🗊Презентация Первые наблюдения дискретных спектров (первая четверть xix века)

ПЕРВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ СПЕКТРОВ (первая четверть XIX века) На протяжении веков многие оптические исследования инициировали развитие фундаментальных физических теорий. Яркий пример тому - наука об атомарном строении вещества, по сути появившаяся после открытия линейчатых спектров. Ньютон исследовал спектр Солнца; другие раскаленные тела дают аналогичные сплошные спектры. Однако известно, что некоторые вещества, будучи нагретыми в пламени, окрашивают его в какой-либо цвет., т.е. демонстрируют только часть спектра (медный паяльник нагревается на газовой горелке и делает ее пламя зеленым). В 1802 году Волластон заметил дискретные черные линии в спектре солнечного света и, таким образом, первым наблюдал то, что мы теперь называем фраунгоферовыми линиями. Открытие линейчатых спектров излучения было сделано, по-видимому, Гершелем в 1822 году: он вносил соли металлов в пламя и наблюдал с помощью призмы возникающие при этом спектры. Позднее Фраунгофер заметил, что положение желтой линии, испускаемой поваренной солью, совпадает с положением одной из увиденных им темных линий в солнечном спектре. Помимо формирования начал спектроскопии Волластон и Гершель внесли заметный вклад в расширение диапазона оптических частот для невидимой части спектра: первый исследовал ультрафиолетовые, а второй - инфракрасные лучи.

СПЕКТРАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СВЕТОВЫХ КОЛЕБАНИЙ (первая четверть XIX века) Описание разложения белого света на цветные компоненты, а также распространения света в виде плоских или сферических волн потребовало соответствующего математического аппарата, который был разработан французом Фурье сначала для дискретного разложения периодических (линейчатый спектр, ряды Фурье), а затем апериодических функций (сплошной спектр, интеграл Фурье). Отметим, что сама функция и ее спектр имеют дополнительные размерности и подчиняются соотношению неопределенностей.

ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ. НАЧАЛО СПЕКТРОСКОПИИ (середина XIX века) Исследования особенностей дифракции на периодических (регулярных) структурах привели к открытию нового способа разложения света на спектральные компоненты. Наряду с призменными диспергирующими устройствами появились, в первую очередь благодаря теоретическим и практическим работам Фраунгофера, приборы с дифракционными решетками. Они позволили резко улучшить спектральное разрешение и начать систематическое изучение сплошных и линейчатых спектров. В отличие от призмы, дифракционная решетка сильнее отклоняла более длинноволновое излучение. Кроме того, в ней наблюдались множественные (повторяющиеся) спектры нескольких порядков. Большой вклад в становление физической спектроскопии внес Бабине: его теорема о пространственном спектре конечной регулярной структуры как свертке спектра одного отверстия и периодической матрицы, является основой расчета дифракционных оптических элементов. Опираясь на Фурье-преобразование, он указал на особенности дифракции на дополнительных экранах.

ПЕРВЫЕ ТОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА (середина XIX века) Измеренное астрономом Ремером значение скорости света было огромным (около 225 тысяч км/с), но только в середине XIX века появились технические возможности ее измерения в земных условиях. Впервые это удалось сделать Физо в 1849 году при помощи быстро вращающегося зубчатого колеса. Чуть позже Физо установил влияние скорости движения среды на скорость света в ней, вслед за Френелем положив начало оптике движущихся сред. Однако, важно было не только уточнить саму величину скорости света, но и ответить на принципиально важный вопрос о том, где эта скорость больше: в более или в менее плотных средах? Корпускулярная теория Ньютона предсказывала, что большему преломлению света в среде должна соответствовать большая скорость. Кстати, именно так обстоит дело со скоростью звука. Волновые же представления со времен Гюйгенса строились на обратном соотношении: чем больше показатель преломления среды, тем меньше в ней скорость света. Блестящие опыты Фуко с вращающимися многогранными зеркальными призмами доказали, что в воде скорость света почти на четверть меньше, чем в воздухе. Сторонники волновой теории света торжествовали. Само значение скорости света в воздухе Фуко определил очень точно: оно составило 298 000 км/с.

СВЕТ КАК ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ЭФИРЕ (вторая половина XIX века) Представление о световых волнах как поперечных колебаниях эфира, этого “неосязаемого флюида”, нисколько не помогали понять, что именно колеблется в световых волнах. Только в 1845 году Фарадей впервые рещил исследовать связь между светом и каким-либо другим физическим явлением, например магнетизмом. Пропуская поляризованный пучок света через свинцовое стекло, помещенное между полюсами электромагнита, он наблюдал поворот плоскости поляризации на значительный угол. Тем самым он не только положил начало магнитооптике, но и убедительно доказал воздействие магнитного поля на световые колебания. Следующий, поистине великий шаг в понимании природы света, был сделан Максвеллом почти через 20 лет, когда составленные благодаря его математическому гению дифференциальные уравнения для напряженностей электрического и магнитного векторов дали в качестве решения электромагнитные волны, распространяющиеся в свободном пространстве с конечной скоростью. Последняя в теории Максвелла оказалась комбинацией размерных констант, вычисления которых дали значение, совпавшее с измерениями скорости света в опытах Физо и Фуко.

СВОЙСТВА СВЕТОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН (вторая половина XIX века) Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было получено Герцем в опытах с разряжающейся лейденской банкой. Поскольку колебательный характер разряда конденсатора уже был известен (Генри, 1842), то осталось лишь заметить, что искрение проводников усиливается при уменьшении емкости банки. Превратив ее в конечном итоге в первое подобие антенны, Герц получил электромагнитные колебания с  50см и серией блестящих опытов доказал тождественность их свойств световым колебаниям (отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация). Чуть позже была доказана взаимная ортогональность векторов E, H и k (волновой вектор, задающий направление распространения света и обратный длине волны) и был введен коллинеарный последнему вектор Пойнтинга S, характеризующий перенос световой энергии.

СКАЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ (вторая половина XIX века) Строгое математическое описание дифракции на языке интегральных преобразований стало возможным только после того, как была выяснена физическая природа света как электромагнитных волн определенного спектрального диапазона. Появление теории Максвелла подтолкнуло Кирхгофа к нахождению формул для напряженности поля в точке наблюдения Р, куда доходит возмущение, вызванное сферической волной от точечного источника S или плоской волной, падающей из бесконечности (последнюю задачу с успехом решал Корню). В обоих случаях экраны, на которых волна дифрагирует, становятся источниками вторичных волн, а результирующая напряженность находится по принципу суперпозиции. Исходя из волнового уравнения и интегральной теоремы Грина, а также используя т.н. оптическое приближение, Кирхгофу удалось не только обосновать принцип Гюйгенса-Френеля, но и устранить трудности их теории, касающиеся свойств вторичных волн: был обоснован фазовый сдвиг вторичных волн и определена зависимость их амплитуды от угла с нормалью к волновому фронту.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ (конец XIX века) Исследования закономерностей расположения спектральных линий различных элементов, а также попытки количественно описать характеристики самих линий (полуширина, форма огибающей, тонкая структура и т.п.) фактически завершили историю традиционной волновой оптики. Электронная теория дисперсии Лоренца стала вершиной достижений классической физики в области излучения. Она смогла объяснить естественную ширину спектральной линии, эффекты ударного и допплеровского уширения, позволила подвести количественные критерии под понятия когерентности и монохроматичности, наконец описать интерференционные и дифракционные явления на языке затухающих волн и волновых цугов. Однако, начиная с работ Бальмера, Ритца и Ангстрема, спектроскопические данные все более указывают на квантовый характер взаимодействия света с веществом. Еще не родилась теория Планка с ее парадоксальной связью энергия-частота, но уже ясно, что спектральные серии не укладываются в простые последовательности кратных гармоник. На новом витке развития науки начинается возврат к корпускулярным идеям.