Оптика

 

               Зміст                                                                                                         стор.

         Розділ 5.  Оптика.

§16. З історії наукових поглядів на природу світла.                                        88

          Тема 5.1. Геометрична оптика.

§17. Основні поняття геометричної оптики.                                                     97

§18. Закони геометричної оптики.                                                                     101

§19. Загальні відомості про дзеркала.                                                               107

§20. Повне відбивання світла. Загальні відомості про

оптичні призми та оптичні волокна.                                                                 115

§21. Загальні відомості про лінзи.                                                                      120

§22. Оптичні прилади.                                                                                           129

§23. Око як природний оптичний прилад. Дефекти зору.                           135

§24. Оптичні ілюзії.                                                                                                 143

Тема 5.2. Фотометрія.

§25. Основні фотометричні величини та одиниці їх вимірювання.          152

§26. Освітленість. Закони освітленості.                                                             157

Тема 5.3. Хвильова оптика.

§27. Загальні відомості про хвилі.                                                                      163

§28. Про відчуття кольору та про те, чому навколишній

світ різнобарвний.                                                                                                  168

§29. Інтерференція світла.                                                                                    174

§30. Застосування інтерференції. Інтерферометри.

Просвітлення оптики.                                                                                            183

§31. Дифракція світла. Дифракційна решітка.                                                 189

§32. Поляризація світла.                                                                                        197

§33. Дисперсія світла.                                                                                             201

§34. Види спектрів. Спектральний аналіз.                                                        208

§35. Шкала електромагнітних хвиль.                                                                 215

Тема5.4. Квантова оптика.

§36. Від теорії теплового випромінювання до квантової оптики.              222

§37. Фотон та його властивості.                                                                           229

§38. Фотоелектричні ефекти.                                                                               234

§39. Фотохімічні реакції.                                                                                        241

§40. Люмінесценція.                                                                                               245

§41. Оптичний квантовий генератор (лазер).                                                 251

§42. Тиск світла. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла.                       255

 

Розділ 5.   Оптика.

 

Оптика (від грец. optos – видимий), це розділ фізики в якому вивчається все різноманіття тих явищ які пов’язані з випромінюванням, розповсюджуванням та різноманітними проявами світла. Іншими словами, оптика – це наука про світло.

Ясно, що в оптиці основним поняттям та основним об’єктом наукових досліджень є світло (видиме світло). Що ж таке “світло” ??? Відповідаючи на це запитання можна сказати наступне. Природа влаштована таким дивним чином, що її найпростіші об’єкти є найскладнішими. Найскладнішими в тому сенсі, що надзвичайно складно, а іноді й просто неможливо, наочно пояснити на що схожі ці об’єкти. Одним з таких елементарно простих і в той же час надскладних об’єктів є світло.

Вже факт того, що вивченню властивостей та проявів світла присвячено один з найбільших розділів сучасної фізики, безумовно вказує на важливість та складність цього об’єкту. На цю складність вказує і те, що в різних розділах оптики, на запитання “що таке світло?” відповідають по різному. Наприклад, в геометричній оптиці стверджується, що світло – це потік світлових променів. В фотометрії, говориться про те, що світло – це потік світлової енергії. В хвильовій оптиці доводиться, що світло – це потік світлових хвиль. А в квантовій оптиці, що світло – це потік світлових частинок. Іншими словами:

потік світлових променів

світло         потік світлової енергії

потік світлових хвиль

потік світлових частинок

При цьому, кожне з цих тверджень в тій чи іншій мірі правильне і в тій чи іншій мірі неповне. Більше того, деякі з цих тверджень є явно парадоксальними, тобто такими, що суперечать логіці здорового глузду. Скажімо важко, а то й неможливо уявити об’єкт який би одночасно був як хвилею так і частинкою. І тим не менше, світло є саме таким парадоксальним об’єктом. Вивченню цього парадоксального, надважливого та надцікавого об’єкту і присвячено той розділ фізики який називається оптикою.

 

§16. З історії наукових поглядів на природу світла.

 

Що таке світло? Як воно влаштовано? Звідки з’являється і куди зникає? Як розповсюджується в просторі та речовині? Чому одні предмети прозорі, а інші – не прозорі. Чому одні тіла червоні, другі – зелені, а треті – білі. Як утворюються веселки, міражі та зображення в дзеркалах? Ці та їм подібні запитання бентежили уяву багатьох видатних людей минулого. Однак жодну з своїх загально відомих таємниць Природа не оберігала так затято, як таємницю світла.

Перша більш менш обгрунтована гіпотеза про суть того що називають світлом, а точніше про суть механізму наших зорових відчуттів, з’явилась за декілька століть до нашої ери. Її автором був відомий давньогрецький математик Евклід ( ~ 300р. до н.е.). В першому постулаті його знаменитої геометрії стверджується: “Ті світлові промені які випромінюють очі, розповсюджуються прямолінійно”. Іншими словами, згідно з Евклідом,  світло представляє собою певні світлові промені які випромінюються нашими очима і за допомогою яких ми “обмацуємо” навколишні предмети. Результатом цього “обмацування” є наші зорові відчуття.

Сьогодні, погляди давньогрецьких вчених здаються наївними. Однак, не будемо надто категоричними. Адже світло належить до числа тих об’єктів, глибинну суть яких не легко зрозуміти, а тим більше пояснити. Навіть сьогодні, коли про світло ми знаємо все, або майже все, більшість з нас навряд чи зможе внятно пояснити, що таке світло. Тому те що здається наївним сьогодні, скоріш за все, це не результат об’єктивного аналізу, а наслідок нашої завищеної самооцінки.

Та якби там не було, а на протязі двох тисячоліть, людство не спромоглося придумати нічого більш розумного за теорію світлових променів. Щоправда, з плином часу прийшло розуміння того, що світлові промені випромінюються не очима людини, а тим чи іншим джерелом світла. Втім, теорія світлових променів по суті не пояснювала що ж таке світло. Не пояснювала що представляють собою світлові промені, звідки вони беруться і куди зникають, з чого складаються і чи складаються з чогось взагалі.

Лише в другій половині 17-го століття, наукові погляди на природу світла починають кардинально змінюватись. При цьому майже одночасно виникли дві наукові гіпотези, історичне протистояння яких значною мірою визначило не лише розвиток науки про світло, а й науки загалом.

З незапам’ятних часів було відомо, що світло розповсюджується прямолінійно, тобто таким чином, що тіні предметів є чіткими і такими, які вточності відображають їх геометричну форму (мал.42). Ситуація була схожою на таку, коли предмет знаходиться в потоці дрібних частинок і тому залишає відповідну чітку тінь.

Мал.42. Світло розповсюджується прямолінійно, тобто таким чином, що в світловому потоці предмет залишає чітку тінь яка відображає форму цього предмету.

З часів Евкліда знали і про те, що на межі двох оптично різних середовищ світлові промені відбиваються і що при цьому кут відбивання променя дорівнює куту його падіння (закон відбивання світла). Дзеркальне відбивання світла було схожим на відбивання пружних кульок від рівної твердої поверхні (мал.43).

Мал.43.  При відбиванні, світло веде себе як потік пружних кульок, які відбиваються від рівної твердої поверхні.

Прямолінійність розповсюдження світла, закон його відбивання, можливість розповсюдження як у вакуумі так і в речовинному середовищі, та деякі інші факти, безумовно вказували на те, що світло – це потік надзвичайно дрібненьких світлових частинок. Ці частинки випромінюються джерелом світла, прямолінійно розповсюджуються, а  на межі двох оптично різних середовищ можуть як відбиватись так і заломлюватись, тобто проникаючи в нове середовище, змінювати напрям свого розповсюдження. Ці частинки можуть мати різні масово-кінематичні параметри і тому викликають у людини відчуття різного кольору. Крім цього, світлові частинки є носіями певної кількості енергії і тому можуть призводити до тих чи інших енергетичних проявів, зокрема теплових, зорових, хімічних, механічних, тощо. Подібні погляди на природу світла отримали назву корпускулярної теорії (від лат. corpusculum – частинка). Своє найбільш повне та довершене викладення, корпускулярна теорія світла отримала в працях видатного англійського фізика Ісаака Ньютона (1643-1727), зокрема в його фундаментальному трактаті “Оптика” (1704).

Корпускулярна теорія світла мала той недолік, що не могла кількісно пояснити ті властивості світла які прийнято називати інтерференцією та дифракцією. Крім цього, ця теорія погано узгоджувалась з фактом того, що при взаємному перетинанні, світлові потоки не заважають один одному (мал.44).  Втім, пояснюючи даний факт, завжди можна сказати, що світлові корпускули настільки дрібненькі, що практично не взаємодіють між собою.

  

Мал44. При взаємному перетинанні, світлові потоки не взаємодіють між собою.

Факт того, що світлові потоки при взаємному перетинанні не заважають один одному, та ті притаманні світлу явища які прийнято називати інтерференцією і дифракцією світла, вказували на те, що світло має певні хвильові властивості. Виходячи з цього, деякі вчені і зокрема голландський фізик Христіан Гюйгенс (1622-1695) стверджували: світло – це потік хвиль, які розповсюджуються в особливому пружному середовищі яке називається ефіром. (В міфах давньої Греції, ефіром називали те особливе повітря яким дихали боги на вершині Олімпу). Ці хвилі можуть мати різну довжину і тому викликати у людини відчуття різного кольору. На межі двох різних середовищ ці хвилі можуть як відбиватись так і заломлюватись. Як і будь які хвилі, вони розповсюджуються незалежно одна від одної і тому світлові потоки не заважають один одному.

Щоправда, хвильова теорія світла, погано узгоджувалась з тим, що в потоці світлових хвиль, перешкода залишає чітку тінь. Втім, пояснюючи даний факт, завжди можна сказати, що світлові хвилі є надзвичайно короткими і що тому їх огинальні (дифракційні) властивості є малопомітними. (Зрештою, так воно і є). Якщо ж говорити про основний недолік хвильової теорії Гюйгенса, то він полягав в тому, що ця теорія передбачала наявність у Всесвіті особливого речовинного середовища (ефіру), існування якого не підтверджувалось жодним експериментальним фактом.

Таким чином, в кінці 17-го, на початку 18-го століть, в фізиці виникла ситуація, коли одні і ті ж явища пояснювались по різному. І не просто по різному, а виходячи з різних, по суті діаметрально протилежних, базових тверджень. Ясно, що в такій ситуації неминуче виникало жорстке протистояння між прихильниками різних наукових концепцій.

Потрібно зауважити, що Ньютон  хоча і був творцем корпускулярної теорії світла, явно не заперечував факту того, що відомі фізичні властивості світла можна пояснити і на основі хвильової теорії. В своїх наукових працях, він уникав категоричних висловлювань на користь тієї чи іншої теорії. І якщо сьогодні ми говоримо, що геніальний Ньютон був противником хвильової теорії світла, то це тільки тому, що він з усією очевидністю розумів: те пружне середовище (ефір) про неминучість існування якого говорила хвильова теорія Гюйгенса, повинно мати такий набір діаметрально протилежних властивостей, які не можуть бути реалізованими навіть в найфантастичнішій речовині.

Дійсно. Відомо, що швидкість розповсюдження хвиль в тому чи іншому речовинному середовищі залежить від пружних властивостей цього середовища, а по суті, від його густини. Наприклад швидкість розповсюдження звукових хвиль в повітрі становить 0,34км/с, у воді – 1,5км/с, а в сталі – 6км/с. При цьому виникає питання: а наскільки пружним (а відповідно густим) має бути середовище, щоб забезпечити швидкість розповсюдження хвиль 300 000км/с? З іншого боку, в тому середовищі яке забезпечує розповсюдження світлових хвиль і яке називається ефіром, на протязі мільярдів років безупинно обертаються планети та їх супутники. А це означає, що відповідне середовище має бути практично пустим і таким що не має пружних властивостей. Таким чином, те середовище про неминучість існування якого говорила хвильова теорія Гюйгенса, з одного боку мало б бути безмежно густим (ρ→∞), а з іншого – безмежно пустим (ρ→0).

Розуміючи глибинну суть тих протиріч які закладені в тому міфічному середовищі що називається ефіром, Ньютон заявляв: “Я не знаю, що представляє собою ефір!”. Виходячи з цього, та враховуючи факт того, що без наявності пружного середовища, хвильова теорія Гюйгенса втрачає будь який сенс, Ньютон був прихильником корпускулярної теорії світла.

Не важко збагнути, що авторитет Ньютона та переконливість його наукових аргументів, переконали переважну більшість тогочасних  вчених в тому, що світло – це потік наддрібних світлових частинок (корпускул). Однак в науці достовірність теорій визначається не авторитетом її автора, а тим наскільки точно її передбачення співпадають з експериментальними фактами. А ці факти безумовно вказували на те, що певні властивості світла не можливо кількісно пояснити на основі ньютонівської корпускулярної теорії.

Ще в середині 17-го століття італійський фізик Франческо Грімальді (1618-1663) експериментально з’ясував, що світлу притаманні властивості, які прийнято називати інтерференцією та дифракцією. Грімальді дослідив та описав ці властивості. Однак його дослідження та пояснення були не надто переконливими. Тому більшість вчених не сприйняли їх як такі, що варті уваги. Ньютон не був серед цих вчених. Він дослідив відомі прояви інтерференції та дифракції світла і дійшов висновку, що ці явища цілком прийнятно (у всякому разі на описовому рівні) можна пояснити на основі корпускулярної теорії.

Лише на початку 19-го століття англійський фізик Томас Юнг (1773-1829) та французький фізик Огюстен Френель (1788-1827), незалежно один від одного всебічно дослідили та кількісно пояснили інтерференцію і дифракцію світла. При цьому пояснили на основі хвильової теорії Гюйгенса. Крім цього були відкриті та досліджені інші явища, зокрема явище поляризації світла, які безумовно доводили, що світло – це потік світлових хвиль.

Експериментальні і теоретичні дослідження Юнга, Френеля та деяких інших вчених, призвели до того, що на середину 19-го століття хвильова теорія світла представляла собою струнку, математично та логічно довершену конструкцію, яка бездоганно пояснювала всі відомі на той час оптичні явища. Однак, ця математично бездоганна конструкція базувалась на хиткому ефірному піску. Адже як і в часи Ньютона, фантастичні властивості ефіру залишались нерозкритою науковою таємницею. Крім цього, міфічний ефір жодним чином не проявляв себе. Намагаючись довести факт існування ефіру вчені вигадували різноманітні прилади та способи реєстрації. Придумували найдивовижніші експерименти. Але всі їх зусилля були марними.

Ситуація кардинально змінилась лише після того, як геніальний Джеймс Максвел (1831-1879) створив теорію електромагнітного поля. Розпочинаючи роботу над цією теорією, Максвел був далеким від тих пристрастей що вирували в оптиці. Його метою було створити таку наукову теорію яка б пояснювала механізм електромагнітних взаємодій. Однак, після того як теорія була створена, з’ясувалось, що згідно з нею в Природі мають існувати такі об’єкти як електромагнітні хвилі і що властивості цих хвиль вточності аналогічні властивостям світлових хвиль. Цей факт безумовно вказував на те, що світло – це одна з різновидностей електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі мають ту особливість, що для їх розповсюдження не потрібне певне пружне середовище. Адже ці хвилі представляють собою енергетичне збурення того що називають електромагнітним полем, а по суті енергетичним збуренням простору (пустоти).

Таким чином загадка ефіру була розгадана. Ефір не проявляв себе тому, що його просто не існує. Хвильова теорія світла перемогла. І здавалось, перемогла назавжди. Втім, не поспішайте з висновками. Природа влаштована набагато складніше, аніж ми схильні про це думати. Не встигли прихильники хвильової концепції насолодитись тріумфом перемоги, як світло почало підносити нові сюрпризи.

В 1887 році німецький фізик Генріх Герц (1857-1894) відкрив явище, яке прийнято називати зовнішнім фотоефектом. Суть цього явища полягала в тому, що в потоці світла, негативно заряджена металева пластинка, інтенсивно розряджалась, тобто втрачала свої надлишкові електрони. Сам по собі цей факт не міг похитнути устої хвильової теорії світла. Адже світлові хвилі є носіями певної кількості енергії. Надаючи цю енергію електронам речовини, хвилі цілком закономірно можуть спричиняти відрив цих електронів від відповідної речовини. Однак, подальші дослідження показали, що інтенсивність фотоефекту залежить не лише від інтенсивності світлового потоку, а й від кольору (довжини хвилі) падаючого випромінювання. Більше того, з’ясувалось що завжди існує певна межа, за якою фотоефект не відбувається. Наприклад, пластинка літію в потоці голубого, синього та фіолетового світла втрачає електрони, а в потоці зеленого, жовтого, оранжевого та червоного – не втрачає їх. При цьому навіть найпотужніший потік світла цих кольорів не призводить до вильоту електронів з літію. Даний факт явно суперечив класичним уявленням про світло як потік неперервних електромагнітних хвиль. Навіть якщо виходити з того, що енергія червоної хвилі менша за енергію хвилі фіолетової, залишається не зрозумілим, чому десять, сто чи мільйон червоних хвиль не можуть зробите те, що робить одна фіолетова.

Певний час прояви фотоефекту не мали наукового пояснення. Перший крок на шляху вирішення цієї проблеми зробив німецький фізик Макс Планк (1858-1947). В 1900 році, теоретично досліджуючи розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла, Планк з’ясував, що електромагнітні хвилі випромінюються та поглинаються певними неподільними порціями (квантами).

Виходячи з цього, інший німецький фізик Альберт Ейнштейн (1879-1955) дав наступне пояснення фотоефекту. Для того щоб відірвати електрон від речовини, необхідно виконати певну роботу виходу, тобто надати електрону певну кількість енергії. При цьому, ця енергія має бути надана одномоментно, тобто за один раз. Адже якщо величина наданої енергії буде недостатньо великою, то енергетично збурений електрон “підстрибне” і повернеться в речовину. Це означає, що той світловий квант, енергія якого менша за роботу виходу електрона, не може вибити електрон з речовини. Електрон залишиться в речовині навіть в тому випадку якщо відчує дію багатьох тисяч подібних квантів. Намагатись вибити електрон такими квантами, це все рівно ніби намагатись розірвати мотузку міцність якої 100Н, силою в 50Н. Ви можете скільки завгодно разів дискретно прикладати цю силу, а мотузка залишиться цілою. Можна як завгодно інтенсивно опромінювати літій квантами червоного світла, але вони не зможуть вибити бодай один електрон. Не зможуть тому, що діють дискретно і що енергія кожного з них менша за роботу виходу електрона з літію. Для того щоб електрон відірвати від літію, потрібні більш енергійні кванти, наприклад кванти синього чи фіолетового світла.

Таким чином, фотоефект та деякі інші явища, зокрема ефект Комптона, фотохімічні реакції, тощо, безумовно доводили: світло – це потік світлових частинок.

Зважаючи на вище сказане, неминуче виникає закономірне питання: “Так що ж таке світло – частинка чи хвиля???”. Розмірковуючи над цим питанням, вчені дійшли висновку: устрій та властивості світла не можливо пояснити за допомогою простих, наочних моделей як то частинка або хвиля. Вони зрозуміли, світло – це щось таке, що одночасно є як частинкою так і хвилею. Щось таке, що в одних обставинах веде себе як хвиля, а в інших – як частинка. Такий висновок може здатися дивним і навіть абсурдним. Адже частинка, це щось дискретно-постійне та зосереджене в одному місці. Натомість хвиля, це щось неперервно-змінне та “розмазане” по всьому навколишньому простору. Однак, так вже влаштована Природа, що в ній навіть найпростіші об’єкти як то світло, електрон чи атом є надзвичайно складними. Складними в тому сенсі, що важко, а то й неможливо пояснити як вони влаштовані і на що це схоже.

Та якби там не було, а історичну суперечку Ньютона і Гюйгенса завершено. Завершено тим, що  корпускулярні та хвильові ідеї злились в єдину квантово-хвильову теорію світла. Теорію, яка не лише пояснила все різноманіття відомих світлових явищ, а й стала невід’ємною, органічною складовою сучасної фізики.

Завершуючи розмову про історію еволюційного розвитку наукових поглядів на природу світла, представимо цю історію у вигляді підсумкової таблиці. Таблиці, яка наочно ілюструє основні етапи цієї цікавої та повчальної історії.

       

18 століття

Ньютон                                                            Гюйгенс

Світло – це потік надзвичайно                  Світло – це потік світлових хвиль

дрібненьких світлових частинок                які розповсюджуються в пружному

(корпускул).                                                      середовищі – ефірі.

·                                            + є носієм енергії

·                                            + викликає зорові відчуття

·                                            + відбивається та заломлюється

+ не потребує передавального                                   + світлові потоки не

середовища                                                                  заважають один одному

+ розповсюджується

прямолінійно

+ авторитет Ньютона

·                                                          19 століття      Юнг, Френель

·                                                                                        + інтерференція

·                                                                                        + дифракція

·                                                                                        + поляризація

·

·                                                                                      Максвел

·                                                                                       + світло – це потік

·                                                                                       електромагнітних хвиль

·

·                                                           20 століття

Планк, Ейнштейн

+ фотоефект

+ ефект Комптона

+ фотохімічні реакції

 

·                                                              Світло:

при взаємодії з речовиною – потік                  при розповсюджені – потік

частинок                                                                  хвиль

 

Контрольні запитання

1.В чому суть корпускулярної теорії Ньютона? Які сильні та слабкі сторони цієї теорії?

2. В чому суть хвильової теорії Гюйгенса? Які сильні та слабкі сторони цієї теорії?

3. Чому Ньютон стверджував: “Я не знаю, що представляє собою ефір”?

4. Який внесок в розвиток оптики зробили Юнг та Френель?

5. Який внесок в розвиток оптики зробив Максвел?

6. Яка основна відмінність світлового ефіру від електромагнітного поля?

7. Який внесок в розвиток оптики зробив Планк?

8. Який внесок в розвиток оптики зробив Ейнштейн?

Подобається

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *