Введение.

Элементы фотометрии и геометрической оптики

Лекция №1

 

План лекции:

1. История развития оптики. Источники света.

2. Основные фотометрические характеристики.

3. Закон прямолинейного распространения света. Световые лучи. Принцип Ферма.

 

Оптика (от греч. оptike наука о зрительных восприятиях) является разделом физики, в котором изучаются процессы излучения света, его распространения в различных средах и взаимодействия с веществами.

До конца 18-го века большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона, согласно которой свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

В начале 19-го века благодаря исследованиям Т.Юнга (1801) и О.Ж.Френеля (1815) волновая теория значительно развилась и усовершенствовалась.

 

Томас Юнг

Томас Юнг (Young) (13.06.1773 – 10.05.1829)

Английский физик. Исследования Юнга в области оптики легли в основу его статьи «Механизм глаза» («The Mechanism of the Eye», 1800), в которой он дал объяснение природе аккомодации, астигматизма и цветового зрения. В 1801 при поддержке Б. Румфорда Юнг был назначен профессором Королевского института, где за период с 1801 по 1803 прочитал цикл лекций, изданных впоследствии под названием «Лекции по натуральной философии и механическому искусству» («Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts», 1807). Юнг – один из создателей волновой теории света. Он впервые указал на усиление и ослабление звука при наложении звуковых волн и предложил принцип суперпозиции волн. В 1801 объяснил явление интерференции света, дал интерпретацию колец Ньютона. Выполнил первый эксперимент по наблюдению интерференции, получив два когерентных источника света (1802). В 1803 попытался объяснить дифракцию света. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний, открыл интерференцию УФ-лучей, измерил длины волн света разных цветов. В теории упругости Юнгу принадлежат исследования деформации сдвига. Он же ввел характеристику упругости – модуль растяжения и сжатия (модуль Юнга).

Огюсте́н Жан Френе́ль

Огюсте́н Жан Френе́ль (фр. Augustin-Jean Fresnel)(10.05.1788 — 14.07.1827)

Французский физик, один из создателей волновой теории света. Родился в Броли (департамент Эр) 10 мая 1788 г.. Окончил Политехническую школу (1806 г.) и Школу мостов и дорог (1809 г.) в Париже. Работал инженером, в период 100 дней — временного возвращения Наполеона из ссылки — лишился работы как участник военных действий. Впоследствии работал в Политехнической школе.

Работы Френеля посвящены физической оптике. Заинтересовавшись работами Э.Малюса, стал самостоятельно изучать физику и вскоре начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 г. переоткрыл принцип интерференции, добавив к опытам Томаса Юнга несколько новых, в частности опыт с «бизеркалами Френеля». В 1816 г. дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных волн и их интерференции (принцип Гюйгенса — Френеля). Исходя их этих двух принципов, разработал в 1818 г. теорию дифракции света. Предложил способ расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (зоны Френеля). С его помощью рассмотрел дифракцию от края препятствия и круглого отверстия. В 1821 г. доказал поперечность световых волн (к этой идее он пришёл независимо от Т.Юнга). В 1823 г. установил законы поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля). Изобрёл ряд интерференционных приборов (зеркала Френеля, бипризма Френеля, линза Френеля).

В 1823 г. Френель был избран членом Парижской АН, в 1825 г. стал членом Лондонского королевского общества. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Христиан Гюйгенс

Христиан Гюйгенс родился в Гааге. Отец его Константин Гюйгенс (Хёйгенс), тайный советник принцев Оранских, был замечательным литератором, получившим также хорошее научное образование.

Молодой Гюйгенс изучал право и математику в Лейденском университете, затем решил посвятить себя науке.

В 1651 году опубликовал «Рассуждения о квадратуре гиперболы, эллипса и круга».

Вместе с братом он усовершенствовал телескоп, доведя его до 92-кратного увеличения, и занялся изучением неба. Первая известность пришла к Гюйгенсу, когда он открыл кольца Сатурна (Галилей их тоже видел, но не смог понять, что это такое) и спутник этой планеты, Титан.

В 1657 году Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. В последние годы жизни этот механизм пытался создать Галилей, но ему помешала прогрессирующая слепота. Часы Гюйгенса реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода. Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Сконструированные Гюйгенсом точные и недорогие часы с маятником быстро получили широчайшее распространение по всему миру.

В 1665 году по приглашению Кольбера поселился в Париже и был принят в число членов Академии наук. В 1666 году по предложению того же Кольбера становится её первым президентом. Гюйгенс руководил Академией 15 лет.

В 1673 году под названием «Маятниковые часы» выходит исключительно содержательный труд по кинематике ускоренного движения. Эта книга была настольной у Ньютона, который завершил начатое Галилеем и продолженное Гюйгенсом построение фундамента механики.

1681 год: в связи с намеченной отменой Нантского эдикта Гюйгенс, не желая переходить в католицизм, вернулся в Голландию, где продолжил свои научные исследования.

 

Напомним, что согласно Гюйгенсу:

1-е Положение – каждая точка среды, до которой дошла волна сама становится источником вторичных волн.

2-е Положение – вторичные волны взаимно гасятся во всех направлениях, кроме направления исходного фронта.

Согласно Френелю, волну, приходящую в любую точку А от первичного источника S, можно рассматривать как результат интерференции вторичных волн, приходящих в эту точку от множества элементарных вторичных источников ∆Si, некоторого волнового фронта F.

Волновая теория Гюйгенса-Юнга-Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем, эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.

В 60-х годах 19-го века Д. Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля (ЭМП). Выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны (ЭМВ), носителем которых является ЭМП.

 

 

Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл (13.06.1831, Эдинбург — 5.11.1879, Кембридж)

Британский физик, родился в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков (Clerks).

Учился сначала в Эдинбургской академии, Эдинбургском университете (1847—1850), затем в Кембриджском (1850—1854) университете (Питерхауз и Тринити-колледж).

В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа. В 1856—1860 был профессором натуральной философии Маришал-колледжа Абердинского университета. В 1858 женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери главы Маришал-колледжа Даниэля Дьюара.

С 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета.

В 1865 в связи с серьёзной болезнью (оспа) Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике.

В 1871 в Кембриджском университете возглавил кафедру экспериментальной физики. Организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской — в честь Г. Кавендиша.

Одним из важнейших экспериментальных доказательств справедливости электромагнитной теории света послужили опыты И.Физо (1849), Ж.Фуко (1850) и А.Майкельсона (1881) – скорость света С равна скорости распространения ЭМВ (3·10⁸ м/с).

Другим опытным подтверждением электромагнитной теории явились опыты П. Лебедева (1899) - измеренное им световое давление на твердые тела оказалось равным давлению ЭМВ, рассчитанному на основе теории Максвелла.

Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца 19-го века.

Однако к этому времени уже накопился обширный материал, не согласующейся с волновой теорией и даже ей противоречащей.

Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэффекте и др., явлениях привело к необходимости предположить, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии несёт дискретный (прерывный) характер, т.е. свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно, а порциями (квантами). Исходя из этого предположения немецкий физик М.Планк (1900)создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а А.Эйнштейн (1905) разработал квантовую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (фотонов). Таким образом, в начале 20-го века возникла новая теория о природе света – квантовая теория, возродившая в какой-то мере теорию Ньютона.

Однако фотоны качественно отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью С=3·10⁸м/с (скоростью света), обладая при этом конечной массой («масса фотона» равна нулю).

В дальнейшем квантовая теория света была развита и усовершенствована за счет теоретических исследований атомных и молекулярных спектров Н.Бором (1913) Э.Шредингером (1915), П. Дираком (1930), Р. Фейнманом (1949), В. Фоком (1957) и др.

По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции, дифракции и поляризации.

Корпускулярные свойства света обнаруживаются в условиях фотоэффекта, люминесценции, атомных и молекулярных спектрах.