Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения.
Очень важным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света. Используя свой принцип, ученому удалось объяснить многие явления геометрической оптики:
Теория Гюйгенса давала такое выражение для показателя преломления среды:
Из формулы видно, что скорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютного показателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теории Ньютона. Невысокий уровень экспериментальной техники XVII века исключал возможность установить, какая из теорий верна.
Многие сомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодических колебаний, распространяющихся в эфире.
Взгляды на природу света в XIX-XX столетиях.
В 1801 году Т. Юнг выполнил эксперимент, который изумил ученых мира: S - источник света; Э - экран; В и С - очень узкие щели, отстоящие друг от друга на 1-2 мм.
По теории Ньютона на экране должны появиться две светлые полоски, на самом деле появились несколько светлых и темных полос, а прямо против промежутка между щелями В и С появилась светлая линия Р. Опыт показал, что свет явление волновое. Юнг развил теорию Гюйгенса представлениями о колебаниях частиц, о частоте колебаний. Он сформулировал принцип интерференции, основываясь на котором, объяснил явление дифракции, интерференции и цвета тонких пластинок.
Французский физик Френель соединил принцип волновых движений Гюйгенса и принцип интерференции Юнга. На этой основе разработал строгую математическую теорию дифракции. Френель сумел объяснить все оптические явления, известные в то время.
Основные положения волновой теории Френеля.
При переходе из одной среды в другую упругость эфира не меняется, но меняется его плотность. Относительный показатель преломления вещества.
Поперечные колебания могут происходить одновременно по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространению волны.
Работа Френеля завоевала признание ученых. Вскоре появился целый ряд экспериментальных и теоретических работ, подтверждающих волновую природу света.
В середине XIX века начали обнаруживаться факты, указывающие на связь оптических и электрических явлений. В 1846 г. М. Фарадей наблюдал вращения плоскостей поляризации света в телах, помещенных в магнитное поле. Фарадей ввел представление об электрическом и магнитном полях, как о своеобразных наложениях в эфире. Появился новый "электромагнитный эфир". Первым на эти взгляды обратил внимание английский физик Максвел. Он развил эти представления и построил теорию электромагнитного поля.
Электромагнитная теория света не зачеркнула механическую теорию Гюйгенса- Юнга- Френеля, а поставила ее на новый уровень. В 1900 г. немецкий физик Планк выдвинул гипотезу о квантовом характере излучения. Суть ее состояла в следующем:
Энергия каждого кванта представляется по формуле E=hn , где h - постоянная Планка, а n - это частота света.
Через пять лет после Планка вышла работа немецкого физика Эйнштейна о фотоэффекте. Эйнштейн считал:
Таким образом, появилась новая квантовая теория света, родившаяся на базе корпускулярной теории Ньютона. В роли корпускулы выступает квант.
Основные положения.
С возникновением квантовой теории выяснилось, что корпускулярные и волновые свойства являются лишь двумя сторонами, двумя взаимосвязанными проявлениями сущности света. Они не отражают диалектическое единство дискретности и континуальности материи, выражающейся в одновременном проявлении волновых и корпускулярных свойств. Один и тот же процесс излучения может быть описан, как с помощью математического аппарата для волн, распространяющихся в пространстве и во времени, так и с помощью статистических методов предсказания появления частиц в данном месте и в данное время. Обе эти модели могут быть использованы одновременно, и в зависимости от условий предпочтение отдается одной из них.
Достижения последних лет в области оптики оказались возможными благодаря развитию, как квантовой физики, так и волновой оптики. В наши дни теория света продолжает развиваться.
Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).
Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:
| |
|
Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса , согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 3.6.1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.
Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:
| |
|
Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c .
Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.
В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны . Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт.
Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c
= λ · ν). Таким путем было найдено значение
| |
|
Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет , но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис. 3.6.2. дает представление о шкале электромагнитных волн.
Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр
(нм) и 1 микрометр
(мкм):
| |
1 нм = 10 –9 м = 10 –7 см = 10 –3 мкм. | |
Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм.
Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба , возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение
Вместе с тем Ньютон с вниманием относился и к высказанной нидерландским ученым X. Гюйгенсом волновой теории света (1690). Гюйгенс предположил, что пространство наполнено неким веществом - эфиром, и построил, опираясь на эфир, волновую теорию света. Она отлично объяснила множество разных оптических явлений и даже предсказала такие, которые потом были открыты, - словом, оказалась хорошей гипотезой. За одним исключением: эфир пришлось снабдить столь противоречивыми свойствами, что разум отказывался верить. С одной стороны, совершенная бесплотность (дабы не мешать движению планет), а с другой - упругость, в тысячи раз превышающая упругость самой лучшей стали (иначе не будет распространяться с нужной скоростью свет). Кунафин М. С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е. - Уфа, 2003. - с.149
Пользуясь представлением об упругом светоносном эфире, Гюйгенс рассматривал распространение в нем не волн, а неких импульсов. И тем не менее он установил волновой принцип, который теперь носит его имя и входит в современные учебники. Недостаточное понимание этой природы, как известно, не позволило Гюйгенсу объяснить его же собственные опыты по двойному лучепреломлению, в которых пучок света пропускался последовательно через два кристалла. Гюйгенс наблюдал, как вышедшие из первого кристалла обыкновенный и необыкновенный лучи вели себя во втором кристалле по-разному -- в зависимости от взаимной ориентации кристаллов. В одних случаях каждый из лучей снова «расщеплялся» на два луча. В других случаях нового «расщепления» лучей не происходило; при этом вышедший из первого кристалла обыкновенный луч либо оставался во втором кристалле обыкновенным лучом, либо (при иной ориентации кристаллов) вел себя как необыкновенный луч. Аналогично вел себя и необыкновенный луч, вышедший из первого кристалла. Гюйгенс не смог объяснить полученных результатов, так как не знал (и не решался даже предположить), что световые волны поперечны. Его опытов было вполне достаточно для открытия поляризации света. Достаточно, но при условии более глубокого понимания природы света. Такого понимания не было, и поэтому открытие поляризации не состоялось (поляризация была открыта лишь более чем через сто лет). Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику. - М.: Высшая школа, 1987. -с. 10
Интерес к оптическим проблемам в начале XIX в. был продиктован развитием учения об электричестве, химии и паротехнике. Казалось очень вероятным, что в природе теплоты, света и электричества есть нечто общее. Открытие и изучение фотохимических реакций, химических реакций с выделением теплоты и света, тепловых и химических действий электричества -- все это заставляло думать, что изучение света окажется полезным для решения важных научных и практических задач.
В XVIII в. подавляющее большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики. В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной.
Первым в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. английский врач Т. Юнг, разносторонне образованный человек, занимавшийся исследованиями в области математики, физики, механики, ботаники и т.д., обладавший обширными знаниями в литературе, истории, многое сделавший для расшифровки египетских иероглифов. Юнг критиковал корпускулярную теорию света, указывая на явления, которые нельзя объяснить с ее позиций, в частности, одинаковые скорости световых корпускул, выбрасываемых слабыми и сильными источниками, а также то обстоятельство, что при переходе из одной среды в другую одна часть лучей постоянно отражается, а другая постоянно преломляется. Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движение частиц эфира: «...Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет Вселенную... Колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светиться». Волновую природу света он обосновывал прежде всего явлением интерференции света.
Опыт, демонстрирующий явление интерференции света, состоит в следующем. В экране прокалывают два маленьких отверстия на близком расстоянии друг от друга и освещают его солнечным светом, проходящим через отверстие в окне. За этим экраном помещают второй экран, на который падают два световых конуса, образовавшиеся за первым экраном. В том месте, где эти конусы перекрываются, на втором экране видны светлые и темные полосы. От присоединения света к свету образуется темнота! Юнг правильно предположил, что темные полосы образуются там, где гребни световых волн поглощают друг друга. Если закрыть одно отверстие, то полосы пропадают, а на экране видны только дифракционные кольца. Измеряя расстояние между кольцами, Юнг определил длины волн красного, фиолетового и некоторых других цветов. Он рассмотрел и некоторые случаи дифракции света. Появление дифракционных полос он объяснял интерференцией двух волн: прошедшей прямо и отраженной от края препятствия. Кроме того, он высказал важную догадку о том, что явление поляризации света возможно только в том случае, если световая волна является поперечной, а не продольной.
Хотя работы Юнга свидетельствовали в пользу волновой теории света, они тем не менее не привели к отказу от корпускулярной теории, которая продолжала господствовать в оптике.
В 1815 г. против корпускулярной теории выступил французский ученый О.Френель. После окончания Политехнической школы в Париже он работал в провинции инженером по прокладке и ремонту дорог, а в свободное время занимался научными исследованиями. Заинтересовался вопросами оптики и самостоятельно пришел к убеждению, что справедлива не корпускулярная, а волновая теория света. В 1818 г. Френель объединил полученные результаты и изложил их в работе о дифракции света, представленной на конкурс, объявленный Французской академией наук.
Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в составе Ж.Б. Био, Д.Ф. Араго, П.С. Лапласа, Ж.Л. Гей-Люссака и С.Д. Пуассона -- сторонников корпускулярной теории. Но результаты работы Френеля настолько соответствовали эксперименту, что просто отвергнуть ее было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствие, противоречащее здравому смыслу: как будто в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эту «несообразность» подтвердил опыт: возражение превратилось в свою противоположность. Комиссия в конце концов признала правильность результатов волновой теории Френеля и присудила ему премию. Однако теория Френеля еще не стала общепринятой, и большинство физиков продолжало придерживаться старых взглядов. свет волновой корпускулярный планк
Заключительным аккордом в борьбе корпускулярной и волновой теорий света явились результаты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой теории -- наоборот. В 1850 г. французские физики Ж.Б.Л. Фуко и А.И.Л. Физо, измеряя скорость света с помощью вращающегося зеркала, показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердили волновую теорию света. К середине XIX в. приверженцев корпускулярной теории света осталось уже мало. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. -- Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. - с.228
Виды и расчет волновой электростанции
Как было сказано выше, основная идея альтернативных источников энергии заключается в использовании тех ресурсов планеты, которые дает природа. Их эксплуатация не оказывает такого существенного влияния на окружающую среду...
Графен и его свойства
В этом параграфе кратко описываются основные положения теории, некоторые из которых получили экспериментальное подтверждение, а некоторые ещё ждут верификации...
Демонстрационный эксперимент по волновой оптике
Джеймс Максвелл
Продолжая опыты с электромагнитами, Максвелл приблизился к теории о том, что любые изменения электрической и магнитной силы посылают волны, распространяющиеся в пространстве. После серии статей «О физических линиях» у Максвелла был уже...
Понятие состояния квантово-механической системы. Принцип суперпозиции
Опираясь на гипотезу де Бройля о том, что свободной частице соответствует монохроматическая волна, а также на многочисленные экспериментальные факты, свидетельствующие о наличии и смысле волновых свойств у частиц вещества...
Принципы квантовой механики. Волновая функция и ее смысл
Особенности описания движения частиц в квантовой механике. Согласно гипотезе де Бройля, движущаяся частица обладает волновыми свойствами, и этими свойствами нельзя пренебречь...
Природа вращения Земли и магнитного поля Земли
Развитие взглядов на природу света. Явление интерференции света
В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приёмнику возникли и начали развиваться две, совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причём возникли они почти одновременно в XVII веке...
Развитие оптики
Декарта можно считать родоначальником волновой теории света. Декарт был противником существования пустого пространства, в связи с чем не мог считать свет потоком световых частиц. Свет, по Декарту, это нечто вроде давления...
Развитие электроэнергетики в Латвии. Альтернативные методы получения электричества
Волновая электростанция -- установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн. Существует несколько разновидностей волновых электростанций. Принцип работы заключается в том...
Рассеяние рентгеновских лучей на молекулах фуллерена
Рассмотрим источник, совершающий гармонические колебания в материальной среде с частотой. Тогда его движение описывается функцией вида . Пусть начальная фаза 0 равна нулю...
Становление взглядов на природу света
Начало научной оптики связано с открытием законов отражения и преломления света в начале XVII в. (В. Снеллиус, Р. Декарт). Большую трудность для зарождающейся оптики представляло объяснение цветов...
Численное исследование конвективных течений в пакете ANSYS
Энергетический спектр и оптические свойства водородоподобных примесных центров в квантовых точках в условиях сильного магнитного поля
Целю данной работы, является теоретическое исследование магнитооптического поглощения комплексов квантовая точка - водородоподобный примесный центр в условиях сильного магнитного поля. Рассматривается случай как продольной...
Явление сверхпроводимости
В 1957 г. Бардиным, Купером и Шриффером была построена последовательная теория сверхпроводящего состояния вещества (теория БКШ). Ещё задолго до этого Ландау была создана теория сверхтекучести гелия II. Оказалось...
В физике световые явления являются оптическими, так как относятся к данному подразделу. Действия этого феномена не ограничиваются лишь тем, чтобы окружающие людей предметы были заметны. Кроме этого, солнечное освещение передает тепловую энергию в пространстве, в результате этого тела нагреваются. На основе этого были выдвинуты определенные гипотезы о природе данного явления.
Энергетический перенос осуществляется телами и волнами, распространяющимися в среде, таким образом, излучение состоит из частиц, называемыми корпускулами. Так их назвал Ньютон, после него появились новые исследователи, которые усовершенствовали эту систему, были Гюйгенс, Фуко и пр. Электромагнитная теория света была выдвинута чуть позднее Максвеллом.
Благодаря самой первой гипотезе Ньютоном была сформирована корпускулярная система, где четко разъяснялась сущность оптических явлений. Цветовые различные излучения описывались как структурные составляющие, входящие в эту теорию. Интерференцию и дифракцию объяснил ученый из Голландии Гюйгенс в XVI веке. Этот исследователь выдвинул и описал теорию света на основе волн. Однако все созданные системы были не оправданы, так как не разъясняли саму сущность и основу оптических явлений. В результате долгих поисков вопросы истинности и подлинности световых излучений, а также их сущность и основа остались нерешенными.
Спустя несколько столетий несколько исследователей под началом Фуко, Френеля начали выдвигать иные гипотезы, благодаря чему выяснилось теоретическое преимущество волн перед корпускулами. Однако и у этой теории были недостатки и недоработки. По сути, это созданное описание предполагало наличие некоего вещества, которое находится в пространстве, ввиду того, что Солнце и Земля на далеком расстоянии друг от друга. В случае, если свет свободно падает и проходит через эти объекты, следовательно, в них присутствует поперечные механизмы.
На основе всей этой гипотезы возникли предпосылки для создания новой теории о мировом эфире, который заполняет тела и молекулы. А с учетом особенностей этого вещества оно должно быть твердым, в результате ученые пришли к выводу, что он обладает упругими свойствами. По сути, эфир должен оказывать влияние на земной шар в пространстве, но этого не происходит. Таким образом, это вещество ничем не оправдано, кроме того, что через него струится световое излучение, и оно обладает твердостью. На основе таких противоречий данная гипотеза была поставлена под сомнение, лишена смысла и дальнейших исследований.
Волновые свойства света и электромагнитная теория света, можно сказать, стали единым целым, когда Максвелл начал свои исследования. В ходе изучения было обнаружено, что скорость распространения указанных величин совпадают, если находятся в вакууме. В результате эмпирического обоснования, Максвеллом выдвинута и доказана гипотеза об истинной природе света, которая удачно подтверждалась годами и другими практиками, опытом. Таким образом, в позапрошлом столетии создалась электромагнитная теория света, применяющаяся и сегодня. Позже она будет признана классической.
На основе новой гипотезы была выведена формула λ = c/ν, которая указывает на то, что при расчете частоты можно найти длину. Световые излучения являются электромагнитными волнами, но только в том случае, если они ощутимы для человека. Кроме того, такими можно назвать и к ним относятся с колебанием от 4·10 14 до 7,5 · 10 14 Гц. В данном диапазоне частота колебаний может варьироваться и цвет излучения разный, причем на каждом отрезке или интервале будет характерный и соответствующий для него цвет. В результате по частоте указанной величины находится длина волны в вакууме.
При расчете видно, что световое излучение может быть от 400 нм до 700 нм (фиолетовый и красный цвета). При переходе оттенок и частота сохраняются и зависят от волновой длины, которая меняется на основе скорости распространения и указывается для вакуума. Электромагнитная теория света Максвелла основана на научном обосновании, где излучение оказывает давление на составляющие тела и непосредственно на него. Правда, позже эта концепция была проверена и доказана эмпирическим путем Лебедевым.
Излучение и распределение светящихся тел по частотам колебаний не согласуется с законами, которые были выведены из волновой гипотезы. Подобное утверждение исходит из анализа состава этих механизмов. Физик из Германии Планк попытался найти объяснение такому результату. Позже он пришел к выводу, что излучение происходит в виде определенных порций - квант, затем эту массу стали называть фотоны.
В результате анализ оптических явлений привел к выводу, что световое испускание и поглощение объяснялись с помощью массового состава. В то время как те, что распространялись в среде, были разъяснены волновой теорией. Таким образом, чтобы полностью изучить и описать данные механизмы требуется новая концепция. Причем новая система должна была объяснять и объединять различные свойства света, то есть корпускулярные и волновые.
В результате труды Бора, Эйнштейна, Планка были положены в основу этой усовершенствованной структуры, которая была названа квантовой. На сегодняшний день эта система описывает и поясняет не только классическую электромагнитную теорию света, но и другие разделы физического знания. По существу, новая концепция легла в основу множества свойств и явлений, протекающих в телах и пространстве, а кроме этого, огромное количество ситуаций предсказала и разъяснила.
По существу, электромагнитная теория света кратко описывается как явление, в основе которого присутствуют различные доминанты. Например, корпускулярные и волновые переменные оптики имеют связь и выражаются формулой Планка: ε = ℎν, здесь присутствуют квантовая энергия, электромагнитного излучения колебания и их частота, постоянный коэффициент, который не меняется ни для каких явлений. Согласно новой теории, оптическая система с определенными варьирующимися механизмами состоит из фотонов с силой. Таким образом, теорема звучит так: квантовая энергия прямо пропорциональна электромагнитному излучению и его частотным колебаниям.
Аксиома c = νλ, в результате формулы Планка производится ε = hc / λ, так можно прийти к выводу, что указанное выше явление - обратное длине волны при оптическом влиянии в вакууме. Опыты, проведенные в закрытом пространстве, показали, что пока существует фотон, он будет двигаться по определенной скорости и замедлить свой темп не сможет. Однако поглощается частицами веществ, которые встретятся ему на пути, в результате происходит взаимообмен, и он исчезает. В отличие от протонов и нейтронов не имеет массы покоя.
Электромагнитные волны и теории света до сих пор не поясняют противоречивые явления, например, в одной системе будут ярко выраженные свойства, а в другой корпускулярные, но, тем не менее, все они объединены излучением. На основе концепции квант существующие свойства присутствуют в самой природе оптической структуры и в общей материи. То есть частицы обладают волновыми свойствами, а эти в свою очередь корпускулярными.
Основы электромагнитной теории света опираются на аксиому, которая гласит: молекулы, атомы тел создают видимое излучение, которое называется источником оптического явления. Существует огромное количество предметов, производящих этот механизм: лампа, спички, трубки и др. Причем каждую подобную вещь можно условно разделить на равнозначные группировки, которые определяются по способу накала частиц, реализующих излучение.
Изначальное происхождение свечения происходит из-за возбуждения атомов и молекул ввиду хаотического движения в теле частиц. Это возникает, потому что температура достаточно высока. Излучаемая энергия повышается за счет того, что их внутренняя сила возрастает и накаляется. Такие предметы относятся к первой группе источников света.
Накаливание атомов и молекул возникает на основе летящих частиц веществ, причем это не минимальное скопление, а целый поток. Температура здесь не играет особой роли. Такое свечение называют люминесценцией. То есть оно всегда возникает ввиду того, что тело поглощает внешнюю энергию, вызванную электромагнитным излучением, химической реакцией, протонами, нейтронами и пр.
А источники называются люминесцентными. Определение электромагнитной теории света этой системы звучит следующим образом: если после поглощения телом энергии проходит некоторое время, измеримое опытным путем, и затем оно производит излучение не из-за температурных показателей, следовательно, оно относится к вышеуказанной группе.
Однако подобные характеристики не полностью описывают эту группу, ввиду того, что она обладает несколькими видами. По сути, после поглощения энергии тела пребывают в накаливании, затем испускают излучение. Время возбуждения, как правило, варьируется и зависит от множества параметров, зачастую не превышает нескольких часов. Таким образом, способ накаливания может быть нескольких типов.
Разреженный газ начинает испускать излучение после того, как через него прошел прямой ток. Такой процесс называется электролюминесценцией. Наблюдается в полупроводниках и светодиодах. Происходит это таким образом, что пропускание тока дает рекомбинацию электронов и дырок, за счет этого механизма и возникает оптическое явление. То есть, преобразовывается энергия из электрической в световую, обратный внутренний фотоэффект. Кремний считается инфракрасным излучателем, а фосфид галлия и карбид кремния реализуют видимое явление.
Тело поглощает свет, а также твердые вещества и жидкости излучают длинные волны, которые отличаются по всем параметрам от изначальных фотонов. Для накала используется ультрафиолетовый накал. Данный способ возбуждения называется фотолюминесценцией. Возникает оно в видимой части спектра. Излучение трансформируется, именно этот факт был доказан английским ученым Стоксом в XVIII веке и теперь является аксиоматическим правилом.
Квантовая и электромагнитная теория света описывают концепцию Стокса следующим образом: молекула поглощает порцию излучения, затем передает ее другим частицам в процессе теплообмена, остатки энергии испускают оптическое явление. При формуле hν = hν 0 - A, выходит, что частота излучения люминесценции ниже поглощенной частоты, в результате получается, что длина волны больше.
Электромагнитная теория света и теорема классической физики указывают на факт того, что скорость указанной величины велика. Ведь расстояние от Солнца до Земли он проходит за несколько минут. Множество ученых пыталось анализировать прямую линию времени и то, как проходит свет через одно расстояние к другому, но им в основе так это и не удалось.
По сути, электромагнитная теория света основана на скорости, которая является главной константой физики, но при этом не предсказуемой, а возможной. Были созданы формулы, и после проверок выяснилось, что распространение и движение электромагнитных волн зависит от среды пребывания. Причем, определяется эта переменная абсолютным показателем преломления пространства, где размещается указанная величина. В любое вещество способно проникнуть световое излучение, в результате магнитная проницаемость понижается, ввиду этого скорость оптики определяется диэлектрической константой.
Интерференция волн. Когерентные волны. Разность хода двух волн. Условия интерференционных максимумов и минимумов
Условия интерференционного максимума и минимума
Тема 9. Волновая теория света. Интерференция света. Метод Юнга
Интерференцией волн называется явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабления колебаний в других точках в результате наложения двух или более волн, приходящих в эти точки. При наложении двух (или нескольких) световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Необходимым условием наблюдения устойчивой интерференционной картины является когерентность складываемых волн. Когерентными называются волны одинаковой частоты, колебания в которых отличаются постоянной во времени разностью фаз.
Для получения когерентных световых волн применяют метод разделения волны, излучаемой одним источником, на две части, которые после прохождения разных оптических путей накладываются друг на друга, и в результате наблюдается интерференционная картина.
Произведение геометрической длины s пути световой волны в данной среде на показатель n преломления этой среды называетсяоптической длиной пути L , a величина D = L 2 – L 1 (разность оптических длин проходимых волнами путей) называетсяоптической разностью хода.
Если оптическая разность хода D равна целому числу длин волн l 0 , т.е.
( = 0, 1, 2,…) ,
М обеими волнами, будут происходить в одинаковой фазе, и в точке М будет наблюдатьсяинтерференционный максимум (m – порядок интерференционного максимума).
Если же оптическая разность хода D равна полуцелому числу длин волн l 0 , т.е.
( = 0, 1, 2,…) ,
то колебания, возбуждаемые в точке М обеими волнами, будут происходить в противофазе, и в точке М будет наблюдатьсяинтерференционный минимум (m – порядок интерференционного минимума).
В качестве примера интерференции световых волнрассмотрим метод Юнга.
Метод Юнга. Для наблюдения интерференции света когерентные световые пучки получают разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Источником света служит ярко освещенная щель S (рис. 20), от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S 1 и S 2 , параллельные щели S. Таким образом, щели S 1 и S 2 играют роль когерентных источников, а
Интенсивность света в точкеА определяется оптической разностью хода лучей: D= s 2 – s 1 .
Согласно рисунку 20:
; 
, откуда 
или 
.
Из условия l >>d следует, что s 1 + s 2 » 2l, тогда
Согласно этому соотношению и условиям наблюдения интерференционных максимумов и минимумов положения максимумов (x max ) и минимумов (x min ) интенсивности на экране в методе Юнга определяются следующим образом:
( = 0, 1, 2,…) ,
( = 0, 1, 2,…) .
Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами) Dx называется шириной интерференционной полосы и равно:
Из этого соотношения следует, что величина Dx зависит от длины волны l 0 . Поэтому, четкая интерференционная картина, представляющая собой чередование на экране светлых и темных полос, возможна только при использовании монохроматического света, то есть света определенной длины волны l 0 .
Тема 10. Дифракция света. Дифракция Френеля
Дифракцией называется огибание волнами препятствий. Дифракцию света определяют как любое отклонение распространения света вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны попадают в область геометрической тени, проникают через небольшие отверстия и т. д.
Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса , согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта.
| |
|
Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн.
Согласнопринципу Гюйгенса – Френеля световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S , может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить, например, бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Если в качестве таковой выбрать одну из волновых поверхностей (волновой поверхность – это геометрическое место точек, колебания в которых происходят в одинаковой фазе), то все бесконечно малые элементы этой замкнутой поверхности, как фиктивные источники, действуют синфазно. Это свойство фиктивных источников когерентных вторичных волн использовано в методе зон Френеля при изучении дифракции сферических волн.
Метод зон Френеля. Найдем в произвольной точке М амплитуду световой волны, распространяющейся от точечного источника света S (рис. 21).
|
Френель разбил волновую поверхность Ф , являющуюся сферической поверхностью с центром в точке S , на кольцевые зоны (зоны Френеля) такого размера, чтобы расстояния от краев соседних зон до точки М отличались на l /2 (рис. 21). Так как колебания от соседних зон проходят до точки М расстояния, отличающиеся на l /2, то в точку М они приходят в противофазе и при наложении взаимно ослабляют друг друга. Поэтому амплитудаА М :
где А 1 , А 2 , ..., А n – амплитуды колебаний, идущих от 1-ой, 2-ой, ... , n -ной зоны.
В результате сложения амплитудаА результирующего светового колебания в точке М оказалась равной половине амплитуды А 1 центральной зоны Френеля:
То есть, амплитуда светового колебания, идущего только от одной центральной зоны Френеля вдвое больше, чем амплитуда результирующего светового колебания при полностью открытом волновом фронте. Этот эффект подтвержден экспериментально с помощью зонных пластинок, на практике, стеклянных пластинок, построенных по методу зон Френеля. Зонные пластинки состоят из чередующихся прозрачных (для нечетных зон Френеля) и непрозрачных (для четных зон Френеля) концентрических колец. В этом случае результирующая амплитудаА (A=A 1 +A 3 +A 5 +... ) больше, чем при полностью открытом волновом фронте. Опыт подтвердил, что зонные пластинки увеличивают освещенность в точке М, действуя подобно собирающей линзе.
Дифракция Френеля на круглом отверстии. Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника S, встречает на своем пути круглое отверстие (рис. 22). Дифракционная картина на экране зависит от числа зон Френеля, открытых круглым отверстием. После разбиения открытой части волновой поверхности Ф на зоны Френеля для точкиВ , лежащей на экране (рис. 22), определяют число открытых зон. Если число открытых зон Френеля четное, то в точкеВ наблюдается темное пятно, так как колебания от каждой пары соседних зон Френеля взаимно гасят друг друга. Если же число открытых зон Френеля нечетное, то в точкеВ будет светлое пятно.
Дифракция Френеля на диске.
Сферическая волна, распространяющаяся от точечного источника S,
встречает на своем пути диск (рис. 23). Пусть для точкиВ
, лежащей на линии, соединяющей источник S
с центром диска, после разбиения волновой поверхности Ф
на зоны Френеля окажутся закрытыми диском m
первых зон Френеля. Тогда амплитудаА
результирующего колебания в точке В
равна: 
, то есть в точке В
будет светлое пятно, соответствующее действию половины первой открытой зоны Френеля.
1. Световая волна. Интерференция света. Когерентность (временная и пространственная) и монохроматичность световых волн. Условия максимума и минимума интенсивности при интерференции.
Световая волна - электромагнитная волна видимого диапазона длин волн. Частота световой волны (или набор частот) определяет "цвет". Энергия, переносимая световой волной, пропорциональна квадрату ее амплитуды. Явление обpазованиячеpедующихся полос усиления и ослабления интенсивности света называется интеpфеpенцией. Интеpфеpенция света наблюдается пpи наложении дpуг на дpуга двух или большего числа пучков света. Когерентность - согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Когерентность выражается в постоянстве или закономерной связи между фазами, частотами, поляризациями и амплитудами этих волн. Временная когерентность - состояние, при котором световые волны на протяжении своего периода проходят данную область в пространстве за одно и то же время. Пространственная когерентность - состояние, при котором световые волны, проходящие через пространство, не обязательно совпадают по частоте, но совпадают по фазе. Монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты.
Если разность хода равна целому числу длин волн в вакууме
то , и колебания, возбуждаемые в точке Р обеими волнами, будут происходить в одинаковой фазе. Следовательно, (8.1.3) является условием интерференционного максимума.
Если оптическая разность хода
(8.1.4)
то , и колебания, возбуждаемые в точке Р обеими волнами, будут происходить в противофазе. Следовательно, (8.1.4) является условием интерференционного минимума.
2. Способы получения когерентных волн. Интерференция света в тонких пленках.
Тепловые источники некогерентны друг другу. Для получения когерентных световых волн, волну, излучаемую одним источником света, разделяют на две, и затем полученные волны сводят вместе в некоторой области пространства, называемой областью перекрытия.
Опыт Юнга
И 
сточником света является освещенная щельS, от которой световая волна падает на две узкие щели S
1 и S
2 , освещаемые различными участками одного и того же волнового фронта (Рис.1.5). Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Р световые пучки, прошедшие через щели S
1 и S
2 , перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.
Бипризмы Френеля
Д 
ля разделения световой волны используют двойную призму (бипризму) с малым преломляющим углом . Источником света является ярко освещеннаящельS, параллельная преломляющему ребру бипризмы. В силу малости преломляющего угла бипризмы (несколько угловых минут) все лучи отклоняются на один и тот же угол независимо от угла падения, при этом отклонение происходит в сторону основания каждой из призм, составляющих бипризму. В результате образуются две когерентные волны, виртуально исходящих из мнимых источников и , лежащих в одной плоскости с реальным источником
Бизеркало Френеля
В установке бизеркала Френеля две когерентные волны получают при отражении от двух зеркал, плоскости которых образуют двугранный угол ,где - очень малый угол. Источник – узкая освещенная щель , параллельная грани двугранного угла. Отраженные от зеркал пучки падают на экран Э, и в области перекрытияPQ возникает интерференционная картина в виде полос, параллельных щели .
Интерференция света в тонких пленках:
При освещении тонкой плёнки можно наблюдать интерференцию световых волн, отражённых от верхней и нижней поверхности плёнок. Для белого света, представляющего собой смешение электромагнитных волн из всего оптического спектра, интерференционные полосы приобретают окраску.
Одна волна (та, котоpая заходит в пленку) отстает от дpугой. Между волнами обpазуетсяpазность хода. Если эта pазность хода пеpеменная в пpостpанстве, то создаются условия для наблюдения полос интеpфеpенции. Интеpфеpенцию в тонких пленках можно наблюдать двумя способами. Один способ основан на том, что пленка имеет pазличную толщину в pазных местах, дpугой - на том, что свет может падать на пленку под pазными углами. Пеpвый способ дает так называемые полосы pавной толщины, втоpой - полосы pавного наклона.
3. Применение интерференции: интерферометры, просветление оптики.
Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны. Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн (интерференционная спектроскопия).
Интерферометр - измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок электромагнитного излучения (света, радиоволн и т. п.) с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков
Интерферометры применяются как при точных измерениях длин, в частности в станкостроении и машиностроении, так и для оценки качества оптических поверхностей и проверки оптических систем в целом. 
Просветление оптики - это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких плёнок одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы. Показатель преломления таких плёнок меньше показателя преломления стёкол линз. Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние и отражение падающего света от поверхности оптического элемента, соответственно улучшая светопропускание системы и контраст
оптического изображения.
4. Понятие о дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света.
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.
П
ринцип Гюйгенса-Френеля
позволяет объяснить механизм распространения волн. Принцип состоит из двух частей:
Первая часть носит название принцип Гюйгенса (1678). Его суть состоит в том, что каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Точка же, огибающая вторичные волны становится волновой поверхностью в следующий момент времени.
Вторая часть принципа носит название принцип (дополнение) Френеля (1815). Он звучит следующим образом: каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.
Математически принцип Гюйгенса–Френеля имеет обоснование в виде интегральной теоремы Кирхгофа.
Метод зон Френеля: Френель предложил метод разбиения фронта волны на кольцевые зоны, который впоследствии получил название метод зон Френеля.
Пусть от источника света S распространяется монохроматическая сферическая волна, P - точка наблюдения. Через точку O проходит сферическая волновая поверхность. Она симметрична относительно прямой SP.
Р 
азобьем эту поверхность на кольцевые зоны I, II, III и т.д. так, чтобы расстояния от краев зоны до точки P отличались на половину длины световой волны. Это разбиение было предложено O. Френелем и зоны называют зонами Френеля.
Возьмем произвольную точку 1 в первой зоне Френеля. В зоне II найдется, в силу правила построения зон, такая соответствующая ей точка, что разность хода лучей, идущих в точку P от точек 1 и 2 будет равна l/2. Вследствие этого колебания от точек 1 и 2 погасят друг друга в точке P.
Из геометрических соображений следует, что при не очень больших номерах зон их площади примерно одинаковы. Значит каждой точке первой зоны найдется соответствующая ей точка во второй, колебания которых погасят друг друга. Амплитуда результирующего колебания, приходящего в точку P от зоны с номером m, уменьшается с ростом m, т.е.
При сложении этих колебаний, они должны взаимно ослаблять друг друга:
Закон прямолинейного распространения света – в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям.
5. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.
Тип дифракции, при котором дифракционная картина образуется параллельными пучками, называется дифракцией Фраунгофера.
Одномерная дифракционная решетка представляет собой систему из большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей в экране, разделенных также одинаковыми по ширине непрозрачными промежутками
Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей, т.е. в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.
Рис. 9.6 Рис. 9.7
Пусть луч 1 падает на линзу под углом φ (угол дифракции). Световая волна, идущая под этим углом от щели, создает в точке максимум интенсивности. Второй луч, идущий от соседней щели под этим же углом φ, придет в ту же точку . Оба эти луча придут в фазе и будут усиливать друг друга, если оптическая разность хода будет равна mλ:
Условие максимума для дифракционной решетки будет иметь вид: ,
где m = ± 1, ± 2, ± 3, … .
Максимумы, соответствующие этому условию, называются главными максимумами. Значение величины m, соответствующее тому или иному максимуму называется порядком дифракционного максимума.
В точке F0 всегда будет наблюдаться нулевой или центральный дифракционный максимум.
Так как свет, падающий на экран, проходит только через щели в дифракционной решетке, то условие минимума для щели и будет условием главного дифракционного минимума для решетки:
Конечно, при большом числе щелей, в точки экрана, соответствующие главным дифракционным минимумам, от некоторых щелей свет будет попадать и там будут образовываться побочные дифракционные максимумы и минимумы (рис. 9.7). Но их интенсивность, по сравнению с главными максимумами, мала (≈ 1/22).
При условии 
, волны, посылаемые каждой щелью, будут гаситься в результате интерференции и появятся дополнительные минимумы.
Количество щелей определяет световой поток через решетку. Чем их больше, тем большая энергия переносится волной через нее. Кроме того, чем больше число щелей, тем больше дополнительных минимумов помещается между соседними максимумами. Следовательно, максимумы будут более узкими и более интенсивными:
Интерференция световых волн
Волновые свойства света наиболее отчетливо обнаруживают себя в интерференции и дифракции . Эти явления характерны для волн любой природы и сравнительно просто наблюдаются на опыте для волн на поверхности воды или для звуковых волн. Наблюдать же интерференцию и дифракцию световых волн можно лишь при определенных условиях. Свет, испускаемый обычными (нелазерными) источниками, не бывает строго монохроматическим. Поэтому для наблюдения интерференции свет от одного источника нужно разделить на два пучка и затем наложить их друг на друга.
Интерференционный микроскоп.
Существующие экспериментальные методы получения когерентных пучков из одного светового пучка можно разделить на два класса .
В методе деления волнового фронта пучок пропускается, например, через два близко расположенных отверстия в непрозрачном экране (опыт Юнга). Такой метод пригоден лишь при достаточно малых размерах источника.
В другом методе пучок делится на одной или нескольких частично отражающих, частично пропускающих поверхностях. Этот метод деления амплитуды может применяться и при протяженных источниках. Он обеспечивает большую интенсивность и лежит в основе действия разнообразных интерферометров. В зависимости от числа интерферирующих пучков различают двулучевые и многолучевые интерферометры. Они имеют важные практические применения в технике, метрологии и спектроскопии.
Пусть две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:
где под x понимаем напряженность электрического E и магнитного H полей волны, которые подчиняются принципу суперпозиции (см. п. 6).
Амплитуду результирующего колебания при сложении колебаний, направленных вдоль одной прямой, найдем по формуле (2.2.2):
Если разность фаз колебаний , возбужденных волнами в некоторой точке пространства , остается постоянной во времени, то такие волны называются когерентными.
В случае некогерентных волн разность фаз непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения, вследствие чего среднее по времени значение равно нулю (изменяется от –1 до +1). Поэтому.
Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды: . Отсюда можно сделать вывод, что для некогерентных источников интенсивность результирующей волны всюду одинакова и равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности :
Последнее слагаемое в этом выражении называется интерференционным членом .
В точках пространства, где, (в максимуме), где, интенсивность (в минимуме). Следовательно, при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией света .
Устойчивая интерференционная картина получается лишь при сложении когерентных волн. Некогерентность естественных источников света обусловлена тем, что излучение тела слагается из волн, испускаемых многими атомами. Фазы каждого цуга волны никак не связаны друг с другом. Атомы излучают хаотически.
Периодическая последовательность горбов и впадин волн , образующихся в процессе акта излучения одного атома , называется цугом волн или волновым цугом .
Процесс излучения одного атома длится примерно с. При этом длина цуга.
В одном цуге укладывается примерно длин волн.
