Учебник - Общий курс физики. Оптика - Сивухин Д.В. (1238764), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Физическая оптика рассматривается в нем преимущественно с волновой (коиечио, электромагнитной) точки зрения. Вопросы квантовой оптики затрагиваются лишь частично. Дается Представление о фотонах и процессе излучения как о квантовом Переходе атомных систем из одного энергетического состояния в другое. Это необходимо для введения понятия индуцированного излучения и объяснения принципов работы лазеров. Однако систематическое изложение основ квантовой оптики, в той мере, в какой это возможно сделать' в рамках общей физики, а также относящихся сюда квантовых явлений (фотоэффект, эффект Комптона, спектральные закономерности, люминесценция, эффект Зеемана, эффект Штарка и пр.), предполагается дать в пятом томе, где будет излагаться атомная физика в широком смысле эгзго слова. Вопросы геометрической оптики собраны в первых двух главах курса, чтобы в дальнейшем можно было ссылаться на них при изложении интерференции, дифракции и других разделов физической оптики.
Геометрическая оптика излагается не как математическая, а как физическая дисциплина — как приближенный предельный случай волновой оптики. Тем самым четко определяются границы ее применимости, С целью простоты в основу обоснования геометрической оптики положено скалярное волновое уравнение. Хати в общем случае неоднородной среды оно и неверно, но даже в этом случае при рассмотрении предельного перехода к геометрической оптике оно приводит к правильным результатам.
Конечно, на основе скалярного уравнения ничего нельзя сказать относительно вращения плоскости поляризации луча в неоднородной среде. Для этого надо было бы положить в основу векторные уравнения Максвелла. Но это, ничего не меняя в идейном отношении, потребовало бы довольно громоздких вычислеиий. Существенно, что скалярное волновое уравнение правильно передает основные закономерности Распространения волн ие только в однородных, но и в неоднородных средах. Геометрическая же оптика получается из него в предельном случае коротких волн, длины которых пренебрежимо малы по сРавнению с характерными размерами, определяющими распростраиеиие света в среде. пРедислОВие Впрочем, обоснование геометрической оптики при всей его важности может быть опушено при первом чтении книги.
После изложения основ геометрической оптики во второй главе излагается геометрическая теория оптических изображений— главным образом с принципиальной стороны. Большая часть материала этой главы при первом чтении может быть также опущена. Достаточно ограничиться минимумом: получением оптических изображений в параксиальном приближении и основными понятиями фотометрии. К остальным вопросам можно обращаться по мере надобности в процессе изучения физической оптики. Основное содержание курса составляет физическая оптика, изложение которой начинается с главы П1. В нее входят также специальная теория относительности, краткое изложение принципов работы оптических квантовых генераторов (лазеров) и элементов нелинейной оптики.
Как и в предыдущих томах курса, главное внимание здесь обращено на выяснение физического смысла и содержания оптических явлений, на связь между ними и с общими принципами физики. Автор стремился к идейной простоте изложения, но старался избегать вульгаризации. Вопросы истории, экспериментальное обоснование законов оптики, применения ее в тех. Ие и других науках затронуты лишь постольку, поскольку это н„обходимо для уяснения основных явлений и принципов оптики.
Из-за недостатка места даже описанию демонстраций в этом томе уделено меньше внимания, чем в предыдуших томах курса. Впрочем, демонстрации, осуществленные в Московском физико-техническом институте моими лекционными ассистентами В. Н. Морозовым, М. И. Маклаковым, В. П. Молчановым, В. А. Кузнецовой, которым я глубоко благодарен, сыграли немалую роль при написании и этого тома курса физики.
Рукопись этого тома была тщательно просмотрена рецензентами — профессором С. С. Герштейном, профессором И. С. Горбанем и сотрудниками руководимой им кафедры экспериментальной физики Киевского государственного университета им. Т. Г. Шевченко, а также доктором физико-математических наук Г. П. Пекой.
Их справедливые критические замечания учтены при окончательном редактировании книги. Всем этим лицам автор приносит глу. боку1о благодарность. Д. В, Сивулин ГЛАВА ! ВВЕДЕНИЕ $1. Предмет оптики Оптика, точнее — физическая оптика, есть раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитного излучения — инфракрасную и улыпрафиолетовую.
Различные участки спектра электромагнитного излучения отличаются друг от друга длиной волны Л и частотой т — величинами, характеризующими не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного излучения. Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видилюе, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей физической природе, а по способу генерации и приема излучения. Поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны. Радиоволнал1и называются электромагнитные излучения, длины волн которых превосходят примерно 0,1 мм, Их принято делить на: 1) сверхдлинные волны с длиной волны Л) 10 км (частота ч < 30 кГц); 2) длинные волны (Л = 10 — 1 км, ч = 30 — 300 кГц); 3) средние волны (Л = 1 км — 100 м, т = 300 кГц — 3 МГц); 4) короткие волны (Л = !00 — 10 м, ч = 3 — ЗО МГц); 5) ульгпракорогпкие волны (Л ( 10 м, ъ ) ЗО МГц).
Последние в свою очередь принято подразделять па метровью, дециметровые, миллилсетровые и субмиллиметровые или микрол~етровые. Волны с длиной Л ~ 1 м (ъ ) 300 МГц) принято также называтц микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Из-за больших значений Л распространение радиоволн можно рассматривать феноменологи- чески без учета атомистического строения среды.
Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. Практически не сказываются н квантовые свойства радиоизлучения. Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено ие только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством Методов и приборов, применяющихся для ее исследования и разра- 1гл, г вввдвния ботанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусировки излучения, призмы, дифракционные решетки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Оптический спектр занимает диапазон от условной границы инфракрасного излучения (Л 2 мм, ч 1,6 ° 10" Гц) до условной коротковолновой границы ультрафиолета (Л ° 10 е см 10 нм, и и 8 10'е Гц), что составляет при»зерно 18 октав з). Видимое излучение занимаег йриблнзнтельнп одну октаву (Л ° 400 — 760 им), ультрафиолет — б октав (Л 10- 400 нм), инфракрасное излучение )1 октав (1» и 760 нм 2 мм), В оптической области спектра частоты з» уже перестают быть малыми по сравнению с собственными частбтамц атомой й молекул, а длины волн большими по сравнению й молекуЛЯРными размерами и межмолекулярными расстояниями. Влагодаря этому в этой об* ласти становятся существенными явления, обусловленные атомнстическим строением вещества.
По той жа причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света. Энергия светового кванта определяется выражением Ж =йи, (1.1) где Ь = 6,63 ° 10 в' эрг ° с — постоянная 77ланка, Полезно заметить, что для длины волны Л 1000 им энергия соответствующего кванта составляет Ж = 1,23 эВ, или приблизительно один электрон-вольт. На концах видимого спектра (Лкр — — 760 нм, Ло, ° 400 нм) для энергии кванта формула (1.1) дает Ф„р ж1,6 эВ, Жф, ж3 эВ. В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые гвойспыа и луканин. Рентгеновское излучение возникает прн торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц.
Оно появ. ляется и при торможении быстрых заряженных частиц. Характерные энергии гамма-квантов — порядка одного или нескольких МэВ. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения, в особенности коротковолновые, могут быль определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 э — 1 МэВ (Л = 50 — 10 ' нм), а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ (Л ~ 10 ' нм). Следует заметить, что волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения.
Только, в зависимости от длины волны, на первый план выступают ') Октавой называется иитервал частот между произвольной частотой гв и ее гарлюиикой 2сь гзомвтгичвскля оптикл разные явления, разные методы исследования и разные практические применения. Поэтому на оптику нельзя смотреть как на замк,нутую дисциплину, изучающую только оптическую область спектра, отделенную от других областей резкими границами. Закономерности и результаты, найденные в этих других областях, могут оказаться применимыми в оптической области спектра и обратно. Практическое значение оптики.и ее влияние на другие отрасли знания исключительно велики.
Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает гюмогать чуть ли не всем отраслям науки, Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
