🗊Презентация Открытие дисперсии и дифракции (оптика второй половины xvii века)

ОТКРЫТИЕ ДИСПЕРСИИ И ДИФРАКЦИИ (оптика второй половины XVII века) К середине XVII века накопились факты и наблюдения, выходившие за рамки геометрической оптики: впервые высказанная Пифагором, оформилась корпускулярная теория, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом; с другой стороны, последователи Аристотеля и Декарта рассматривали свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную мысль к волновой теории, был чешский физик Марци. В 1648 году им, с помощью опытов с призмами, было открыто явление дисперсии света. Другим указанием на волновую природу света стало явление, подробно описанное итальянцем Гримальди. Он заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление он назвал дифракцией, но объяснить правильно не сумел. Гримальди занимался важнейшим вопросом того времени: является ли свет субстанцией или свойством. Его вывод совпал с выводом Аристотеля: свет - это акцидентальное свойство, распространяющийся световой флюид (тонкая неощутимая жидкость). Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди приписал наблюдаемые им явления волновым колебаниям, подобным всем хорошо знакомой ряби на воде или звуковым колебаниям, причем впервые предположил, что различным цветам соответствуют различные длины волн, подобно музыкальным звукам.

ПРИНЦИП ФЕМА. СКОРОСТЬ СВЕТА (оптика второй половины XVII века) Высказанная в античности мысль Герона Александрийского о минимальных длинах световых лучей, распространяющихся из точки в точку, обрела строгую математическую форму во второй половине XVII века благодаря французу Ферма, оставившему заметный след в оптике. Он установил основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма) - свет распространяется между двумя точками по наикратчайшему пути. Ферма вывел законы отражения и преломления, исходя из постулата: “Природа действует наиболее легкими и доступными способами”. Для однородной среды это означает прямолинейное распространение, для границы двух сред - “излом” траектории или преломление, а для градиентной среды - искривление лучей. Кроме того, Ферма был убежден, что свет испытывает различное сопротивление в различных средах вследствие изменения их плотности: более плотным телам соответствует меньшая скорость распространения света. Вопрос о скорости света был актуален и для корпускулярной и волновой теорий. Впервые скорость света была определена датским астрономом Ремером в 1676 году. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика. Другие же считали ее хотя и очень большой, но тем не менее конечной. Ремер подтвердил второе мнение. Он правильно связал нерегулярности во времени затмений спутников Юпитера со временем, которое необходимо свету для прохождения по диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. Ремер впервые сделал вывод о конечной скорости распро-странения света и определил ее величину. По его подсчетам, скорость света получилась равной около 225000 км/с.

НАЧАЛО КРИСТАЛЛООПТИКИ. ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА (оптика второй половины XVII века) Распространение света в природных кристаллах наблюдалось на протяжении многих веков. В отличие от всех жидкостей и аморфного стекла, кристаллы представляют собой анизотропную среду, физические свойства которой неодинаковы в различных направлениях. В 1669 году датский ученый Бартолиниус обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенных друг относительно друга. Бартолиниус не только открыл двулучепреломление, но и дал его полное описание, положив начало кристаллооптике. Затем это явление исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света. В ставшем знаменитом “Трактате о свете”, вышедшем в 1690 г., Гюйгенс изложил свою волновую теорию света (световые возбуждения являются упругими импульсами в эфире), исследования по кристаллооптике, а также первое описание явления поляризации света. Здесь же сформулирован знаменитый принцип Гюйгенса, согласно которому каждый элемент волны считается центром вторичных волн и прямолинейное распространение света является следствием огибающей вторичных волн, как в прямом, так и в отраженном свете. Для объяснения двулучепреломления Гюйгенс вел понятие сфероидных волн, а также математически показал, каким образом волновая теория света объясняет дифракцию и цвета тонких пленок. Однако в XVII веке победил авторитет Ньютона и волновая теория должна была ожидать своего часа более чем сто лет.

ВОЛНЫ ИЛИ КОРПУСКУЛЫ ? (оптика конца XVII века) Изучая цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды английский физик Роберт Гук обнаружил, что эти цвета зависят от толщины пленки или пластинки. Гук полагал, что свет – это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Более того, он прозорливо считал, что эти колебания являются поперечными. Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от двух поверхностей тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако, он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, поэтому не смог разработать теорию интерференции. Независимо от Гримальди в 1672 году Гук проделал ряд опытов и описал явление дифракции с точки зрения колебаний эфира. Вообще, оптические дискуссии конца XVII века проходили под знаком соперничества волновой теории Гука и корпускулярной теории сэра Исаака Ньютона. Изучая явление дисперсии, Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным и представляет собой сумму простых цветных лучей. По Ньютону призма сортирует световые частицы, отклоняя их на разный угол в соответствии с их цветностью. Что касается дифракции, то захождение лучей в область геометрической тени объяснялось притяжением между частицами, из которых состоит экран, и “атомами света”. Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света, изучая темные и светлые кольца, которые видны при освещении монохроматическим светом зазора между линзой и пластинкой. Это так называемые кольца Ньютона. Для их объяснения пришлось предположить, что в одних местах световые частицы испытывают “приступы легкого отражения”, а в других – “приступы легкого преломления”.

ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ (оптика XVIII века) Почти весь восемнадцатый век в оптике доминировала корпускулярная теория Ньютона. Наиболее значительные оптические достижения были связаны с изучением световой энергетики - в качестве самостоятельной науки оформилась фотометрия, в первую очередь благодаря работам Бугера и Ламберта. Последний в своем классическом труде 1760 года фактически установил основные понятия фотометрии (сила света, яркость и освещенность) и ряд фотометрических закономерностей, в частности, что освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна синусу угла, образованного лучами света с освещаемой поверхностью. Там же был помещен его закон поглощения света средой, первоначально установленный в 1729 Бугером (так называемый закон Бугера - Ламберта - Бера), который постулировал экспоненциальную зависимость пропускания света в среде и вводил, наряду с уже известной для прозрачных сред величиной показателя преломления, новое понятие коэффициента поглощения. Отметим, что визуальные световые ощущения яркости или освещенности, безусловно зависят от спектральной чувствительности глаза. В честь Иоганна Ламберта источники света и рассеивающие поверхности, у которых яркость одинакова по всем направлениям (идеально рассеивающие), назвали ламбертовскими.

РОССИЙСКАЯ ОПТИКА. КОМПЛЕКСНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВОЛН (XVIII век) К этому времени относятся первые научные исследования по оптике в России: Михаил Ломоносов не только создавал отечественные рецептуры варки цветных и прозрачных стекол, но также вел активные прикладные работы: разрабатывал конструкции зрительных труб, телескопов, микроскопов, предлагал не имеющие мировых аналогов рефлекторы для морских маяков и т.п. В отличие от большинства ученых-современников, он был последовательным приверженцем волновой теории света. Значительные успехи в оптике XVIII века связаны с именем постоянно работавшего в России Эйлера. Помимо собственно оптических достижений (формула для показателя преломления среды, формула двояковыпуклой линзы), его теория функций комплексного переменного стала впоследствии фундаментом математического аппарата волновой оптики. Сторонник теории эфира, Эйлер полагал, что цвет тел зависит от частоты колебаний светового луча, что максимальная длина волны соответствует красным лучам, а минимальная — фиолетовым. Считается, что Эйлер первым записал уравнение плоской гармонической волны.

ТЕОРИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ ТОМАСА ЮНГА (начало XIX века) Начиная с XIX века взгляды ученых-оптиков постепенно склоняются в пользу волновой теории света. Уже известные кольца Ньютона, цвета тонких пленок и ряд эффектов, говорящих о неаддитивности освещенности от нескольких источников, весьма смутно объяснялись корпускулярной теорией. В первую очередь благодаря работам Томаса Юнга появляется теория интерференции как явления перераспределения световой энергии в пространстве. При соблюдении некоторых условий (когерентность источников) суммарная интенсивность в данной точке может оказаться вдвое больше суммы интенсивностей от двух одинаковых источников света, причем в соседней точке она может оказаться нулевой. Ставший классическим интерференционный опыт Юнга с двумя щелями позволил впервые оценить длину световой волны.

ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ ОГЮСТА ФРЕНЕЛЯ (начало XIX века) Настоящий триумф волновой теории света наступил после серии блестящих работ Огюста Френеля, в которых дополненные интерференцией вторичных волн положения Гюйгенса (принцип Гюйгенса-Френеля) позволил развить первую феноменологическую теорию дифракции. Метод разбиения волнового фронта вторичных источников на полуволновые зоны (зоны Френеля) оказался весьма продуктивным при анализе картин дифракции от щели, круглого отверстия, резкого края и т.п. Френель предложил для изображения амплитуд вторичных волн пользоваться векторными диаграммами на комплексной плоскости. При обсуждении мемуара Френеля академик Пуассон указал, что по Френелю в центре геометрической тени непрозрач-ного диска должно наблюдаться светлое пятно (пятно Пуассона), что казалось абсурдным. Вскоре, однако, другой академик, Араго поставил соответствующий опыт, и теория дифракции полностью подтвердилось. Поляризационные исследования Френеля доказали поперечность световых волн, формулами Френеля для отраженной и преломленной волн пользуются и сегодня, а изобретенная им плоская линза Френеля является обязательным элементом всех проекционных систем.

ОТКРЫТИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА (начало XIX века) К идее поперечности световых волн ученые пришли исследуя двулучепреломление в кристаллах, а также наблюдая изменение пропускания при повороте анизотропных (например, слюдяных) пластинок. Если в обычном состоянии световые колебания эфира происходят хаотично поперек направления распространения (неполяризованный, или естественный свет), то после прохождения анизотропного объекта возникают выделенные направления колебаний. Вопрос об ориентации поперечных колебаний эфира впервые исследовал Малюс, который и ввел понятие плоскости поляризации, содержащей световой луч и вектор световых колебаний в состоянии линейной поляризации. Он установил, что при отражении, даже если падающий свет является естественным, отраженный луч может стать поляризованным. Кроме того, он открыл закон, по которому изменяется интенсивность линейно поляризо-ванного света при развороте поляризатора (закон Малюса). Следующий важный шаг в изучении поляризации сделал шотландец Брюстер, который открыл угол полной поляризации при отражении (угол Брюстера) и установил существование, кроме линейной, круговой и эллиптической поляризаций. Подтверждением поляризационных гипотез стало открытие Брюстером двулучепреломления в стекле, подвергнутом одноосному сжатию (искусственная анизотропия).