Гл1,2(стр3-25) (Какой-то учебник по физике)

25

1. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЕ СВЕТА

1.1. Теория световых корпускул XVII-XIX вв. Элементарные законы геометрической оптики

В физике XVII-XIX столетий господствовала теория световых корпускул. Основываясь на опытном факте прямолинейного распространения света, Ньютон предположил, что свет испускается источником в виде мельчайших световых частиц - корпускул, летящих прямолинейно. Попадая на сетчатку глаза, они вызывают ощущение света.

В основу построения изображения были положены четыре основных опытных закона:

1. Закон прямолинейного распространения света: свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям. Одним из доказательств этого закона служат резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света.

Рис. 1.1

2. Закон независимости световых пучков: распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть ли в ней другие пучки света или нет. Это означает, что при пересечении пучков действие одного пучка не возмущает действия другого.

3. Закон отражения. Условимся понимать под лучом конечный, но достаточно узкий световой пучок. Теперь сформулируем закон отражения. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с нормалью, восстановленной к границе раздела в точке падения (эта плоскость называется плоскостью падения), причем угол падения равен углу отражения (рис.1.1).

4. Закон преломления. Был установлен экспериментально Снеллиусом. Согласно этому закону преломленный луч лежит в плоскости падения, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не зависит от угла падения и является для данных двух сред величиной постоянной, т.е.

. (1.1)

Величина n₂₁ называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления и обозначают обычно через n (n₁ и n₂ - абсолютные показатели преломления первой и второй сред). Вещество с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более плотным.

Закон преломления можно переписать в виде

. (1.2)

Из (1.2) видно, что при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n₁n₂), преломленный луч будет удаляться от нормали к поверхности и, наконец, при угле падения

(1.3)

преломленный луч не возникает вообще, так как =2, а sin=1.

Таким образом, для углов падения ₀ свет не проходит во вторую среду и полностью отражается. Это явление называется полным отражением, а угол ₀ - предельным углом полного отражения.

Теория световых корпускул была отвергнута в первой половине XIX столетия после открытия явления интерференции и создания волновой теории света.

1.2. Волновая теория света в XVIII-XIX вв

Сущность волновой теории, впервые высказанной, хотя и в незаконченной форме, Гюйгенсом в XVII веке, состоит в предположении, что свет представляет собой особого рода колебания. Процесс распространения света состоит в том, что колебания эти, возникнув в какой-либо точке пространства, в свою очередь возбуждают колебания в смежных с нею точках и т.д.

Рис. 1.2

Ж.Френель поставил следующий опыт. Узкая щель (см. рис. 1.2.) освещалась солнечным светом. Световой поток, прошедший через нее, отражался от двух плоских зеркал, поставленных почти параллельно друг другу. Отраженный от них свет падал на экран Э, поверхность которого оказалась неравномерно освещенной. На ней был виден ряд темных и светлых полос. Освещение экрана становилось равномерным, если одно из зеркал было закрыто.

Это явление необъяснимо с точки зрения корпускулярной теории света. Если каждое из зеркал в отдельности отбрасывает к экрану известное число световых частиц, то совместное действие обоих зеркал может привести лишь к увеличению числа падающих на экран частиц, т.е. к увеличению яркости освещения экрана. Наблюдаемое на экране изменение яркости (интерференция света) могло быть объяснено тем, что мы имеем дело с волновыми процессами, поскольку только наложение двух волн может привести к усилению или ослаблению яркости освещения экрана.

Рис.1.3

С волновой точки зрения можно было объяснить и явление огибания светом различных препятствий. Гримальди назвал это явление дифракцией. Его может наблюдать любой человек, посмотрев на яркую светящуюся лампу, находящуюся на расстоянии 20-40м от него, через два пальца, плотно прижатых друг к другу так, чтобы между ними оставалась узкая щель. Вместо одной светящейся щели можно увидеть поперечную щели полосу, состоящую из яркой центральной и чередующихся боковых темных и светлых полос.

Успехом волновой теории явилось и объяснение свойства света, названного Ньютоном поляризацией. Это свойство проявляется, например, в том, что, проходя через некоторые кристаллы, световой луч, преломляясь, разделяется на два луча, распространяющихся в кристалле по различным направлениям и, следовательно, выходящих из него в различных точках пространства (рис.1.3).

Это явление может быть объяснено, если считать, что на кристалл падает поперечная световая волна, т.е. направление колебаний светового вектора лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, но в пределах этой плоскости может иметь любое направление. Тогда кристалл разлагает падающий на него естественный свет на два пучка, в каждом из которых колебания светового вектора происходят только в одном определенном направлении.

Но, если свет представляет собой волновой процесс (поперечную волну), то эти волны, казалось бы, должны распространяться в некой среде, как, например, волны упругости распространяются в твердом теле. Для объяснения наблюдаемых фактов было введено понятие особой материальной среды - светового (мирового) эфира, упругие колебания которого воспринимаются как световые. Однако такой эфир должен рассматриваться, как твердое тело, так как поперечные волны могут распространяться лишь в твердых телах. Продольные волны представляют собой волны растяжения и сжатия (или сгущения и разрежения). Чтобы они были возможны в данной среде, необходимо, чтобы среда была абсолютно несжимаемая, либо беспредельно сжимаемая. Однако эфир с такими свойствами невозможно представить реально существующим. Создалась тупиковая ситуация.

1.3. Электромагнитная теория света

Во второй половине XIX века Максвелл, анализируя опыты Фарадея и Ампера в области электромагнетизма, приходит к выводу, что их физические представления можно записать в форме математических уравнений:

(1.4)

где и - векторы напряженности электрического и магнитного полей, и - векторы электрической и магнитной индукции, - вектор тока проводимости,  и  - относительные электрическая и магнитная проницаемости, ₀ и ₀ - электрическая и магнитная постоянные.

Эти уравнения составляют основу системы взглядов, которая получила название "максвелловской теории электромагнитного поля".

Рассмотрим первые два уравнения системы (1.4). Из уравнений видно, что любой ток создает магнитное поле в окружающих точках пространства. Постоянный ток создает постоянное магнитное поле. Вокруг переменного тока создается переменное магнитное поле, способное создавать в "следующем" элементе пространства электрическое поле, которое, в свою очередь, создает новое магнитное поле и т.д. Таким образом, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света в виде незатухающей поперечной волны (рис.1.4).

Предсказанные Максвеллом электромагнитные волны были обнаружены Г.Герцем и исследованы на опыте. Колебания возбуждались вибратором, состоящим из двух цинковых шариков, разделенных искровым промежутком. Было показано, что возбуждаемые волны являются поперечными и обнаруживают явления дифракции, поляризации, интерференции.

Рис. 1.4

Что касается отличий, существующих между электромагнитными волнами, обнаруженными Герцем, и световыми, то они могут быть объяснены только отличием длин волн. Можно было утверждать, что явления оптические представляют собой частный случай более общего класса электромагнитных явлений.

Видимый свет, непосредственно воспринимаемый человеческим глазом, занимает узкий интервал длин электромагнитных волн от 0,40 до 0,76 мкм. В этом диапазоне лежит максимум интенсивности электромагнитных волн, излучаемых Солнцем. По-видимому, в этом состоит биологическая причина чувствительности глаза именно в этой области спектра. Со стороны длинных волн к видимому излучению примыкает инфракрасное (ИК) излучение. Оно испускается нагретыми телами. Длины волн ИК излучения в вакууме лежат в пределах от 1 мм до 0,76 мкм. За ним следует диапазон радиоволн, длина которых в вакууме больше 50 мкм. С коротковолновой стороны к видимому свету примыкают ультрафиолетовые (УФ) лучи (длина волны от 400 до 10 нм). Затем идет рентгеновское и -излучение с условными границами от 10 нм до 0,10 пм. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества: -излучение (< 0,1 нм) испускается возбужденными атомными ядрами при радиоактивных превращениях и ядерных реакциях. Шкала электромагнитных волн представлена на рис.1.5.

Рис.1.5

Наиболее простым, но важным частным случаем электромагнитной волны, является волна, возникающая в результате гармонических колебаний с частотой  и распространяющаяся вдоль оси z со скоростью u. Она записывается следующим образом:

. (1.5)

Выражение (1.5) можно записать любым из приводимых ниже способов:

(1.6)