Развитие взглядов на природу света

Свет – пожалуй, важнейший физический объект, воспринимаемый человеком. Световое восприятие дает ему 90% информации об окружающем мире. Поэтому объяснение световых явлений и создание оптических приборов были очень важными задачами.

Первоначально люди считали, что зрение представляет собой процесс «ощупывания» глазами окружающего мира. Глаз был и остается важнейшим приемником света. Однако невозможность видеть в темноте, в отсутствии источников света, навела на мысль, что свет существует независимо от глаза, распространяясь от источников, проходя через прозрачные среды и задерживаясь непрозрачными. Источники света имеют разную природу (нагретое тело, светлячок, электрический разряд – молния), они различаются по интенсивности излучения («яркости») и цвету (спектральным характеристикам). Источники могут быть самосветящимися (лампа) или отражающими свет других источников (стена) – в отсутствие этого света они кажутся черными.

 

Источник, все точки которого расположены по отношению к приемнику одинаково, называется точечным. Любой протяженный источник света можно разбить на совокупность точечных источников, излучающих независимо друг от друга. Распространяясь в среде, свет может частично или полностью поглощаться. Достигая границы раздела сред, он может частично отразиться (именно за счет этого отражения мы видим несамосветящиеся предметы), поглотиться или пройти в другую среду. Среды, в которых свет поглощается незначительно, называются прозрачными.

 

Поскольку свет оказывает тепловое действие (при поглощении света веществом оно нагревается), он является видом теплового излучения. То есть, аналогичен излучению нагретых, но не светящихся тел (такое излучение называется инфракрасным). Нагревая кусок металла, мы заметим, что по мере повышения температуры он начинает светиться вначале темно красным, затем желтым, затем синевато-белым светом. Это навело на мысль, что помимо «невидимого красного» (инфракрасного) существует «невидимое фиолетовое» излучение. Ультрафиолетовое излучение, невидимое глазом, может оказывать мощное химическое воздействие на вещество, в том числе живые организмы. Оно может засветить фотопластинку. То есть, видимый свет – один из видов какого-то излучения, испускаемого веществом и оказывающего тепловое, химическое действие на вещество. О «силе» источника такого излучения можно судить по его интенсивности, то есть энергии, приносимой от него в единицу времени на единичную площадку приемника. То есть интенсивность источника излучения – тепловая мощность, выделяемая на единичной площадке приемника.

Из рисунка видно, что интенсивность будет уменьшаться с увеличением расстояния от источника, поскольку та же мощность будет приходить на все большую площадку. Из подобия фигур видно, что

То есть интенсивность света убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника. С увеличением расстояния в 2 раза интенсивность уменьшается в 4 раза.

 

Еще в древности был открыт постулат прямолинейного распространения света в однородной среде (среде, в которой свойства вещества во всех точках одинаковы). На эту идею наводит наблюдение вида теней от непрозрачных преград. Форма теней тем точнее повторяет форму образующего их тела, чем более точечным можно считать источник. Рассматривая распространение света, идущего от маленького отверстия в шторе, люди пришли к понятию луча света, ставшего материальным прообразом геометрической прямой. Если в воздухе комнате есть пыль, то луч становится видимым за счет рассеяния света пылинками в разные стороны. Приходя на стенку, луч дает светящееся пятнышко, размеры которого равны размерам отверстия. Проверить прямолинейность распространения света можно на следующем эффектном опыте. Если взять электрическую лампу, светящимся телом в которой является яркая спираль, выключить внешний свет, и поместить между лампой и экраном лист картона с маленькой дырочкой, проколотой иголкой, то на экране мы увидим довольно точное перевернутое изображение спирали. Поскольку оно будет довольно слабым, то внешнее освещение нужно выключить. Объясните, как получается изображение спирали и почему оно перевернутое.

 

Если источник света не точечный, то резких границ «свет-тень» от препятствий не получится, поскольку разные части источника будут давать границу тени в разных частях экрана. Возникнет областьполутени, в которую приходит свет от только от части источника. (см. учебник Перышкина).

 

Поскольку свет переносит энергию и распространяется прямолинейно, Ньютон предложил корпускулярную теорию света. Свет представляет собой поток быстро летящих легких частиц (корпускул), движущихся по инерции с большой скоростью, не отклоняющихся полем тяжести. Эти частицы могут отскакивать от границы сред (отражение света) и проникать за эту границу в прозрачные тела (преломление света). Было не совсем понятно, почему два скрещенных световых пучка свободно проходят друг сквозь друга (независимость световых пучков), ведь корпускулы должны сталкиваться и вылетать из пучков. Ньютон объяснил это легкостью корпускул, практически не взаимодействующих друг с другом.

 

Некоторые явления не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Рассмотрим волны, распространяющиеся на поверхности воды.

 

На рисунке изображен вид сверху, пунктирные линии изображают череду гребней волн. Если на пути волны возникает препятствие (палочка), размеры которого меньше расстояния между соседними гребнями (это расстояние называется длиной волны), то волны смыкаются сразу вслед за ним, «тени» не образуется. Если же размеры препятствия (стенка) больше длины волны, то за ним образуется область «тени» (спокойной воды), и волны смыкаются за этой областью. Они «огибают» препятствие. Это явление огибания волнами препятствий (дифракция) характерно для любых волн.Например, если за углом дома кричат школьники, то их крики хорошо слышны, поскольку длина звуковой волны 1-400 см, поэтому такие волны (особенно длинные, «басовые») легко огибают край препятствия (угол). Световые же волны, как выяснилось позже, имеют длину волны 5*10^-5 см, поэтому они огибают препятствия слабо, и школьники из-за угла не видны.

 

Чтобы заметитьволновые свойства света потребовались весьма искусные опыты, однако к середине XIX века волновая теория света объяснила все наблюдаемые световые явления, и в ее справедливости никто не сомневался. Свет считали волнами в специальной пронизывающей все пространство среде – эфире. Открытие радиоволн Герцем привело к созданию Максвеллом электромагнитной теории света. Световые волны, как и радиоволны, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение стали рассматриваться как переменное электромагнитное поле, то есть, распространяющиеся в пространстве электрическое и магнитное поля. Именно на напряженность электрического поля и реагирует сетчатка человеческого глаза. Это единственный случай, когда человек может ощущать электрическое поле. Все виды электромагнитного излучения проявляют сходные свойства, хотя имеют различные источники и по-разному взаимодействуют с веществом. Они отличаются лишь длиной волны.

 

С точки зрения электромагнитной теории, световая волна излучается движущимся в атоме электроном. Наблюдая разложение видимого света в спектр (радужную полоску) с помощью призмы, Ньютон обнаружил в солнечном свете все цвета, соответствующие непрерывному изменению длины волны. Фиолетовый свет обладает наименьшей длиной волны, красный – наибольшей.Однако, когда стали изучать свечение газов (например, неоновой лампы для рекламы), выяснилось, что ее спектр отличается от спектра солнечного света. Он состоит из тонких цветных линий. Чтобы объяснить это, а также еще некоторые явления, пришлось предположить, что свет излучается, распространяется и поглощается не непрерывным потоком, а порциями (квантами), каждая из которых имеет определенную энергию. Энергия связана с длиной волны. Поскольку атом может излучать кванты определенных энергий, то он высвечивает линии не любых длин волн, а только некоторых. Поэтому и спектр у него не сплошной, а линейчатый. Если атомы сильно взаимодействуют друг с другом (твердые тела и жидкости), то спектр становится сплошным (линии расширяются и сливаются друг с другом).

 

Таким образом, наука вернулась к корпускулярно-волновой теории света, но уже на новом уровне. Свет нельзя рассматривать как поток маленьких разноцветных шариков, как нельзя его считать подобием волны на поверхности воды. Его вообще нельзя себе представить. Однако в некоторых явлениях проявляется та или иная его сторона. Мы будем рассматривать геометрическую (или лучевую) оптику. В ней распространение света происходит по прямым лучам, а огибание краев препятствий не учитывается. Практически все наблюдаемые нами в жизни явления можно описать этой теорией.