный максимум. При разности Д1, кратной нечетному числу полуволн:
наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других длин волн. Поэтому освещаемая белым светом тонкая бесцветная прозрачная пленка кажется окрашенной. При изменении толщины пленки или угла падения световых волн разность хода изменяется и условие максимума выполняется для света с другой длиной волны.
Дифракция света используется в так называемой дифракционной решетке, представляющей собой прозрачную пластинку с нанесенной на нее системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях d друг от друга.
При падении на решетку монохроматической волны с плоским волновым фронтом в результате дифракции из каждой щели свет будет распространяться не только в первоначальном направления, но и по всем другим направлениям.
Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости параллельные лучи от всех щелей соберутся в одну полоску. Параллельные лучи, идущие от краев двух соседних щелей, имеют разность хода:
где d -- расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки , ц- угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При равенстве разности хода Д1 целому числу длин волн:
где л - длина волны падающего света, наблюдается интерференционный максимум света. Линза не вносит разности хода. Таким образом, условие интерференционного максимума для каждой длины световой волны выполняется при своем значении угла дифракции ц. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.
Третье важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано в 1669 году датским ученым Бартолином. Он открыл явление двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенные друг относительно друга. Это явление затем исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.
Гюйгенс полагал, что все мировое пространство заполнено тонкой неощутимой средой - эфиром, который состоит из очень маленьких упругих шариков. Эфир заполняет также пространство между атомами, образующими обычные тела. По его мнению, распространение света - это процесс передачи движения от шарика к шарику. Для того чтобы показать способность волновой теории объяснить прямолинейное распространение света, Гюйгенс выдвигает свой, уже известный нам, принцип. Основываясь на этом принципе, он дал объяснения закону прямолинейного распространения света, законам отражения и преломления. Но, как известно, принцип Гюйгенса не мог объяснить явления дифракции и интерференции. Кроме того, теория Гюйгенса была теорией бесцветного света.
Первым, кто смог разобраться в явлении разложения белого света призмой в спектр, был Исаак Ньютон. В 60-е годы XVII века он открыл явление дисперсии света и простых цветов. Изучая явление разложения белого света в спектр, Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным светом. Он представляет собой сумму простых цветных лучей. Для того чтобы подтвердить вывод о том, что белый свет состоит из простых цветных лучей и разлагается на них при прохождении через призму, Ньютон провел следующий опыт.
В экране, на котором наблюдался спектр, делалось также малое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а монохроматический пучок света, т.е. свет, имеющий определенную окраску. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Этот пучок света отклонялся призмой как одно целое, под определенным утлом. При этом свет не изменял своей окраски. Поворачивая первую призму, Ньютон пропускал через отверстие экрана цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались второй призмой, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета.
После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые являются простыми и призмой не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое определенное значение. Открытие дисперсии подтверждало, по мнению Ньютона, корпускулярную теорию света.
Дисперсией света называется явление зависимости скорости света от длины волны или частоты. При прохождении через призму белого света на экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоса, состоящая из семи монохроматических составляющих и их полутонов. Эта полоса называется дисперсионным спектром. Этот спектр условно делится на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Смена цвета происходит непрерывно, причем смесь всех семи цветов дает белый цвет. Если из полного спектра исключить один из цветов, то комбинация оставшихся цветов дает цвета, которые называются дополнительными.
Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления света зависит от его длины волны. Наибольшее значение он имеет для света с самой короткой длиной волны - фиолетового света. Наименьшим показателем преломления обладает самый длинноволновый свет - красный. Абсолютный показатель преломления света определяется отношением скорости света С в вакууме к скорости света V в среде:
Исследования показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны. Таким образом, разложение света в стеклянной призме обусловлено зависимостью скорости распространения света в среде от длины световой волны.
Для того чтобы запомнить чередование цветов в спектре, обычно предлагают запомнить следующую фразу: «Каждый Охотник Желает Знать Где Скрывается Фазан», где заглавные буквы каждого слова являются первыми буквами в названии соответствующего цвета -- красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
Корпускулярная теория, как уже указывалось, не в состоянии была объяснить явление интерференции и дифракции света. Тогда Ньютон сам занялся исследованием интерференции. Он взял линзу, положил ее на стеклянную пластинку и пронаблюдал темные и светлые кольца, которые видны при освещении линзы и пластинки монохроматическим светом. Это были так называемые кольца Ньютона.
В конце XVIII веке английский ученый Томас Юнг (1773--1829) пришел к выводу, что кольца Ньютона можно объяснить с точки зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. Именно он впервые и ввел название «интерференция» (от латинских слов «inter» -- «взаимно» и «ferio» -- «ударяю»).
По мнению Юнга, кольца Ньютона в отраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором - темное. Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. По расположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра.
Существенное влияние на развитие волновой теории оказал французский инженер Огюстен Френель (1788--1827). Он дал объяснение прямолинейному распространению света, показав, что лучи, поляризованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируются. В опытах по дифракции света он установил, что дифракционные полосы появляются вследствие интерференции лучей. Принцип интерференции позволил Френелю законы отражения и преломления объяснить взаимным погашением световых колебаний во всех направлениях, за исключением тех, которые удовлетворяют закону отражения. Ему удалось экспериментально доказать, что световые лучи могут воздействовать друг на друга, ослабляться и даже почти полностью погашаться в случаях согласных колебаний, что и позволило ему дать объяснение явлению дифракции. Основное внимание Френель уделял опытам по дифракции света, для которой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась на усовершенствованном принципе Гюйгенса, который мы уже рассматривали выше как принцип Гюйгенса - Френеля. Используя этот принцип, Френель исследовал разные случаи дифракции и рассчитал расположение полос для этих случаев.
В XVII веке большое внимание уделялось исследованию явления двойного лучепреломления. Датский физик Бартолин наблюдал, что когда на кристалл исландского шпата падает луч света, то он при преломлении раздваивается. Если смотреть на точечный источник света через этот кристалл, то можно увидеть не один, а два таких источника. Это явление зависит от ориентации кристалла относительно луча. В кристалле есть направление, по которому раздваивание луча не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла.
Исследуя явление двойного лучепреломления в начале XIX века, французский инженер Малюс обнаружил, что если смотреть через кристалл исландского шпата на изображение солнца в стекле, то при одних положениях этого кристалла видно два солнца, а при определенном положении стекла и кристалла одно из изображений пропадает, даже если световые лучи направлены не вдоль оптической оси. Так было открыто явление поляризации света.
Интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые прозрачные кристаллы, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления. Если же второй кристалл повернут на 90° от первоначального положения, то свет через него не проходит. При прохождении через первый кристалл происходит поляризация света, т.е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора Е напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости. Эта плоскость называется плоскостью поляризации. Если плоскость, в которой пропускаются колебания вторым кристаллом, совпадает с плоскостью поляризации, поляризованный свет проходит через второй кристалл без ослабления. При повороте кристалла на 90° поляризованный свет не проходит через кристалл.
Анализируя явления поляризации и двойного лучепреломления, Юнг и Френель сделали вывод о поперечности световых волн. С помощью этой гипотезы Френель исследовал указанные явления и разработал теорию прохождения поперечных волн через двоякопреломляющее тело. Новые исследования интерференции и дифракции света, в частности изобретение дифракционной решетки, все больше и больше подтверждали волновую теорию света. К 40-м годам XIX века эта теория стала общепризнанной.
Одним из наиболее трудных для волновой теории света был вопрос о том, что же колеблется при распространении световых волн, в какой среде они распространяются.
На вопрос о природе света и механизме его распространения давала ответ гипотеза Максвелла. На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости света в вакууме со значением скорости распространения электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет - это электромагнитные волны. Его гипотеза подтверждается многими экспериментальными фактами. Представлениям электромагнитной теории света полностью соответствуют экспериментально открытые законы отражения и преломления света, явления интерференции, дифракции и поляризация света.
Однако электромагнитная теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта, явления взаимодействия света с веществом, в которых проявляются корпускулярные свойства света.
Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием света, открытое в 1887 году Генрихом Герцем. Фотоэффект подчиняется ряду закономерностей:
Энергия освобожденных электронов, называемых фотоэлектронами, абсолютно не зависит от интенсивности света;
Повышение интенсивности приводит к увеличению числа фотоэлектронов, но не их скорости;
Число фотоэлектронов пропорционально интенсивности света;
Скорость электронов зависит только от частоты падающего света: с увеличением частоты энергия фотоэлектронов возрастает линейно.
Все тела, кроме теплового излучения, в результате различных внешних воздействий дают избыточное излучение, которое не определяется температурой тела. Люминесценцией называют все виды свечений, возбуждаемых за счет любого внешнего источника энергии. Длительность люминесценции после прекращения внешнего воздействия значительно превышает период световых колебаний, что позволяет отличать ее от отражения и рассеяния света и пр.
Люминесценция обусловлена колебаниями небольшого количества атомов или молекул вещества, которые под действием источника энергии переходят в возбужденное состояние. Излучение возникает в результате переходов атомов или молекул из этих состояний в невозбужденное или менее возбужденное состояние, в результате чего высвобождается определенная энергия. Кратковременная люминесценция называется флюоресценцией.
Благодаря развитию волновой оптики человек открыл явление голографии. Физическая идея голографии состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях, может возникать интерференционная картина, то есть в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света. Для того чтобы эта интерференционная картина была устойчивой какое-то время и ее можно было записать, эти два пучка должны обладать определенными свойствами - они должны быть взаимно когерентными (т.е. у них должна быть одна и та же длина волны) и, кроме этого, за время регистрации должна быть одна фаза колебаний, то есть колебания светового поля должны быть синхронными. Практически это достигается тем, что два пучка образуются делением пучка одного источника излучения, излучающего строго одну длину волны (лазер со специальными параметрами излучения). Так как длина волны света достаточно мала, то расстояние между интерференционными максимумами и минимумами тоже мало - порядка 1 мкм, поэтому для регистрации применяются специальные мелкозернистые фотоэмульсии.
Термин «голография» (Holography) образован сочетанием слов «полный, весь» и «рисовать, записывать», так что несколько свободный перевод термина может звучать как «наиболее полная запись образа объекта». В наиболее общем виде идея голографии может быть сформулирована так - если каким-то способом точно зафиксировать структуру светового поля, исходящего от объекта, записать ее на какой-либо носитель, а затем восстановить это поле с достаточной точностью, то наблюдатель не сможет различить, наблюдает ли он сам объект или же его имитацию. В более узком смысле термин «голография» обозначает технологию (точнее, пакет технологий, объединенных общей идеей) такой «полной» записи волнового поля.
Лазерный луч расщепляется на два пучка, расширяется оптикой, чтобы осветить весь объект целиком. Один пучок, называемый «объектным», направляется на объект, освещая его так, чтобы отраженное от него излучение попадало на фотопластинку. Второй пучок, который называют «опорным», направляется прямо на фотопластинку. Эти два пучка будут интерферировать на поверхности фотопластинки, и при рассмотрении под микроскопом поверхность пластинки будет покрыта множеством интерференционных линий, колец. Это и есть запись структуры волнового поля, отраженного объектом.
Полученная голограмма носит название пропускающей голограммы. Если теперь эту голограмму осветить пучком лазерного света (на просвет, отсюда и название - пропускающая), то можно будет увидеть восстановленное изображение, расположенное точно в том месте, где ранее, при съемке, находился объект. Происходит это в результате того, что лазерный свет, проходя через фотопластинку с записанной ранее структурой светового поля, приобретает все свойства светового потока, который ранее, при записи, отражался объектом.
Cтраница 1
Физическая оптика изучает природу света, его законы и свойства. Она рассматривает интерференцию, диффракцию, поляризацию света, фотоэлектрический эффект и другие физические явления, связанные со светом.
Физическая оптика - раздел физики, в котором изучаются природа и свойства электромагнитного излучения, взаимодействие различных видов излучения со средой, законы преобразования излучения и явления, возникающие при прохождении его через оптические среды и устройства. Принципы построения оптико-физических систем также относятся к области этой науки.
Физическая оптика изучает явления, связанные с волновой природой света.
Физическая оптика образует специальный отдел электродинамики, охватывающий быстро меняющиеся поля. Особенное ее значение состоит в том, что она обнимазт ту область физики, где возможны наиболее тонкие измерения и вследствие этого возможно наиболее глубокое проникновение в подробности физических процессов. Вместе с тем в оптике яснее, чем в других областях физики, проявляется своеобразная тенденция научного исследования-оставить первоначальную исходную точку-чувственные ощущения - и построить наши физические понятия на более объективных основаниях. В то время как важнейшие оптические понятия - понятия света и цвета - развились первоначально из впечатлений нашего глаза, в современной физике понятия света и цвета не имеют ничего общего с непосредственными ощущениями, но относятся к электромагнитным волнам и периодам колебаний; это развитие вполне оправдывается принесенными им богатыми плодами.
Методы физической оптики используются для решения самых различных научных и практических задач. При этом цель таких задач часто состоит не только в изучении собственно-оптического излучения, а в определении конкретных параметров рассматриваемого объекта по той информации, которая содержится в этом излучении при взаимодействии его с исследуемым объектом или веществом.
Раздел физической оптики, изучающий влияние электрического поля на оптические свойства вещества.
Использование физической оптики в самых различных приложениях-от астрономии до кристаллографии-сводится к построению и обработке изображения путем анализа спектрального и пространственного распределения излучения. Для такой обработки может быть использован фурье-анализ, основанный на применении преобразования Фурье к полученной информации. Это обстоятельство было осознано достаточно давно, но только появление современной мощной вычислительной техники позволило сформироваться новому направлению, получившему название фурье-оптика.
Метод физической оптики является весьма распространенным методом расчета отраженных полей от объектов различной формы.
Метод физической оптики является весьма универсальным; он используется как в задачах рассеяния волн на гладких полностью или частично освещенных поверхностях, так и в задачах, где объектом рассеяния служат тела с ребрами и кромками. Несколько хуже работает он в задачах рассеяния волн на телах с изломами поверхности, точность его оказывается удовлетворительной лишь в направлениях геометрооптических отражений. В тех направлениях, где основная роль принадлежит краевым волнам, метод физической оптики дает неверные результаты.
В физической оптике рассматривается электромагнитное излучение в интервале длин волн от 1 нм до 1 мм.
В физической оптике изучают природу света, а также устанавливают обусловленные этой природой закономерности излучения света и его взаимодействия с веществом. Физическая оптика подразделяется на волновую оптику и квантовую оптику.
В физической оптике, кроме когерентного макрорассеяния, имеется еще микрорассеяние или, как его называют, молекулярное рассеяние, играющее громадную роль в исследовании вещества. Такое рассеяние происходит из-за изменения движения молекул или группы молекул. Это изменение движения приводит к образованию вторичных источников света, излучение которых, вообще говоря, незначительно и может происходить с направлениями и частотами, не совпадающими с направлениями и частотами основной волны.
