Глава 3. Физическая оптика. Природа света

Впервые объяснить природу света пытались философы древнего мира Пифагор, Демокрит, Платон, Евклид, Аристотель. Их учение строилось на предположениях, догадках, умозаключениях и не имело подлинно научной базы. Однако они способствовали формированию научных взглядов и положили начало дальнейшему развитию теории света.

В конце XVII столетия английский ученый Исаак Ньютон выдвинул так называемую корпускулярную теорию, согласно которой считалось, что свет - это поток быстронесущихся частиц - корпускул, распространяющихся от источника во все стороны. От формы и размеров частиц зависит различное цветовое зрительное восприятие света.

Современник Ньютона нидерландский ученый Христиан Гюйгенс создал волновую теорию света. Согласно этой теории, свет является результатом механического колебания светящегося тела и поперечные световые волны распространяются от него в особой упругой среде - эфире, заполняющем все пространство.

В 1865 г. английский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны определенной длины, возникающие в результате колебаний электрических зарядов. От длины этих волн зависят свойства светового излучения. Но и электромагнитная теория света не смогла полностью объяснить всех оптических явлений.

Данные исследований световых явлений указывали, что в некоторых случаях свет проявляет свойства материальной частицы, а в других - свойства волны.

Ни одна из теорий, объясняющих природу света, не давала исчерпывающего ответа. Это означало, что для объяснения природы света необходима такая теория, которая бы объединила его корпускулярные и волновые свойства. Новая теория света была названа квантовой. Она возникла и получила свое дальнейшее развитие благодаря трудам М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, Э. Ферма, Л. Д. Ландау и других ученых и была окончательно сформулирована в начале XX в. Максом Планком и Альбертом Эйнштейном. Согласно квантовой теории, природа света является корпускулярно-волновой. Излучение, поглощение и распространение света осуществляется не непрерывно, а в виде определенных и неделимых порций энергии - квантов.

Впоследствии кванты света были названы фотонами. Обладая свойствами частицы, фотон имеет массу, энергию и импульс движения. Чем больше частота колебаний излучения, тем больше энергия и импульс движения фотона, тем отчетливее проявляются его корпускулярные свойства.

Фотон существует только в движении и не имеет массы покоя. При встрече с веществом он может быть поглощен частицей вещества, и тогда сам фотон исчезает, а его энергия и импульс передаются поглотившей его частице. Эйнштейн определил свет как поток фотонов. (11, с.22.)

Глава 3.1. Оптическое излучение

Оптическим излучением называется электромагнитное излучение, которое эффективно исследуется оптическими методами.

В электра и радиотехнике электромагнитные колебания характеризуются частотой  и реже длиной волны  , в оптике - длиной волны. Зависимость между длиной волны и частотой колебаний определяется выражением  = v/_n

где v — скорость света в данной оптической среде; _n — длина волны излучения в данной оптической среде.

Частота колебаний излучения остается постоянной в любой оптической среде, тогда как скорость света и длина волны изменяют свою величину. Длина волны оптического излучения измеряется в микрометрах (мкм), нанометрах (нм) и ангстремах (А), имеющих соотношение

1 м = 10⁶ мкм=10⁹ нм=10¹⁰ А.

Диапазон оптического излучения на шкале электромагнитных волн занимает незначительный участок и находится в пределах от 10³ нм до 750 мкм

Шкала длин волн.

Оптическое излучение, подразделяется на четыре области:

- рентгеновскую - =10³- 10 нм;

• ультрафиолетовую -  =10 - 380 нм;

• видимую - =380 - 770 нм;

• инфракрасную -  = 770 нм -750 мкм.

Указанные границы областей и диапазоны длин волн условны и даны для вакуума.

Видимая область оптического излучения воспринимается человеческим глазом и вызывает зрительные ощущения. Рентгеновская, ультрафиолетовая и инфракрасная области человеческим глазом не воспринимаются и являются невидимыми.

Таблица 1

Цветовое восприятие	Длина волны, нм
Фиолетовый	380-450
Синий	450-480
Голубой	480-510
Зеленый	510-550
Желто-зеленый	550-575
Желтый	575-585
Оранжевый	585-620
Красный	620-770

Оптическое излучение бывает монохроматическим и немонохроматическим

Монохроматическое - это излучение одной определенной длины волны или в очень узком диапазоне длин волн. От длины волны монохроматического излучения видимой области зависит его цветовое восприятие глазом.

В табл. 1 приведено цветовое восприятие человеческим глазом видимого излучения в зависимости от длины волны.

Приведенное цветовое восприятие света различных длин волн является примерным и зависит от индивидуальных особенностей глаза.

Для получения монохроматического излучения используются, отдельные типы оптических квантовых генераторов и газоразрядных ламп.

Большинство источников света испускает сложное по своему составу излучение, состоящее из ряда монохроматических излучений. Такое излучение называется не монохром этическим или сложным. Совместное действие монохроматических излучений во всем видимом диапазоне называется полным или интегральным излучением. Полное излучение воспринимается как «белый» дневной свет. Основным источником полного излучения является солнце, дающее излучение в диапазоне длин волн  от 200 до 800 нм.