Свет - электромагнитная волна

21

МОСКОВСКАЯ АКОДЕМИЯ ПРЕДПРИНЕМАТЕЛЬСТВА

ПРИ ПРАВИТЕЛЬСТВЕ г. МОСКВЫ

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ ФИЛИАЛ

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Контрольная работа

по курсу: «Концепции современного естествознания»

на тему:

«Свет - электромагнитная волна»

Выполнила студентка ОЗО

Папонова А.И.

Благовещенск 2005г

Развитие взглядов на природу света

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Проследим за развитием научных представлений о том, что такое свет.

Два способа передачи воздействий. От источника света, например лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, свет вызывает зрительное ощущение -- мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику). Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами: либо посредством переноса от источника к приемнику, либо же посредством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества). Таким образом, передача действия от одного тела к другому может происходить посредством волн.

Корпускулярная и волновая теории света. В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. При чем возникли они почти одновременно в XVII веке.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая - с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной Латинское слово корпускула в переводе на русский язык означает «частица». теории света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны.

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет - это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеваться, волновая же теория это легко объясняла.

Однако прямолинейное распространение света, приводящие к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить исходя из волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Такое неопределенное положение относительно природы света длилось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (отгибание светом препятствий) и интерференции света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присущи исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя, поэтому казалось, что волновая теория одержала победу. Во второй половине XIX века Максвелл доказал что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас.

Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения -- считая свет потоком частиц.

Прямолинейное распространение света

Световые лучи. Направление распространения любых волн, в том числе и световых, определяется с помощью лучей -- линий, перпендикулярных волновым поверхностям и указывающих направление распространения энергии волны. Направление пучка световых лучей можно найти экспериментально, если поставить на пути света непрозрачный экран с небольшим отверстием. Тогда в задымленной комнате мы увидим узкий, прямолинейный канал -- световой пучок. Пучок становится видимым благодаря рассеянию света частицами дыма. Казалось бы, уменьшая отверстие, можно сузить этот пучок до линии и таким образом сколь угодно точно установить направление распространения света. Но в действительности с уменьшением отверстия пучок сжимается лишь до тех пор, пока диаметр отверстия остается значительно большим длины световой волны. Когда же диаметр отверстия по порядку величины оказывается сравнимым с длиной волны, становится заметным расширение пучка за счет дифракции. Свет огибает края экрана, подобно тому, как это происходит с волнами на поверхности воды. Поэтому получить сколь угодно тонкий пучок света, который можно было бы назвать световым лучом, мы не можем.

Под световым лучом понимают не тонкий световой пучок, а линию, указывающую направление распространения световой энергии. Чтобы определить это направление, мы выделяем узкие световые пучки, диаметр которых все же должен превосходить длину волны. Затем мы заменяем эти пучки линиями, которые являются как бы осями световых пучков. Эти линии и изображают световые лучи. Следовательно, говоря об отражении или преломлении световых лучей, мы имеем в виду изменение направления распространения света.

Основная польза от введения понятия светового луча заключается в том, что поведение лучей в пространстве определяется простыми законами -- законами геометрической оптики.

Геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче.

Эти законы были установлены экспериментально задолго до выяснения природы света. Но они вытекают из волновой теории света как приближение, справедливое, если длина волны много меньше размеров препятствий, которые расположены не очень далеко от места наблюдения.

Закон прямолинейного распространения света. Как показывают наблюдения, в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Другими словами, в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии Термин луч в геометрии, как и понятие, прямая линия, возник на основе представлений о световых лучах..

Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени, т.е. области, куда не поступает световая энергия. При малых размерах источника (светящаяся точка) получается резко очерченная тень. При больших размерах источника создаются нерезкие тени.

Во многих случаях тень вообще не образуется. Так, в пасмурный день нельзя увидеть тени от столбов, домов и других предметов.

Световая энергия. Свет воздействует на тела благодаря тому, что переносит энергию. Согласно теории Максвелла световая энергия -- это энергия электромагнитных волн.

Поэтому плотность потока электромагнитного излучения, характеризует также энергию световых волн. Она убывает по мере удаления от источника.

Отражение света. Луч света в однородной среде прямолинеен до тех пор, пока не дойдет до границы этой среды с другой средой. На границе двух сред луч меняет свое направление. Часть света (а в ряде случаев и весь свет) возвращается в первую среду. Это явление называется отражением света. Одновременно свет частично проходит во вторую среду, меняя при этом направление своего распространения, -- преломляется.

Зеркальное и диффузное отражение. В зависимости от свойств границы раздела между двумя средами отражение может иметь различный характер. Если граница имеет вид поверхности, размеры неровностей которой меньше длины световой волны, то онa называется зеркальной.

Примерами поверхностей, по своим свойствам приближающихся к зеркальным, могут служить поверхность капли ртути, поверхность гладкого стекла или хорошо отполированная металлическая поверхность. Лучи света, падающие на такую поверхность узким параллельным пучком, идут после отражения также по близким направлениям. Такое направленное отражение называют зеркальным.

Если же размеры неровностей больше длины волны света, то узкий пучок рассеивается на границе. После отражения лучи света идут по всевозможным направлениям. Такое отражение называется рассеянным или диффузным. Именно благодаря диффузному отражению света мы можем видеть предметы, которые сами не излучают свет. В малой степени рассеяние света имеет место при его отражении даже от самой гладкой поверхности, например от обычного зеркала.

Закон отражения света. Закон отражения света определяет взаимное расположение падающего луча АВ, отраженного луча BD и перпендикуляра ВС к поверхности, восставленного в точке падения. Мы видели, что при отражении волн угол падения равен углу отражения. Этот закон справедлив для волн любой природы и формулируется так: падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол отражения г равен углу падения б..

Если обратить направление распространения световых лучей, то отраженный луч станет падающим, а падающий -- отраженным. Обратимость хода световых лучей -- их важное свойство

Преломление света: На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света. Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение предметов, их расположения и размеров.

Закон преломления света. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред -- преломлением света.

Закон преломления света определяет взаимное расположение падающего луча АВ (рис.6), преломленного DB и перпендикуляра СЕ к поверхности раздела сред, восставленного в точке падения. Угол б называется углом падения, а угол в -- углом преломления.

Падающий, отраженный и преломленный лучи нетрудно наблюдать, сделав узкий световой пучок видимым. Ход такого пучка в воздухе можно проследить, если пустить в воздух немного дыма или же поставить экран под небольшим углом к лучу. Преломленный пучок также виден в подкрашенной флюоресцеином воде аквариума.

Применительно к свету закон преломления формулируется следующим образом: падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.

Показатель преломления. Постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.

Если угол преломления в меньше угла падения б, то согласно скорость света во второй среде меньше, чем в первой.

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.

Полное отражение. Закон преломления света позволяет объяснить интересное практически важное явление -- полное отражение света. При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например, из воздуха в стекло или воду, согласно закону преломления показатель преломления n>1. Поэтому б > в (рис.7, а) преломленный луч приближается к перпендикуляру на границе раздела сред. Если направить луч света в обратном направлении из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль бывшего преломленного луча, то закон преломления запишется так:

sin б = х₁ = 1

sin в х₂ n

Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды пойдет по линии бывшего падающего луча, поэтому б < в, т.е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла б угол преломления в растет, оставаясь, все время больше угла б. Наконец, при некотором угле падения приблизится к 90° и преломленный луч пойдет по границе раздела сред.

Наибольшему возможному углу преломления в=90° соответствует угол падения б_о.

Что произойдет при б>б_о. При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При б>б_о преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света.

Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон -- световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути. Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения. По мере улучшения технологии изготовления длинных пучков волокон - световодов все шире начинает применяться связь (в том числе и телевизионная) с помощью световых лучей.

Линза

До сих пор мы рассматривали преломление света на плоской границе двух сред. На практике широко используется преломление на сферических поверхностях.

Прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями, называют линзой.

Виды линз. Линза может быть ограничена двумя выпуклыми сферическими поверхностями, выпуклой сферической поверхностью и выпуклой и вогнутой сферическими поверхностями. Эти линзы посредине толще, чем у краев, и все они называются выпуклыми.

Линзы, которые посредине тоньше, чем у краев, называются вогнутыми. На рисунке 10 изображены три вида вогнутых линз: двояковогнутая -- а, плосковогнутая -- б и выпукло-вогнутая -- в.

Тонкая линза. Мы рассмотрим наиболее простой случай, когда толщина линзы пренебрежимо мала по сравнению с радиусами R₁ и R₂ поверхностей линзы и расстоянием предмета от линзы. Такую линзу называют тонкой линзой. В дальнейшем, говоря о линзе, будем подразумевать тонкую линзу.

Точки -А и В -- вершины сферических сегментов -- в тонкой линзе расположены столь близко друг от друга, что их можно принять за одну точку, которую называют оптическим центром линзы и обозначают буквой О. Луч света, который проходит через оптический центр линзы, практически не преломляется. Прямую проходящую через центры сферических поверхностей, которые ограничивают линзу, называют ее главной оптической осью. Главная оптическая ось тонкой линзы проходит через оптический центр. Любую другую прямую, проходящую через оптический центр, называют побочной оптической осью.

Изображение в линзе. Подобно плоскому зеркалу линза создает изображения источников света. Это означает, что свет, исходящий из какой-либо точки предмета, после преломления в линзе снова собирается в одну точку, независимо от того, через какую часть линзы прошли лучи. Если по выходе из линзы лучи сходятся, они образуют действительное изображение. В случае же, когда прошедшие через линзу лучи расходятся, то пересекаются в одной точке не сами эти лучи, а лишь их продолжения. Изображение тогда мнимое. Его можно наблюдать глазом непосредственно или с помощью оптических приборов Лучи или их продолжения будут пересекаться практически в одной точке, если они образуют малые углы с главной оптической осью..

Собирающая линза. Обычно линзы делают из стекла. Выпуклые линзы являются собирающими. Любую из них схематично можно себе представить как совокупность стеклянных призм. В воздухе каждая призма отклоняет лучи к основанию. Все лучи, идущие через линзу, отклоняются в сторону ее главной оптической оси.

Рассеивающая линза. Вогнутые линзы являются рассеивающими. Укрепив линзу на диске, направляем на нее лучи, параллельные главной оптической оси. Преломленные лучи будут расходящимися, а их продолжения пересекаются в главном фокусе рассеивающей линзы. В этом случае главный фокус является мнимым и расположен на расстоянии F от линзы. Второй мнимый главный фокус находится по другую сторону линзы на таком же расстоянии, если среда по обе стороны линзы одна и та же.

Оптическая сила линзы. Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы. Чем ближе к линзе лежат ее фокусы, тем сильнее линза преломляет лучи, собирая или рассеивая их, и тем больше по абсолютному значению оптическая сила линзы. Оптическую силу D линз выражают в диоптриях (дптр). Оптической силой в 1 дптр обладает линза с фокусным расстоянием 1м.

Увеличение линзы. Изображение, даваемое линзой, обычно отличается своими размерами от предмета. Различие размеров предмета и изображения характеризуют увеличением. Линейным увеличением называют отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета. Следовательно, увеличение линзы равно отношению расстояния от изображения до линзы к расстоянию от линзы до предмета.

Дисперсия света

Показатель преломления не зависит от угла падения светового пучка, но он зависит от его цвета. Это было открыто Ньютоном. Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром. Закрыв отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв, синим стеклом, он наблюдал синее пятно и т. д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет.

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости». Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других -- красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латинского слова dispergo -- разбрасываю).

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель, освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза, дающая на экране изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму, то изображение щели растянется в спектр.

Впоследствии была выяснена зависимость цвета от физических характеристик световой волны: частоты колебаний или длины волны. Поэтому можно дать более глубокое определение дисперсии, чем то, к которому пришел Ньютон. Дисперсией называется зависимость показателя преломления света, от частоты колебаний (или длины волны).

Интерференция света

Рассмотрев методы измерения скорости света и доказательства того, что в среде свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Это подтверждает справедливость волнового принципа Гюйгенса с успехом применявшегося для объяснения отражения и преломления света. Однако необходимы более веские доказательства того, что (свет при распространении ведет себя как волна). Любому волновому движению, присущи явления интерференции и дифракции. Для того чтобы быть уверенным в том, что свет имеет волновую природу, необходимо найти экспериментальные доказательства интерференции и дифракции света.

Условие когерентности световых волн. Для получения устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн, и постоянной разностью фаз называются - когерентными.

Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале волн. Но невозможно осуществить постоянство разности фаз двух независимых источников. Атомы источников излучают независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн длиной около метра. И такие цуги от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной Исключение составляют квантовые источники света -- лазеры, созданные в 1960 г.. Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.

Интерференция в тонких пленках. Тем не менее, интерференцию света удается наблюдать. Курьез состоит в том, что ее наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчета (пускание мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды). Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 (рис. 13) Глаз сводит вместе волны / и 2 на сетчатке, если рассматривать поверхность пленки, т. е. акко-модировать глаз на нее.,одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а вторая -- от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн -- сложение двух волн, следствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстанет от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два, а затем эти части сводятся вместе и интерферируют.

Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны. (Или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Кольца Ньютона. Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны. Подобно тому, как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или длиной волны. Вне нас в природе нет никаких красок, есть лишь волны разной длины.

Некоторые применения интерференции. Применения интерференции очень важны и обширны. Существуют специальные приборы -- интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Назначение их может быть различным: точное измерение длин световых волн, измерение показателя преломления газов и других веществ.

Просветление оптики. Объективы современных фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол -- линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверхностей в современных фотообъективах превышает 10, а в перископах подводных лодок доходит до 40. При падении света перпендикулярно поверхности от нее отражается 5--9% всей энергии. Поэтому сквозь прибор часто проходит всего 10--20% поступающего в него света. В результате этого освещенность изображения, получается малой. Кроме того, ухудшается качество изображения. Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения. На фотографических изображениях, например, по этой причине образуется «вуаль». Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхности оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света. Даваемое прибором изображение делается при этом ярче, «просветляется». Отсюда, и происходит термин просветление оптики. Просветление оптики основано на интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления n_П меньшим показателя преломления стекла n_с.

Отражение света крайних участков спектра -- красного и фиолетового -- ослабляется незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок. Сейчас даже простые дешевые фотоаппараты имеют просветленную оптику.

В заключение подчеркнем, что гашение света светом не означает превращение световой энергии в другие формы. Как и при интерференции механических волн, гашение волн друг другом в данном участке пространства означает, что световая энергия сюда просто не поступает. Гашение отраженных волн, следовательно, означает, что весь свет проходит сквозь объектив.

Дифракция света

Если свет представляет собой волновой процесс, то, наряду с интерференцией, должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция -- огибание волнами краев препятствий -- присуща любому волновому движению. Но наблюдать дифракцию света нелегко. Дело в том, что волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны очень мала. Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, можно наблюдать нарушение закона прямолинейного распространения света. Светлое пятно против отверстия будет большего размера, чем это следует ожидать при прямолинейном распространении света.

Опыт Юнга. В 1802 г. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции (рис. 14). В не прозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия В и С на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим, в свою очередь, через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. Вследствие дифракции от отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

Теория Френеля. Исследование дифракции получило свое завершение в работах Френеля. Френель не только более детально исследовал различные случаи дифракции на опыте, но и построил количественную теорию дифракции, позволяющую в принципе рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий. Им же было впервые объяснено прямолинейное распространение света в однородной среде на основе волновой теории. Этих успехов Френель добился, объединив принцип Гюйгенса с идеей интерференции вторичных волн. Согласно идее Френеля, волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции (принцип Гюйгенса -- Френеля).

Дифракционные картины от различных препятствий. Из-за того что длина световой волны очень мала, угол отклонения от направления прямолинейного распространения невелик. Потому для отчетливого наблюдения дифракции нужно либо использовать очень маленькие препятствия, либо же располагать экран далеко от препятствий. При расстоянии между препятствием и экраном порядка метра размеры препятствий не должны превышать сотых долей миллиметра. Если же расстояние до экрана достигает сотен метров или нескольких километров, то дифракцию можно наблюдать на препятствиях размером несколько сантиметров или даже метров. На рисунках показано, как выглядят на фотографиях дифракционные картины от различных препятствий. Вместо тени в центре дифракционной картины от отверстия появляется пятно, окруженное светлыми и темными кольцами Изменяя диаметр отверстия, можно в центре дифракционной картины получить и светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами. в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятно, а сама тень окружена темными концентрическими кольцами.

Границы применимости геометрической оптики

Эта теория является приближенной. Она не способна объяснить явления интерференции и дифракции света. Более общей и более точной теорией является волновая оптика. Закон прямолинейного распространения света и другие законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны. Но совершенно точно они не выполняются никогда.

Согласно этим законам мы можем различать с помощью микроскопа сколь угодно малые детали объекта; с помощью телескопа можно установить существование двух звезд при любых, как угодно малых угловых расстояниях между ними. Однако в действительности это не так, и лишь волновая теория света позволяет разобраться в причинах предела разрешающей способности оптических приборов.

Разрешающая способность микроскопа и телескопа. Волновая природа света налагает предел на возможность различения деталей предмета или очень мелких предметов при их наблюдении с помощью микроскопа. Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет распространяется не строго прямолинейно, а огибает предметы. Из-за этого изображения получаются «размытыми». Никакое увеличение не поможет различать детали предмета, если их «размытые» изображения сливаются. Это происходит, когда линейные размеры предметов меньше длины световой волны. Дифракция налагает также предел на разрешающую способность телескопа. Вследствие дифракции волн у края оправы объектива изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга и глаз не в состоянии различить, имеются ли две светящиеся точки или одна. Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно, различать, определяется отношением длины волны к диаметру объектива.

Этот пример показывает, что дифракция происходит всегда, на любых препятствиях. И при очень тонких наблюдениях ею нельзя пренебречь и для препятствий, значительно больших длины волны.

Дифракционная решетка. На явлении дифракции основано устройство замечательного оптического прибора -- дифракционной решетки. Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Хорошая решетка изготовляется с помощью специальной делительной машины, наносящей на стеклянной пластине параллельные штрихи. Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1 мм; общее число штрихов превышает 100000. Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Наилучшими качествами обладают так называемые отражательные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки, отражающие свет и рассеивающие его. Рассеивающие свет штрихи наносятся резцом на отшлифованной металлической пластине. Если ширина прозрачных щелей (или отражающих полос) б, a ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) b, то величина d=a+b называется периодом решетки. С помощью дифракционной решетки можно производить очень точные измерения длины волны. Если период решетки известен, то определение длины волны сводится к измерению угла ц, соответствующего направлению на максимум.

Поперечность световых волн. Поляризация света. Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн -- продольных или поперечных?

Поперечность световых волн. Следует два факта: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией. Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения. Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластинки, считая световую волну продольной, невозможно. Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения. Первое предположение относится к самому свету. Свет -- поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн. Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной. Такое название оправдано, так как в обычных условиях источники света создают именно такую волну. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная). Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости. Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным, в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным. Это предположение полностью объясняет результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскополяризованная волна. При скрещенных кристаллах она не проходит сквозь второй кристалл. Если оси составляют между собой некоторый угол, отличный от 90°, то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла. Итак, кристалл турмалина поляризует свет, т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

Поляроиды. Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет. К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.

Поперечность световых волн и электромагнитная теория света

Электромагнитная теория света берет начало с работ Максвелла. Максвелл чисто теоретически показал возможность существования электромагнитных волн, а также нашел, что скорость распространения этих волн в вакууме должна быть равна скорости света, которая к тому времени уже была известна. На основании этого Максвелл предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Кроме того, из теории Максвелла непосредственно вытекало, что электромагнитные волны являются поперечными. К тому времени поперечность световых волн уже была доказана экспериментально. Поэтому Максвелл обоснованно считал поперечность электромагнитных волн еще одним важным доказательством справедливости электромагнитной теории света.

После того как Герц экспериментально получил электромагнитные волны и измерил их скорость, электромагнитная теория света получила первое экспериментальное подтверждение. Было доказано, что электромагнитные волны при своем распространении обнаруживают те же свойства, что и световые: отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию и др. В конце XIX века было окончательно установлено, что световые волны возбуждаются движущимися в атомах заряженными частицами.

С признанием электромагнитной теории света постепенно исчезли все затруднения, связанные с необходимостью введения гипотетической среды -- эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Световые волны -- это не механические волны в особой всепроникающей среде -- эфире, а волны электромагнитные. Электромагнитные процессы подчиняются своим собственным законам. Эти законы и были установлены в окончательной форме Максвеллом.

Литература

1. Физическая энциклопедия./ Гл. ред. А.М.Прохоров: Сов. Энциклопедия. Тома 1-6. 1988-1991.

2. Физика: Учебное пособие. 9 -е изд., перераб. -М.: Просвещение, 1987. -319с.

3. Курс общей физики Савельев и.в -М.: наука.1973.

4. Александров н.в., Яшин а.я. Курс общей физики Учебное пособие -М: Просвещение, 1978.