Развитие взглядов на природу света

Оптическое излучение (или свет в широком смысле слова) – это электромагнитные волны, длины которых находятся в диапазоне от 10-11 до 10-2 м (от единиц до десятых долей мм) или диапазон частот которых примерно равен 3*1011…3*1017 Гц.

Как и для любого другого излучения, имеется источник оптического излучения и приёмник оптического излучения. Приёмником оптического излучения, может быть, например, человеческий глаз. Человеческий глаз способен воспринимать оптическое излучение с длиной волны от 400 до 760 нм. Это видимое излучение. Кроме видимого излучения, к оптическому излучению также относятся инфракрасное излучение (с длиной волны от 0,75 до 2000 мкм) и ультрафиолетовое излучение (с длиной волны от 10 до 400 нм). Световые волны изучают с помощью оптических методов, которые исторически сложились при анализе законов видимого света.

В 17-м веке были высказаны первые научные гипотезы о природе света. Свет обладает энергией и переносит её в пространстве. Переносить энергию могут либо тела, либо волны, поэтому о природе света вдвинуты две теории.

Корпускулярная теория света (от латинского corpusculum – частица) была предложена в 1672 году английским учёным Исааком Ньютоном (1643 – 1727). Согласно этой теории, свет – это поток частиц, которые во все стороны испускает источник света. С помощью этой теории объяснялись такие оптические явления, как, например, различные цвета излучения.

Голландским учёным Христианом Гюйгенсом (1629 – 1695) также в 17-м веке была создана волновая теория света, согласно которой свет имеет волновую природу. С помощью этой теории хорошо объясняются такие явления, как интерференция, дифракция света и т.д.

Обе эти теории длительное время существовали параллельно, так как ни одна из них в отдельности не могла полностью объяснить все оптические явления. К началу 19-го века после исследований французского физика Огюстена Жана Френеля (1788 – 1827), английского физика Роберта Гука (1635 – 1703) и других учёных выяснилось, что волновая теория света имеет преимущество перед корпускулярной. В 1801 году английский физик Томас Юнг (1773 – 1829) сформулировал принцип интерференции (усиление или ослабление освещённости при наложении световых волн друг на друга), что позволило ему объяснить цвета тонких плёнок. Френель объяснил, что такое дифракция света (огибание светом препятствий) и прямолинейность распространения света.

И всё же волновая теория света имела один существенный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение представляет собой поперечные механические волны, которые могут возникать только в упругой среде. Поэтому была создана гипотеза о невидимом мировом эфире, который представляет собой гипотетическую среду, заполняющую всю Вселенную (всё пространство между телами и молекулами). Мировой эфир должен был обладать целым рядом противоречивых свойств: должен обладать упругими свойствами твёрдых тел и быть одновременно невесомым. Эти трудности были разрешены во 2-й половине 19-го века при последовательном развитии учения английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 – 1879) об электромагнитном поле. Максвелл пришёл к вводу, что свет есть частный случай электромагнитных волн.

Однако в начале 20-го века были обнаружены прерывистые, или квантовые свойства света. Этим свойствам давала объяснение корпускулярная теория. Таким образом, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью свойств). В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (то есть ведёт себя как волна), а при излучении и поглощении – корпускулярные свойства (то есть ведёт себя как поток частиц).

Законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о световом луче рассматриваются в разделе оптики, который называется Геометрическая оптика. Подразумевается, сто световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых электромагнитных волн.

Закон прямолинейного распространения света

На практике свет распространяется прямолинейно внутри ограниченного конуса, который представляет собой световой пучок. Диаметр этого светового пучка превосходит длину световой волны.

Если показатель преломления среды везде одинаков, то такая среда называется оптически однородная среда.

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. В этом состоит закон прямолинейного распространения света.
 Прямолинейность распространения света подтверждается многими явлениями, например, появлением тени от непрозрачных тел. Если S – очень маленький по размеру источник света, а М – непрозрачное тело, преграждающее путь падающему на него свету S, то за телом М образуется конус тени. Свет, идущий от источника, задерживается телом М, и на экране, который помещён под прямым углом к оси конуса, получается хорошо очерченная тень тела М (см. рис. 1.1).

Прямолинейность распространения света

Рис. 1.1. Прямолинейность распространения света.

Источники света больших размеров (по сравнению с расстоянием от источников света до препятствия) образуют полутень. Образование полутени можно рассмотреть с помощью двух источников малых размеров, которые находятся друг от друга на расстоянии, равном размеру большого источника света. На рис. 1.2 показано сечение конусов тени, которые образуются светом за телом М. Полная тень образуется позади непрозрачного тела М в той области, куда не попадает свет ни от одного источника света.

Полутень (частично освещённое пространство) образуется в области, где проходят лучи только от одного из источников света. Например, в области, где проходят лучи только источника S1, а другой источник света S2 заслонён телом М. Если источник света большой, то каждая его точка может рассматриваться как точечный источник света. В этом случае будет происходить сложение излучения от отдельных частей излучающей поверхности. Также образуются области тени и полутени.

Полутень, образованная большим источником света

Рис. 1.2. Полутень, образованная большим источником света.

Образование тени при падении лучей от источника света на непрозрачный предмет объясняет такие явления, как солнечные и лунные затмения.

Такое свойство, как прямолинейность распространения света, используется при определении расстояний на земле, на море и в воздухе, а также в производстве при контроле по лучу зрения прямолинейности изделий и инструментов.

Прямолинейность распространения света объясняет возможность получения изображений с помощью малого отверстия. Простейшее устройство, позволяющее наблюдать перевёрнутое изображение предметов, называется камера-обскура и представляет собой ящик с небольшим отверстием в передней стенке. Луч света, который распространяется прямолинейно, попадает на заднюю стенку камеры-обскура, где появляется световое пятно с соответствующей интенсивностью. Совокупность световых пятен от всех точек предмета и создаёт изображение этого предмета на задней стенке камеры-обскура.