Уч_Посібник_Частина - Уч_Посібник_Частина - Вступ
Оптика - вчення про світло (від грецького - 3) Optike - зоровий), розділ фізики, в якому вивчаються процеси випромінювання та поширення електромагнітних хвиль (світла) та явища, що спостерігаються при взаємодії світла з речовиною.
Оптика відноситься до таких наук, початкові уявлення про які виникли в давнину. Прямолінійність поширення світла була відома народам Месопотамії за 5 тисяч років до н. Платон встановив закони прямолінійного поширення та відображення світла, Аристотель (350 р. до н.е.) та Птолемей (70-147 рр. н.е.) вивчали заломлення світла. Архімед (287-212 рр. н.е.) приписують спалення ворожого флоту променями сонячного світла за допомогою системи увігнутих дзеркал.
Наступний важливий крок розвитку оптики було зроблено лише через багато століть, коли були відкриті закони заломлення. У середні віки добре були відомі емпіричні правила побудови зображень, які давали лінзи. У 13 столітті з'явилися окуляри, у 16 – мікроскоп, у 17 столітті – телескоп та пов'язані з ними відкриття у біології, астрономії, фізиці. У цей час було завершено побудову фундаменту оптики.
Найважливішим питанням в оптиці з давніх-давен було питання про природу світла. Що таке світло? У 17 столітті були відкриті дифракція, інтерференція та подвійне променезаломлення, що не піддаються тлумаченню в рамках геометричної оптики. Голландський вчений Х. Гюйгенс сформулював фундаментальний принцип хвильової оптики, спираючись на який дав хвилеве тлумачення законів відображення та заломлення, а також пояснив подвійне променезаломлення. Сформулювавши фундаментальний принцип хвильової оптики, Гюйгенс, однак, нерозробив послідовну хвильову теорію світла, яка б протистояти поглядам Ньютона, тому корпускулярна «теорія закінчення» зберігала панівне становище оптиці на початок 19 століття. Хвильові уявлення Гюйгенса часто протиставляють поглядам Ньютона світ як потік частинок (корпускул). Це не зовсім справедливо, оскільки Ньютон також звернув увагу на періодичність світлових явищ і допускав можливість хвильової інтерпретації, але віддавав перевагу корпускулярної концепції світла, вважаючи його потоком частинок.
Перемога хвильової оптики пов'язана з роботами англійського вченого Т. Юнга та французького вченого О. Френеля. Френель, використовуючи принцип Гюйгенса, дав задовільний хвильовий пояснення численних дифракційних явищ. У цей час була сформульована важлива ідея про поперечності світлових коливань. Усі відомі на той час оптичні явища отримали хвильову інтерпретацію. Водночас світло представляли як пружні поперечні коливання ефіру.
В 1848 відкриття англійським фізиком М. Фарадеєм обертання площини поляризації світла в магнітному полі стало першою вказівкою на безпосередній зв'язок електромагнетизму з оптикою. Англійський фізик Д. К. Максвелл, ґрунтуючись на відкритті Фарадея, дійшов висновку, що світло є електромагнітні хвилі, а не пружні хвилі ефіру. Максвелл теоретично показав, а німецький фізик Г.Герц підтвердив експериментально 1888 р., що зміни електромагнітного поля поширюються у вакуумі зі швидкістю світла.
Незважаючи на успіхи електродинамічної теорії, з'ясувалося, що вона явно недостатня для опису процесів випромінювання та поглинання світла речовиною. Виникло уявлення про речовину як про сукупність осциляторів (осцилятор - фізична система, що робитьколивання). Розглядаючи цю проблему, німецький фізик М.Планк дійшов висновку (1900), що елементарна коливальна система (електрон, атом, молекула) віддає і отримує хвильову енергію не безперервно, а порціями, квантами. Побудова електромагнітної теорії світла та доповнення електронною теорією взаємодії світла та речовини стало найбільшим етапом розвитку оптики. Роботи Планка та Ейнштейна, який приписав квантам світла крім енергії також імпульс та масу, повернули оптиці риси корпускулярних уявлень. Виходячи з цих уявлень, були сформульовані закони теплового випромінювання, природа якого виявилася такою самою, як і в оптичного випромінювання. 1899 року українським ученим П.М.Лебедєвим було виміряно тиск світла.
За сучасними уявленнями світло це складне явище: в одних випадках він поводиться як електромагнітна хвиля, в інших - як потік особливих частинок (фотонів). Хвильові чи корпускулярні властивості світла виявляються залежно від конкретних умов. Так, при поширенні світла у просторі та при взаємодії світлових потоків виявляються хвильові властивості світла, при взаємодії світла з речовиною (атомами, елементарними частинками) – квантові властивості. Хвильова природа світла підтверджується у явищах інтерференції, дифракції, поляризації, квантова – у явищах теплового випромінювання, фотоефекту (вперше досліджений українським ученим Столетовим), тиску світла, ефекті Комптону та ін.
У сучасній оптиці квантові уявлення не протиставляються хвильовим, а поєднуються на ідейній основі квантової механіки та квантової електродинаміки, розвиненої у працях Н.Бора (Данія), М.Борна та В.Гейзенберга (Німеччина), В.Паулі (Швейцарія), Еге. Шредінгера (Австрія), англійського фізика П.Дірака, Е.Фермі (США), радянських ученихЛ.Д.Ландау та В.А.Фока.
Як було показано в теорії Максвелла, світло - це електромагнітна хвиля, в якій вектори напруженостей електричного та магнітного полів
Хвильова теорія світла базується напринципіX.Гюйгенса: кожна точка, до якої доходить хвиля, служить центром вторинних хвиль, а загальна хвиль дає положення хвильового фронту в наступний час (рис. 2).
Фронтомхвилі називається геометричне місце точок, до яких доходять коливання на момент часуt.Хвильовою поверхнею– геометричне місце точок, що мають однакову фазу.
Який механізм випромінювання світла? Світло випромінюється збудженим атомом при його переході зі збудженого стану до нормального (незбудженого). Тривалість процесу випромінювання світла атомом оцінюється часом τ=10 -8 с. Потім через деякий проміжок часу атом може знову збудитися і почати випромінювати світло. Таке уривчасте випромінювання світла атомами (наприклад, при нагріванні) як окремих короткочасних імпульсів – цугів електромагнітних хвиль – притаманно будь-якого джерела світла. Кожен цуг хвиль має обмежену протяжністьlу просторі, пов'язану з кінцевою тривалістю його випромінювання і швидкістюпоширення світла. Так, наприклад, у вакуумі протяжність цуга хвильl=с∙τ;l=3 ∙10 8 м/с ∙ 10 -8 с = 3 м. Цуги, випущені різними атомами і навіть одним і тим самим атомом, розрізняються довжиною хвилі λ, частотою ν та орієнтацією площини коливань вектора
З погляду квантової теорії випромінювання електромагнітного поля відбувається не безперервно, а дискретно - певними порціями - квантами (фотонами), енергія яких визначається частотою випромінювання ν:
деh= 6,6 ∙ 10 - 34 Дж∙c – постійна Планка.
Світло як випромінюється, але поширюється і поглинається у просторі порціями - квантами, які виявляють властивості частинок.
Відповідно до теорії відносності, яка встановила зв'язок маси та енергії
можна визначити масу та імпульс фотона:
Формули (1), (3) та (4) пов'язують корпускулярні (квантові) характеристики випромінювання з хвильовими. Масу, енергію, імпульс фотона – з частотою його коливання та довжиною хвилі.
Таким чином, світло є єдністю протилежних видів руху - хвильового (електромагнітного) і корпускулярного (квантового), тобто, за сучасними уявленнями, світло має подвійну корпускулярно-хвильову природу. На рівні макросвіту корпускулярний і хвильовий рухи чітко розмежовані: одна справа – рух кинутого догори каменю, інша – рух морської хвилі. На рівні мікросвіту чітке розмежування хвильових та корпускулярних властивостей відсутнє. Мікрооб'єкти (фотони, електрони, протони, нейтрони тощо) не є ні чистими корпускулами, ні чистими хвилями: корпускулярні та хвильові властивості поєднуються в рамках єдиного мікрооб'єкта.