Главные этапы в развитии теории света (стр. 1 )

Главные этапы в развитии теории света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян, которые в дальнейшем, по мере изобретения и усовершенствования различных оптических приборов и инструментов развивались и трансформировались.

В конце XVII века на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две теории света – корпускулярная (теория истечения) И. Ньютона и волновая теория Х. Гюйгенса.

Согласно первой из них, свет представляет собой поток частиц (корпускул) испускаемых светящимися телами и летящими по прямолинейным траекториям. Движение этих частиц подчинено законам механики.

Согласно волновой теории свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в особой среде – эфире. Эфир заполняет все мировое пространство, пронизывает все тела. Используя сформулированный им принцип (принцип Гюйгенса) Х. Гюйгенс объяснил все основные законы распространения света.

В течение всего XVIII века корпускулярная теория света занимала господствующее положение в науке (научный авторитет Ньютона), однако острая борьба между этой и волной теориями света не прекращалась.

В начале XIX века благодаря трудам Т. Юнга и О. Френеля стала складываться последовательно развиваемая система волновой оптики. Несмотря на признание волновой теории, она обладала целым рядом недостатков. Многие оптические явления можно было объяснить только в том случае, если световые волны считать поперечными. Но тогда эфир должен обладать свойствами твердого тела. Более того, оказалось, что скорость света в различных средах различна. Поэтому эфир должен обладать в разных средах различными свойствами.

Накопление экспериментальных данных о связи оптических, электрических и магнитных явлений позволило Д. Максвеллу в 70-х годах XIX века выдвинуть электромагнитную теорию света. В рамках этой теории не удавалось объяснить явление дисперсии света. Согласно этой теории . Это соотношение связывает электрические, магнитные и оптические постоянные вещества. Но, по Максвеллу и суть величины постоянные, и, следовательно, показатель преломления вещества не должен зависеть от длины световой волны, что противоречит опыту. В конце 19 века Лоренц разработал электронную теорию, в рамках которой удалось не только объяснить явление дисперсии света, но и испускание, и поглощение света.

Несмотря на очевидные успехи теорий Максвелла и Лоренца, они были несколько противоречивы и, при их применении на практике встречался ряд трудностей. В частности, эти теории не могли объяснить законов теплового излучения, фотоэффекта, а также многих вопросов взаимодействия света с веществом.

Основные затруднения этих теорий были устранены в квантовой теории, основы которой были заложены М. Планком. А. Эйнштейн в 1905 году создал квантовую теорию света, согласно которой распространение света происходит в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых пропорциональна частоте излучения.

Квантовые представления прекрасно объясняют законы излучения и поглощения света, но в то же время явления интерференции и дифракции света могут быть объяснены только в рамках волновой теории.

Таким образом, все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу и обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

1.4. Геометрическая оптика

1.1.4.  Законы распространения света.

Свет распространяется согласно законам волновой теории. Используя эти законы, мы можем решать задачи о распространении света, как в однородной среде, так и через любую оптическую систему. Однако в очень большом круге вопросов, имеющих важное практическое значение, решение может быть получено гораздо более простым путем с помощью представлений геометрической оптики. Геометрическая оптика оперирует понятием светового луча, подчиняющегося известным законам преломления и отражения. Понятие светового луча может быть получено из рассмотрения реального светового пучка, из которого при помощи диафрагмы с отверстием мы выделяем узкий пучок света. Чем меньше диаметр этого отверстия, тем уже выделяемый пучок, и в пределе, переходя к отверстиям сколь угодном малым, мы можем надеяться получить световой луч как геометрическую линию. Однако подобный процесс выделения сколь угодно узкого пучка невозможен вследствие явления дифракции.

Таким образом, следует иметь в виду, что световой луч есть абстрактное математическое понятие, а не физический образ. Под световым лучом мы будем понимать линию, направление которой определяет направление распространения световой энергии.

Основные законы распространения света были установлены задолго до установления природы света. К ним относятся: закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света, закон независимости световых пучков.

Закон прямолинейного распространения света – в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона служит образование тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками света малых размеров (рис.1). Закон прямолинейного распространения света может считаться прочно установленным на опыте. Он имеет весьма глубокий смысл, ибо само понятие о прямой линии, по-видимому, возникло из оптических наблюдений.

Закон независимости световых пучков –

эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Закон отражения света –

отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенном к границе раздела двух сред в точке падения луча. Угол падения равен углу отражения (рис. 2).

Закон преломления света –

луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:

, 1.1

где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой (рис. 3).

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления

. 1.2

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме, т. е.

,

с – скорость света в вакууме, - скорость света в данной среде.

Учитывая 1.2 закон преломления можно записать в виде:

. 1.3

Из симметрии этого выражения вытекает обратимость световых пучков. Если обратить преломленный луч, заставив его падать на границу раздела под углом , то преломленный луч в первой среде будет распространяться вдоль падающего луча.

Из закона преломления следует, что при распространении света из оптически менее плотной среды в более плотную , отношение и, следовательно, угол падения больше угла преломления i (рис. 3а).

Если же луч света переходит из оптически более плотной среды в менее плотную , то отношение и, следовательно, (рис. 3б). С увеличением угла падения увеличивается и угол преломления, и при некотором значении угла падения угол преломления окажется равным . Одновременно с этим интенсивность преломленного луча уменьшается, а интенсивность отраженного луча увеличивается и при угле падения равном интенсивность преломленного луча становится равной нулю, а интенсивность отраженного луча равна интенсивности падающего луча. Поэтому это явление получило название полного отражения. Угол падения получил название предельного угла полного отражения. При углах падения больших весь падающий свет отражается в первую среду. Из закона преломления света 1.3 можно получить, если учесть, что и ,