54. Природа світла

Питання про природу світла вперше отримало наукове обгрунтування тільки в кінці XVII ст. Майже одночасно Ньютон у своїй книзі “Оптика” сформулював корпускулярну гіпотезу природи, а Гюйгенс в “Трактаті про світло” – хвильову гіпотезу.

Корпускулярна гіпотеза виходила з припущення, що світлові промені є потік особливих найдрібніших частинок (“корпускул”), які витікають з тіла, що світиться. Діючи на сітківку ока своїми ударами, корпускули подразнюють її, і це сприймається людиною як світлове відчуття.

Згідно хвильової гіпотези Гюйгенса світло – це хвиля, що розповсюджується з великою швидкістю від джерела світла. Виникнення хвильової гіпотези було пов’язано з наявністю подібності між світловими і звуковими явищами. Так як звук може розповсюджуватися тільки в речовині, а у вакуумі ні, то для пояснення проходження світла в космічному просторі було висунуто припущення про існування світового ефіру – особливої речовини, що має велику пружність і дуже малу густину.

На початку ХІХ ст. у зв’язку з роботами Юнга і особливо Френеля по вивченню інтерференції і дифракції світла, а пізніше і поляризації, хвильова теорія отримала загальне визнання.

Свій розвиток хвильова теорія отримала у створеній Максвелом в другій половині ХІХ ст. електромагнітній теорії світла.

світла. Видиме світло – це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі в інтервалі від 7,6·10^-7м (червоні промені) до 4·10^-7м (фіолетове проміння Уявлення, за якими світло є процес розповсюдження механічних коливань у світовому ефірі, Максвел замінив уявленнями про електромагнітну природу).

У 1881 р. Майкельсон дослідним шляхом показав, світового ефіру не існує.

Так як світло – це електромагнітна хвиля, носієм його є електромагнітне поле.

Але на кінець ХІХ ст. було відкрито фотоефект, спектри свічення хімічних елементів, дані про спектр випромінювання абсолютно чорного тіла.

У загальному випадку плоска хвиля описується функцією виду . Найпростішою, але досить важливою є хвиля, що виникає в результаті гармонічного коливання.

,

де E₀ i H₀ – амплітудні значення напружностей електричного і магнітного полів.

Або

l = VT – довжина хвилі, - хвильове число. Аргумент наз. фазою. Щоб врахувати, що значення Е і Н залежать від початку відліку часу t і к-ти x, рівняння хвилі записують так

, де - початкова фаза.

Поширення хвилі графічно описують за допомогою хвильової поверхні, в усіх точках якої світлові коливання відбуваються в однакових фазах. Геометричне місце точок, до яких у даний момент часу досягають світлові збурення, де коливання здійснюються в тій самій фазі, називається фронтом світлової хвилі. Залежно від форми хвильового фронту хвилі можуть бути плоскі, сферичні, циліндричні та ін.

Сітлові хвилі випромінюються атомами, молекулами, іонами, електронами. Макроскопічні джерела світла складаються з великої кількості елементарних випромінювачів, кожний з яких випромінює світло незалежно від іншого.

Атом випромінює протягом 10^-8с.

Інтерференцією називається явище накладання двох систем хвиль, при якому відбувається перерозподіл інтенсивностей світлових хвиль, що приводить до їх підсилення та послаблення в різних областях простору.

Інтерференція не спостерігається, якщо системи хвиль створюються різними джерелами світла. Причина цього полягає в тому, що джерелом світлових коливань є окремі атоми тіла і в певний момент в даній точці сходяться коливання, створені всією сукупністю атомів, що випромінюють світло.

Для того, щоб картина інтерференції була стійкою, необхідно мати такі два джерела світла, які при однаковій частоті коливань створювали б в будь-який момент часу в кожній точці простору коливання, що відбуваються в однакових напрямках і незмінною різницею фаз. Такі джерела наз. когерентними

Отримати когерентні джерела можна, якщо від одного джерела за допомогою якої-небудь оптичної установки утворити два його зображення.

Отримати когерентні джерела можна, якщо від одного джерела за допомогою якої-небудь оптичної установки утворити два його зображення.

Якщо одна з хвиль поширюється в середовищі з показником заломлення n₁, а друга - з n₂, то різниця фаз

Добуток показника заломлення на шлях називається оптичною довжиною ходу променя.

S = rn

S₁ = r₁n₁

∆ = S₁ - S₂

Отже, в т.О буде спостерігатися максимум, якщо

(n = 0, 1, 2, …) - max

мінімум

- min

Розглянемо одержання когерентних пучків, інтерференція яких має виключно широке технічне застосування.

Нехай плоскопаралельна прозора пластинка освітлюється монохроматичним світлом (однакової частоти) від точкового джерела S, що знаходиться у нескінченності (мал. 3)

Додаткова різниця ходу виникає внаслідок зміни фази коливань світлового вектора на p внаслідок відбивання пучка 1 від верхньої поверхні пластини (n₀ < n) (n₀ = 1)

;

і a,і b – відповідно кути падіння і заломлення

,

тодіДля max D = kl, тобто

(1)

min , тобто

(2)

З (1) і (2) випливає, що для сталих величин d, n i λ кожному куту падіння відповідає своя інтерференційна смуга, їх називають смугами або лініями рівного нахилу.