Розвиток поглядів на природу світла

Розвиток поглядів на природу світла

Оптичне випромінювання (або світло у широкому сенсі слова) – це електромагнітні хвилі, довжини яких знаходяться в діапазоні від 10-11 10-2 м. (від одиниць до десятих часток мм) або діапазон частот яких приблизно дорівнює 3*1011…3*1017 Гц.

Як і для будь-якого іншого випромінювання, є джерело оптичного випромінювання та приймач оптичного випромінювання. Приймачем оптичного випромінювання, може бути, наприклад, людське око. Людське око здатне сприймати оптичне випромінювання з довжиною хвилі від 400 до 760 нм. Це видиме випромінювання.Крім видимого випромінювання, до оптичного випромінювання також відносяться
інфрачервоне випромінювання (з довжиною хвилі від 0,75 до 2000 мкм) і ультрафіолетове випромінювання (з довжиною хвилі від 10 до 400 нм). Світлові хвилі вивчають за допомогою оптичних методів, які історично склалися при аналізі законів видимого світла.

У 17-му столітті були висловлені перші наукові гіпотези про природу світла. Світло має енергією і переносить її в просторі. Переносити енергію можуть або тіла, або хвилі, тому про природу світла видвинуті дві теорії.

Корпускулярна теорія світла (від латинського corpusculum – частинка) була запропонована в 1672 році англійським вченим Ісааком Ньютоном (1643 – 1727). Згідно цієї теорії, світло – це потік частинок, які у всі сторони випускає джерело світла. З допомогою цієї теорії пояснювалися такі оптичні явища, як, наприклад, різні кольори випромінювання.

Голландським вченим Християном Гюйгенсом (1629 – 1695) також в 17-му столітті була створена хвильова теорія світла, згідно якої світло має хвильову природу. З допомогою цієї теорії добре пояснюються такі явища, як інтерференція, дифракція світла і т. д.

Обидві теорії тривалий час існували паралельно, так як не одна з них окремо не могла повністю пояснити всі оптичні явища. До початку 19-го століття після досліджень французького фізика Огюстена Жана Френеля (1788 – 1827), англійського фізика Роберта Гука (1635 – 1703) та інших вчених з’ясувалося, що хвильова теорія світла має перевагу перед корпускулярною. У 1801 році англійський фізик Томас Юнг (1773 – 1829) сформулював принцип інтерференції (посилення або ослаблення освітленості при накладенні світлових хвиль одна на одну), що дозволило йому пояснити кольори тонких плівок. Френель пояснив, що таке дифракція світла (об’їзд світлом перешкод) і прямолінійність поширення світла.

І все ж хвильова теорія світла мала один суттєвий недолік. В ній передбачалося, що світлове випромінювання являє собою поперечні механічні хвилі, які можуть виникати лише в пружному середовищі. Тому була створена гіпотеза про невидимий світовоий ефір, який являє собою гіпотетичне середовище, що заповнює весь Всесвіт (весь простір між тілами і молекулами). Світовий ефір повинен був володіти цілим рядом суперечливих властивостей: повинен мати пружні властивості твердих тіл і бути одночасно невагомим. Ці труднощі були вирішені у 2-й половині 19-го століття при послідовному розвитку вчення англійським фізиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 – 1879) про електромагнітне поле. Максвелл прийшов до висновку, що світло є частий випадок електромагнітних хвиль.

Однак на початку 20-го століття було виявлено переривчасті, або квантові властивості світла. Цим властивостям давала пояснення корпускулярна теорія. Таким чином, світло володіє корпускулярно-хвильовим дуалізмом (подвійністю властивостей). В процесі розповсюдження світло виявляє хвильові властивості (тобто поводиться як хвиля), а при випромінюванні і поглинання – корпускулярні властивості (тобто поводиться як потік частинок).

Закони поширення світла в прозорих середовищах на основі уявлень про світловий промінь розглядаються в розділі оптики, який називається Геометрична оптика. Мається на увазі, що світловий промінь – це лінія, вздовж якої поширюється енергія світлових електромагнітних хвиль.

Закон прямолінійного поширення світла

На практиці світло поширюється прямолінійно всередині обмеженого конуса, який являє собою світловий пучок. Діаметр цього світлового пучка перевершує довжину світлової хвилі.

Якщо показник заломлення середовища скрізь однаковий, то така середа називається оптично однорідна середовище.

В прозорому однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.
У цьому полягає закон прямолінійного поширення світла.

Прямолінійність поширення світла підтверджується багатьма явищами, наприклад, появою тіні від непрозорих тіл. Якщо S – дуже маленьке за розміром джерело світла, а М – непрозоре тіло, яке загороджаеє горизонтальний шлях падаючого на нього світла S, то за тілом М утворюється конус тіні. Світло, що йде від джерела, затримується тілом М, і на екрані, який поміщений під прямим кутом до осі конуса, виходить добре окреслена тінь тіла М (див. рис. 1.1).

Прямолінійність поширення світла

Рис. 1.1. Прямолінійність поширення світла.

Джерела світла великих розмірів (порівняно з відстанню від джерел світла до перешкоди) утворюють півтінь. Освітленість півтіні можна розглянути за допомогою двох джерел малих розмірів, які знаходяться один від одного на відстані, рівному розміру великого джерела світла. На рис. 1.2 показано перетин конусів тіні, які утворюються світлом за тілом М. Повна тінь утворюється позаду непрозорого тіла Му в тій області, куди не потрапляє світло від одного джерела світла.

Півтінь (частково освітлений простір) утворюється в області, де проходять промені тільки від одного з джерел світла. Наприклад, в області, де проходять промені тільки джерела S1, а інше джерело світла S2 затуляють тілом М. Якщо джерело світла велике, то кожна його точка може розглядатися як точкове джерело світла. В цьому разі відбуватиметься складання випромінювання від окремих частин випромінюючої поверхні. Також утворюються області тіні і півтіні.

Півтінь, утворена великим джерелом світла

Рис. 1.2. Півтінь, утворена великим джерелом світла.

Утворення тіні при падінні променів від джерела світла на непрозорий предмет пояснює такі явища, як сонячні і місячні затемнення.

Така властивість, як прямолінійність поширення світла використовується при визначенні відстаней на землі, на морі і в повітрі, а також у виробництві при контролі по променю зору прямолінійності виробів та інструментів.

Прямолінійність поширення світла пояснює можливість отримання зображень з допомогою малого отвору. Простий пристрій, що дозволяє спостерігати перевернуте зображення предметів, називається камера-обскура являє собою ящик з невеликим отвором у передній стінці. Промінь світла, який поширюється прямолінійно, потрапляє на задню стінку камери-обскура, де з’являється світлова пляма з відповідною інтенсивністю. Сукупність світлових плям від усіх точок предмета і створює зображення цього предмета на задній стінці камери-обскура.