ВВЕДЕНИЕ

Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом.

Под светом в современной оптике понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра э-м излучения – в первую очередь УФ и ИК излучение.

Оптика тесно связана с другими разделами физики. На основе оптических открытий и наблюдений развились: космология, космогония, строение атомов и молекул, квантовая механика, теория относительности, проводятся очень точные измерения многих физических величин: длины, времени, плотности тел, показателя преломления и пр. Оптические методы измерений используются в других науках – медицине, биологии, геологии, кристаллографии и пр. в прикладных науках – телевидение, кино, фотография – основаны на достижениях в области оптики. А для астрономии роль оптики огромна. Действительно – в звезду не вставишь градусник, чтобы измерить ее температуру, ее не взвесишь на весах и не измеришь рулеткой. Почти все сведения, которые мы получаем о небесных объектах, мы получаем, наблюдая их излучение. И можно только удивляться, как много мы можем из этих наблюдений получить – температуру звезды, скорость ее движения, расстояние до звезды, химический состав наружных слоев  наблюдаются спектрально-двойные звезды, измеряются скорости вращения Солнца и планет, изучение строения комет и туманностей, распределение межзвездной пыли, магнитные поля звезд и распределение в пространстве и пр. и пр.

Вы все это наверное, знаете лучше меня из курса общей астрономии.

    Правда, с развитием других наук и их технических возможностей астрономия постепенно отдает «свои» темы другим наукам. В первую очередь это касается планеты Земля. Такие её общие характеристики, как размеры, форма, масса, параметры осевого вращения в своё время были получены чисто астрономическими методами Однако затем появились геодезия, метеорология, геофизика, и Земля изучается более детально этими науками. На очереди – та же ситуация с другими планетами солнечной системы. Процесс выделения науки о планетах из астрономии неизбежен и реализуют его прямые космические исследования.

      Оптика – наука бурно развивающаяся. В самое последнее время - обнаружены новые свойства света, созданы ОКГ, которые имеют много применений в науке и технике; новые отрасли – голография  волоконная связь, исследование термоядерных реакций, нелинейная оптика и пр.

     Классическая оптика.

    Оптика – древняя наука.  В процессе ее развития основным был вопрос о природе света. По этому поводу существовали две теории – корпускулрная и волновая.

Эти две теории в течение 17-18 веков конкурировали между собой причем волновая теория постепенно вытесняла корпускулярную. Творцом и защитником корпускулярной теории принято считать Ньютона,( хотя он пользовался и волновыми представлениями (“ Оптика” , 1704г)). Создателем волновой теории был Гюйгенс – современник Ньютона (1629 – 1695).

     Корпускулярная теория хорошо объясняет прямолинейное распространение света, образование четких теней, отражение.  Однако уже с 17 в были известны экспериментальные факты, не укладывающиеся в корпускулярную теорию. Были открыты – интерференция и дифракция света (измерение длины волны), поляризация (поперечность световых волн) К середине 19 в волновая теория полностью вытеснила корпускулярную. К этому времени было известно:  

 

         а) Свет – волны

         б) Волны поперечные

         в) Излучение может быть разложено в спектр

        г)  Диапазон длин волн видимого света – 360 – 750 нм

        д) Длина волны ,  c – скрость распространения волн 3.10см/сек

            тогда частота – около 10 герц.

       Оставалось неясным , что колеблется, т.е. что является  материальным носителем этих волн. Для ответа на этот вопрос придумали эфир:  cчиталось, что свет – это механические  упругие колебания  сплошной среды – “мирового эфира” . который заполняет собой всю вселенную.

   Однако этот эфир должен был бы обладать весьма  экзотическими свойствами. Действительно, плотность его должна быть чрезвычайно мала, т.к. через него проходят все тела без сопротивления (например – плотность воздуха порядка 10г/куб.см, но сопротивление воздуха прекрасно ощущается!) .В то же время это должно быть твердое тело, обладающее большим коэффициентом упругости  чтобы его колебания имели такую большую частоту , как у световых колебаний.

     Кроме того, не удавалось объяснить явления , связанные с излучением и поглощением света возникновение линейчатого и сплошного спектра, флуоресценцию

    В 1800г было открыто ИК излучение , в 1801г – УФ-излучение , в 1845г – Френель открыл магнитное вращение плоскости поляризации… Т.о. ясно, что видимый свет – это часть каких-то  более общих физических явлений.

   Во второй половине 19 века Максвелл предложил систему дифференциальных уравнений, связывающих между собой электрическое и магнитное поля, переменные во времени. Это  уравнениями Максвелла. Из них следовало, что  электрическое и магнитное поля могут существовать в пространстве в виде электромагнитных волн. Эти волны поперечны, они распространяются в пространстве с конечной скоростью, равной электродинамической постоянной c. Оказалось, что многие свойства света (те, что согласуются с его волновой природой – интерференция, дифракция, поляризация, скорость распространения в вакууме и пр.) могут быть получены из уравнений Максвелла .  Кроме того, электромагнитные волны  существуют в пространстве сами по себе, без какого-либо материального носителя (эфира). Таким образом, Максвелл создал электромагнитную теорию света, объединив электричество и оптику. Оптика перестала быть обособленной от других разделов физики. Это – общая тенденция в физике и в науке вообще.

 Максвелл рассматривал вещество как некую однородную среду, которая характиризуется электрической и магнитной проницаемостями, вводимыми формально. Поэтому  уравнения Максвелла не могли объяснить многих явлений, связанных с  взаимодействием света и вещества. Например – почему показатель преломления вещества зависит от частоты световых волн. Ответы на некоторые из подобных вопросов появились с развитием электронной теории вещества, основу которой заложил Лоренц (1853-1928). Лоренц создал классическую электронную теорию,  которая позволила рассматривать взаимодействие света с отдельным атомом или молекулой, правда пока – в рамках классической теории (квантовой механики еще не было). Это – новый этап в развитии оптики. Но все это – классическая оптика. 

 

 

  Современная (квантовая) оптика.

   В конце 19 и начале 20 вв были обнаружены и исследованы явления, которые не могли быть объяснены классической волновой теорией. Эти явления связаны с поглощением и излучением света (фотоэффект, Столетов, 1988г, излучение черного тела). В 1900 г. Макс Планк показал, что законы излучения черного тела можно объяснить, если предположить, что энергия излучается не непрерывно, а порциями, квантами. В 1905г Эйнштейн объяснил свойства фотоэффекта предположив, что свет поглощается веществом в виде отдельных порций, квантов. Отсюда естественно было предположить, что и распространяется свет в виде частиц – фотонов. Фотон обладает энергией и импульсом. Энергия фотона пропорциональна частоте .

   

Постоянная h называется постоянной Планка (очень маленькая величина!).

Во всех взаимодействиях со средой фигурируют целые фотоны, дробиться на части они не могут. Для малых частот (ИК-свет) энергия фотона мала и обнаружить прерывистую структуру  таких лучей трудно, практически они ведут себя как волны. Для излучения с очень малой длиной волны (рентген, гамма-лучи) энергия фотонов велика и их корпускулярные свойства проявляются легко.

Таким образом, по понятиям современной оптики, свет одновременно проявляет и корпускулярные, и волновые свойства, т.е. является одновременно и волной и потоком фотонов. Представить себе это трудно, и наглядный «образ» квантовой структуры света  к настоящему времени не создан. Такое представление породило принципиально новую науку о микромире – волновую или квантовую механику.

Дальнейшее развитие физики показало, что эта двойственность присуща не только свету, но и потоку любых других элементарных частиц, например, потоку электронов. Эта идея принадлежит де-Бройлю (1924г). Если есть поток частиц, то его можно характеризовать (корпускулярное рассмотрение) – энергией частицы E и импульсом p , или (волновое представление) – длиной волны λ и частотой ν, причем .

Например, для электрона, летящего с тепловой скоростью,  и , для протона около 0,1 А.

Возникновение квантовомеханических представлений коренным образом изменило наше представление о мире (Принцип неопределенности, статистический характер законов и пр.).

 Мы будем заниматься волновой оптикой, все, что касается корпускулярной оптики вы

будете изучать в следующем семестре. Но мы будем постоянно помнить, что свет имеет двойственную структуру, и иногда привлекать и квантовые понятия.

 

    Шкала электромагнитных волн.

 По теории Максвелла электромагнитные волны могут обладать разной частотой, и, Мы будем заниматься волновой оптикой, все, что касается корпускулярной оптики вы соответственно, разной длиной волны, и составляют непрерывный континуум – так называемый электромагнитный спектр. Видимый свет составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра.

Электромагнитный спектр включает в себя радио- и микроволны, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет, рентгеновскую и космическую радиацию. Резких границ между этими областями нет, границы устанавливаются по соглашению и связаны в основном  с методами возбуждения и регистрации волн, а также с арсеналом приборов, служащих для изменения направления световых пучков.

Для радиоволн это трубки возбуждения с электронными пучками (радиолампы)  и колебательный контур, включающий конденсатор и индукционную катушку. Для меньших длин волн (УКВ) – резонатор и волновод. Для коротковолновой части это ядерные превращения, а также бомбардировка поверхностей заряженными частицами, для регистрации служат ионизационные камеры и другие подобные приборы.

Промежуточная область и составляет оптический диапазон. Здесь излучателями служат возбужденные атомы или молекулы, или ионы. Для регистрации используется фотопластинка или различные приборы, основанные на фотоэффекте – фотоумножители, например, а для управления световыми пучками используются различные линзы, зеркала, призмы, и спектральные приборы , например, дифракционные решетки.

   Но одно и то же излучение оптик может назвать, например, дальним ультрафиолетом, а рентгенщик – мягким рентгеновским излучением. Точно также ИК и СВЧ-излучения не имеют четкой границы.

Оптический спектр охватывает область приблизительно от 0.1 см до см. Для измерения длин волн используются следующие единицы:

микрон         мкм                              

нанометр(миллимикрон) нм    

ангстрем                                     

 

Видимый спектр занимает область 0,38 – 0,75 микрон (3800 – 7500 А).

Все остальное – инфракраный свет (ближний,средний, далекий) и ультрафиолетовый (ближний, крайний, далекий). Четкой границы между ними тоже нет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задачи

Необходимые константы

1eV=4,8 Е(-10)*1/300=1,6E(-12) эрг

h=6,62E(-27)эрг.сек

с=3Е(10) см.сек

 

1.1 Определить интервал частот, соответствующих видимому свету.

 Длины волн видимого света лежат в интервале 3800 – 7500 Å

1.2  Потенциал ионизации атома водорода – 13,6 V. Определить  длину волны света, достаточную для ионизации водорода.

1.3  Резонансная линия атома водорода  имеет длину волны 1216 Å . Какой энергии фотона это соответствует? Ответ выразить в электрон-вольтах.

1.4 Атом гелия можно возбудить фотоном с энергией   21,25 электрон-вольт. Какой длине волны это соответствует?

1.5 Потенциал ионизации гелия 24,58 вольт. Какой длине волны это соответствует?