Optika on füüsika haru, mis uurib valgusnähtused ja nende jaoks kehtestatud seadused, samuti valguse vastasmõju mateeriaga, valguse olemus.
Info maailma kohta jõuab inimeseni nägemise kaudu. Valguse abil saame suurema osa informatsioonist meid ümbritseva maailma kohta.
Esimene teave valguse kohta ilmus 2,5 tuhat aastat tagasi.
Pythagoras oli üks esimesi teadlasi, kes andis teaduslik hüpotees valguse olemuse kohta (vt joonis 1). Ta oli esimene, kes mitte ainult arvas, vaid ka tõestas, et valgus liigub sirgjooneliselt. Tema ja seejärel teised geomeetrid, kuni Eukleidese, kasutasid geomeetria aluste ehitamiseks peegelduse ja murdumise valgusnähtusi. Pole asjata, et üht optika haru nimetatakse geomeetriliseks optikaks.
Riis. 1. Pythagoras
Pythagoras: "Valgus on osakeste voog, mis kiirgab objekte, tungides inimsilma ja need toovad teavet meid ümbritseva kohta."
17. sajandil sai selle teooria pooldajaks Isaac Newton (vt joonis 2). Ta selgitas paljusid valgusnähtusi selle põhjal, et valgus on eriliste osakeste voog.
Riis. 2. Isaac Newton
"Corpuscula" pärineb lat. korpuskulum – osake. Seetõttu hakati Newtoni teooriat nimetama korpuskulaarseks valguse teooriaks.
1. Valguse sirgjooneline levimine.
2. Peegelduse seadus.
3. Objektist varju tekkimise seadus.
Samal ajal ilmus teine teooria - härg uus teooria Sveta.
Selle teooria pooldaja oli Christiaan Huygens (vt joonis 3). Ta püüdis seletada samu nähtusi nagu Newton, ainult positsioonilt, et valgus on laine.
Riis. 3. Christiaan Huygens
Huygens ehitas valguse laineteooria analoogselt vees ja õhus toimuvate laineprotsessidega ning uskus seetõttu seda kerged lained peab levima ka mingis elastses keskkonnas, mida ta nimetas kergeks eetriks. See idee oli laineoptika aluseks kuni 20. sajandi alguseni.
Juba siis märgati, et valgus ei liigu ainult sirgjooneliselt.
1. Valgus võib painduda ümber takistuste – difraktsioon (vt joonis 4).
Riis. 4. Difraktsioon
2. Lained võivad summeeruda – häired (vt joonis 5).
Riis. 5. Häired
Need nähtused on iseloomulikud ainult lainetele, mistõttu arvas Huygens, et valgus on laine.
Korpuskulaarteooria ei suutnud selgitada, kuidas üks kiir teist läbib. Kui vaadelda valgust kui osakeste voogu, siis tuleks jälgida vastastikmõju, aga seda ei täheldatud ja see rääkis selle kasuks, et valgus on laine.
19. sajandi keskel loodi Maxwelli teooria. Ta tõestas, et elektromagnetväli levib kiirusega 300 tuhat km sekundis.
Katsete tulemusena selgus, et sellise kiirusega liigub ka valgus.
Valgus on elektromagnetlaine erijuhtum.
XVII sajand - Taani teadlane Roemer viis läbi katse, milles selgus, et valguse levimise kiirus on ligikaudu 300 tuhat km sekundis.
1848 – Hippolyte Fizeau tõestas, et valguse kiirus on 300 tuhat km sekundis.
See kõik kinnitas tõsiasja, et valgus on elektromagnetlaine.
19. sajandil uuris omadusi Heinrich Hertz (vt joon. 6). elektromagnetlained ja näitas, et valgus võib olla osake. Hertz avastas fotoelektrilise efekti nähtuse.
Riis. 6. Heinrich Hertz
Heinrich Hertz uuris elektromagnetlaineid, uskudes algselt, et neid pole olemas, ja näitas üles tõelist julgust sellega, et tundis esimesena ära nende reaalsuse kui loodusobjekti.
Fotoelektriline efekt: valgusega kokku puutudes löövad elektronid negatiivselt laetud metallplaadilt välja.
Seda saab teha ainult siis, kui valgus on osakeste voog.
20. sajandil jõudsid nad lõpliku lahenduseni, võttes kasutusele valguse laine-osakeste duaalsuse kontseptsiooni.
Kui valgus levib, käitub see nagu laine (laineomadused) ning kiirgades ja neeldudes käitub nagu osake (koos kõigi osakeste omadustega). See tähendab, et valgusel on kahetine olemus.
Seetõttu käsitletakse kõiki nähtusi nende kahe teooria vaatenurgast.
Optika on füüsika haru, mis uurib valguse olemust, valgusnähtuste seaduspärasusi ning valguse ja aine vastastikmõju protsesse.
Viimase kahe ja poole sajandi jooksul on valguse olemuse idee läbi teinud väga olulise muutuse. IN XVII lõpp V. kaks põhimõtteliselt moodustatud erinevaid teooriaid valguse olemuse kohta: Newtoni välja töötatud korpuskulaarteooria ja Huygensi välja töötatud laineteooria. Korpuskulaarteooria järgi on valgus valgusallikast suurel kiirusel lendav materjaliosakeste (kehade) voog. Laineteooria järgi on valgus laine, mis lähtub valgusallikast ja levib suurel kiirusel “maailmaeetris” – liikumatus elastses keskkonnas, mis täidab pidevalt kogu universumit. Mõlemad teooriad selgitasid rahuldavalt teatud valgusnähtustele omaseid seaduspärasusi, näiteks valguse peegelduse ja murdumise seadusi. Sellised nähtused nagu valguse interferents, difraktsioon ja polariseerumine ei mahtunud aga nende teooriate raamidesse.
Enne XVIII lõpp V. valdav enamus füüsikuid eelistas Newtoni korpuskulaarteooriat. IN XIX algus V. Tänu Youngi (1801) ja Fresneli (1815) uuringutele arendati ja täiustati laineteooriat oluliselt. See põhineb Huygensi-Fresneli printsiibil, millega oleme tuttavaks saanud juba peatükis “Võnkumised ja lained” (vt § 34). Huygens-Young-Fresneli laineteooria selgitas edukalt peaaegu kõiki sel ajal tuntud valgusnähtusi, sealhulgas valguse interferentsi, difraktsiooni ja polarisatsiooni ning seetõttu sai see teooria universaalse tunnustuse ning Newtoni korpuskulaarteooria lükati tagasi.
Nõrk koht laineteooria oli hüpoteetiline “maailmaeeter”, mille olemasolu reaalsus jäi vägagi püsima
kahtlane. Kuid eelmise sajandi 60ndatel, kui Maxwell töötas välja singli teooria elektromagnetväli(vt § 105), kadus vajadus „maailmaeetri“ kui erilise valguslainete kandja järele: selgus, et valgus on elektromagnetlained ja seetõttu on nende kandjaks elektromagnetväli. Nähtav valgus vastavad elektromagnetlainetele pikkusega 0,77–0,38 mikronit (vt tabelit lk 392), mis tekivad aatomitest ja molekulidest koosnevate laengute vibratsioonist. Seega arenes valguse olemust käsitlev laineteooria valguse elektromagnetiliseks teooriaks.
Üks olulisemaid eksperimentaalseid õigluse tõendeid elektromagnetiline teooria Valgus on inspireeritud Fizeau (1849), Foucault (1850) ja Michelsoni (1881) katsetest: eksperimentaalne väärtus valguse kiirus langes kokku Maxwelli elektromagnetiteooriast saadud elektromagnetlainete levimiskiiruse teoreetilise väärtusega. Teiseks sama oluliseks elektromagnetiteooria kinnituseks olid Ya. Ya. Lebedevi (1899) katsed: valgusrõhk, mida ta mõõtis. tahked ained(vt § 137) osutus võrdseks Maxwelli teooria alusel arvutatud elektromagnetlainete rõhuga (vt p 105).
Valguse lainelise (elektromagnetilise) olemuse idee püsis kõigutamatu kuni XIX lõpus V. Kuid selleks ajaks oli kogunenud üsna ulatuslik materjal, mis ei olnud selle ideega kooskõlas ja oli isegi vastuolus. Luminestsentsspektri andmete uurimine keemilised elemendid, energia jaotumise kohta spektris soojuskiirgus must keha, fotoelektrilise efekti ja mõnede muude nähtuste põhjal tekkis vajadus eeldada, et elektromagnetilise energia kiirgus, levimine ja neeldumine on olemuselt diskreetne (katkendlik), st valgust kiirgatakse, levib ja neeldub mitte pidevalt (nagu järeldub laineteooria), vaid portsjonitena (kvantidena). Selle eelduse põhjal Saksa füüsik Planck lõi 1900. aastal elektromagnetiliste protsesside kvantteooria ja Einstein 1905. aastal valguse kvantteooria, mille järgi valgus on valgusosakeste – footonite voog. Nii tekkis selle sajandi alguses uus teooria valguse olemuse kohta - kvantteooria, taaselustamine teatud mõttes korpuskulaarteooria Newton. Footonid erinevad aga oluliselt (kvalitatiivselt) tavalistest materjaliosakestest: kõik footonid liiguvad kiirusega võrdne kiirus valgus, omades samal ajal piiratud massi (footoni "puhkusmass" on null).
Tähtis roll V edasine areng kvantteooria tuled mängisid teoreetiline uurimus aatomi- ja molekulaarspektrid, esitanud Bohr (1913), Schrödinger (1925), Dirac
(1930), Feynman (1949), V. A. Fock (1957) jne Tänapäeva vaadete kohaselt on valgus keeruline elektromagnetiline protsess, millel on nii lainelised kui ka korpuskulaarsed omadused. Mõnes nähtuses (valguse interferents, difraktsioon, polarisatsioon) ilmnevad valguse lainelised omadused; neid nähtusi kirjeldatakse laineteooria. Muudes nähtustes (fotoelektriline efekt, luminestsents, aatomi- ja molekulaarspektrid) korpuskulaarsed omadused Sveta; selliseid nähtusi kirjeldab kvantteooria. Seega ei lükka laine (elektromagnetiline) ja korpuskulaarne (kvant) teooria üksteist tagasi, vaid täiendavad üksteist, peegeldades seeläbi valguse omaduste kahetist olemust. Siin me kohtume selge näide vastandite dialektiline ühtsus: valgus on nii laine kui ka osake. On asjakohane rõhutada, et selline dualism ei ole omane mitte ainult valgusele, vaid ka ainete mikroosakestele, näiteks nagu juba märgitud (vt § 20), ilmneb elektron, mida tavaliselt peetakse osakeseks, mõne nähtuse puhul kui laine (vt § 126).
Kaasaegne füüsika püüab luua ühtset teooriat valguse olemuse kohta, peegeldades valguse kahekordset korpuskulaarlainelist olemust; sellise arendamine ühtne teooria veel lõpetamata.
IN see kursus valguse laineomadusi käsitletakse peatükis. XVIII ja valguse korpuskulaarsed (kvant-) omadused - peatükis. XIX (seoses aatomi ehituse küsimusega). Valguse laineomaduste kirjeldamisel lähtume Huygensi-Fresneli printsiibist ja üldmõisteid ja omadused laineprotsess Kursuse esimese osa §-des 31-34 sisse toodud (näiteks valguslaine esiosa, sidusad allikad valgus, valguskiir, valguse sagedus, valguse lainepikkus jne). Seetõttu tuleks optikat õppima asudes need lõigud uuesti läbi lugeda.
Uskumatud faktid
Valgus on hämmastav nähtus, ta on sirge ja piltlikult öeldes valgustab meie elu mitmel viisil.
ÜRO teatas 2015. a Rahvusvaheline aasta Sveta demonstreerida "Maa elanikele valguse ja optiliste tehnoloogiate tähtsust elus, tuleviku ja ühiskonna arengu jaoks".
Siin on mõned huvitavad faktid valguse kohta, mida te ei pruugi teada.
päikesevalgus
1. Päike on tegelikult valge, kosmosest vaadatuna, kuna meie atmosfäär ei haju selle valgust. Veenuselt ei näe te Päikest üldse, kuna sealne atmosfäär on liiga tihe.
2. Inimene on bioluminestseeruv tänu metaboolsetele reaktsioonidele, kuid meie sära on 1000 korda nõrgem kui palja silmaga näha.
3. Päikesevalgus võib tungida sügavale ookean umbes80 meetrit. Kui lähete 2000 meetrit sügavamale, võite leida bioluminestseeruva merikuradi, kes meelitab oma ohvreid hõõguva lihaga.
4. Taimed on rohelised, sest nad on peegeldama roheline tuli ja neelavad fotosünteesi jaoks muid värve. Kui asetate taime rohelise tule alla, sureb see suure tõenäosusega.
5. Põhja ja lõuna Polaartuled tekib siis, kui "tuul" alates päikesekiirte suhtleb osakestega maa atmosfäär. Eskimo legendide järgi on aurora surnute hinged, kes mängivad morska peaga jalgpalli.
6. 1 sekundi jooksul kiirgab Päike piisavalt energiat, et pakkuda seda kogu maailmale miljoniks aastaks.
7. Maailma kõige kauem põlev lamp on saja-aastane lamp California tuletõrjeosakonnas. See on pidevalt põlenud alates 1901. aastast.
8. Kerge aevastamise refleks mis põhjustab kontrollimatuid aevastamishoogude olemasolul ere valgus, esineb 18-35 protsendil inimestest, kuigi keegi ei oska seletada, miks see tekib. Üks võimalus sellega toime tulla on päikeseprillide kandmine.
9. Millal topelt vikerkaar, valgus peegeldub igas veetilgas kaks korda ja välimise vikerkaare värvid on vastupidises järjekorras.
10. Mõned loomad näevad valgust, mida meie ei näe. Mesilased näevad ultraviolettvalgust, samal ajal kui lõgismadud näevad infrapunavalgust.
11. Niagara juga süüdati esmakordselt elektriliselt 1879. aastal, valgustuse ekvivalent oli 32 000 küünalt. Tänapäeval on Niagara juga valgustus võrdne 250 miljoni küünla valgustamisega.
12. Kui valgus läbib erinevaid aineid, see aeglustab ja murdub. Seega fokuseerib objektiiv kiired ühte punkti ja võib paberi põlema panna.
Valguse seadused
13. Valgusel on impulss. Teadlased töötavad välja viise, kuidas seda energiat pikamaa kosmosereisiks kasutada.
14. Konnasilmad on valguse suhtes nii tundlikud et Singapuri teadlased kasutavad neid uskumatult täpsete footonidetektorite väljatöötamiseks.
15. Nähtav valgus on ainult osa elektromagnetiline spekter mida meie silmad näevad. Seetõttu on LED-lambid nii ökonoomsed. Erinevalt hõõglampidest, LED-lambid kiirgavad ainult nähtavat valgust.
16. Fireflies kiirgab läbi külma kuma keemiline reaktsioon 100% efektiivsusega. Teadlased tegelevad tulekärbeste jäljendamisega, et luua energiatõhusamaid LED-e.
17. Uurida, kuidas meie silmad valgust tajuvad, Isaac Newton pistis nõelad silmakoopasse. Ta püüdis aru saada, kas valgus on millegi väljast või seest tuleva tulemus. (Vastus: mõlemad eeldused on õiged, kuna vardad silmades reageerivad teatud sagedustele).
18. Kui ainult Päike sai järsku otsa, poleks keegi Maal seda veel 8 minuti ja 17 sekundi jooksul märganud. See on aeg, mis kulub päikesevalguse Maale jõudmiseks. Kuid ärge muretsege, Päikesel on veel 5 miljardit aastat kütust alles.
Üldmõisted
Optika seisukohalt on valgus elektromagnetkiirgus, mida inimsilm tajub. Muutuse ühikuks on tavaks võtta piirkond 750 THz vaakumis. See on spektri lühikese lainepikkuse ots. Selle pikkus on 400 nm. Laialainete piiri osas võetakse mõõtühikuks 760 nm, see tähendab 390 THz, lõige.
Füüsikas vaadeldakse valgust kui suunatud osakeste kogumit, mida nimetatakse footoniteks. Laine jaotumise kiirus vaakumis on konstantne. Footonitel on teatud impulss, energia ja nullmass. Rohkem laiemas mõttes sõnad, valgus on nähtav.Lained võivad olla ka infrapunased.
Ontoloogilisest vaatenurgast on valgus olemise algus. Sellest räägivad nii filosoofid kui ka religiooniteadlased. Geograafias kasutatakse seda terminit tavaliselt planeedi üksikute piirkondade tähistamiseks. Valgus ise on sotsiaalne mõiste. Sellegipoolest on sellel teaduses spetsiifilised omadused, tunnused ja seadused.
Loodus ja valgusallikad
Elektromagnetkiirgus tekib laetud osakeste koosmõjul. Optimaalne seisund selleks on soojus, millel on pidev spekter. Maksimaalne kiirgus sõltub allika temperatuurist. Protsessi suurepärane näide on Päike. Selle kiirgus on lähedane täiesti musta keha kiirgusele. Päikese valguse olemuse määrab kuumenemistemperatuur kuni 6000 K. Pealegi on umbes 40% kiirgusest nähtavuse piires. Võimsusspektri maksimum asub 550 nm lähedal.
Valgusallikad võivad olla ka:
- Molekulide ja aatomite elektroonilised kestad üleminekul ühelt tasemelt teisele. Sellised protsessid võimaldavad saavutada lineaarse spektri. Näiteks LED-id ja gaaslahenduslambid.
- mis tekib laetud osakeste liikumisel valguse faasikiirusel.
- Footonpidurduse protsessid. Selle tulemusena moodustub sünkro- või tsüklotronikiirgus.
Valguse olemust võib seostada ka luminestsentsiga. See kehtib ka kunstlikud allikad ja orgaaniline. Näide: kemoluminestsents, stsintillatsioon, fosforestsents jne.
Valgusallikad omakorda jaotatakse temperatuurinäitajate järgi rühmadesse: A, B, C, D65. Kõige keerulisem spekter on täheldatav täiesti mustas kehas.
Valguse omadused
Inimsilm tajub elektromagnetkiirgust subjektiivselt värvina. Seega võib valgus anda valget, kollast, punast, rohelist tooni. See on ainult visuaalne tunne, mis on seotud kiirguse sagedusega, olgu see siis spektraalne või monokromaatiline. On tõestatud, et footonid võivad levida isegi vaakumis. Aine puudumisel on voolukiirus 300 000 km/s. See avastus tehti 1970. aastate alguses.
Meedia piiril kogeb valgusvoog kas peegeldust või murdumist. Levides hajub see aine kaudu. Võib öelda, et kandja optilisi indikaatoreid iseloomustab murdumisnäitaja, võrdne suhtega kiirused vaakumis ja neeldumine. Isotroopsetes ainetes ei sõltu voolu levik suunast. Esitatakse siin skalaarne suurus, määratud koordinaatide ja aja järgi. Anisotroopses keskkonnas ilmuvad footonid tensori kujul.
Lisaks võib valgus olla polariseeritud või mitte. Esimesel juhul on definitsiooni peamine suurus lainevektor. Kui vool ei ole polariseeritud, siis koosneb see juhuslikes suundades suunatud osakeste komplektist.
Valguse kõige olulisem omadus on selle intensiivsus. See on määratletud järgmiselt fotomeetrilised kogused nagu jõud ja energia.
Valguse põhiomadused
Footonid ei saa mitte ainult üksteisega suhelda, vaid neil on ka suund. Välise meediumiga kokkupuute tulemusena kogeb voog peegeldust ja murdumist. Need on valguse kaks põhiomadust. Peegeldusega on kõik enam-vähem selge: oleneb aine tihedusest ja kiirte langemisnurgast. Refraktsiooniga on aga olukord palju keerulisem.
Alustuseks võime kaaluda lihtsat näidet: kui langetate põhu vette, tundub see väljastpoolt painutatud ja lühenenud. See on valguse murdumine, mis toimub vedela keskkonna ja õhu piiril. Selle protsessi määrab kiirte jaotumise suund, kui nad läbivad aine piiri.
Kui valgusvoog puudutab kandjate vahelist piiri, muutub selle lainepikkus oluliselt. Kuid leviku sagedus jääb samaks. Kui kiir ei ole piiriga risti, siis muutub nii lainepikkus kui ka selle suund.
Kunstlikku kasutatakse sageli uurimiseesmärkidel(mikroskoobid, läätsed, luubid). Prillid on ka lainete omaduste muutuste allikaks.
Valguse klassifikatsioon
Praegu eristatakse kunstlikku ja loomulik valgus. Kõik need tüübid on määratud iseloomuliku kiirgusallikaga.
Looduslik valgus on kaootilise ja kiiresti muutuva suunaga laetud osakeste kogum. See elektromagnetväli on põhjustatud pingete vahelduvatest kõikumistest. TO looduslikud allikad hõlmavad kuumi kehasid, päikest, polariseeritud gaase.
Kunstlikku valgust on järgmist tüüpi:
- Kohalik. Seda kasutatakse töökohal, köögis, seintel jne. Selline valgustus mängib sisekujunduses olulist rolli.
- Kindral. See on kogu ala ühtlane valgustus. Allikad on lühtrid, põrandalambid.
- Kombineeritud. Esimese ja teise tüübi segu ideaalse ruumivalgustuse saavutamiseks.
- Hädaolukord. See on väga kasulik elektrikatkestuste ajal. Enamasti tarnitakse toidet patareidest.
päikesevalgus
Täna on see peamine allikas energiat Maal. Ei ole liialdus seda öelda päikesevalgus mõjutab kõiki olulisi asju. See on kvantitatiivne konstant, mis määrab energia.
IN ülemised kihid Maa atmosfäär sisaldab umbes 50% infrapuna- ja 10% ultraviolettkiirgust. Seetõttu on nähtava valguse kvantitatiivne komponent vaid 40%.
Päikeseenergiat kasutatakse sünteetilistes ja looduslikud protsessid. See hõlmab fotosünteesi, keemiliste vormide muundamist, kuumutamist ja palju muud. Tänu päikesele saab inimkond elektrit kasutada. Valgusvood võivad omakorda olla otsesed või hajusad, kui nad läbivad pilvi.
Kolm peamist seadust
Teadlased on iidsetest aegadest uurinud geomeetriline optika. Tänapäeval on põhilised järgmised valguse seadused:
Valguse tajumine
Meid ümbritsev maailm on inimesele nähtav tänu tema silmade võimele suhelda elektromagnetiline kiirgus. Valgust tajuvad võrkkesta retseptorid, mis suudavad tuvastada laetud osakeste spektrivahemikku ja reageerida sellele.
Inimesel on silmas kahte tüüpi sensoorseid rakke: koonused ja vardad. Esimesed määravad sisse nägemismehhanismi päeval juures kõrge tase valgustus. Vardad on kiirguse suhtes tundlikumad. Need võimaldavad inimesel öösel näha.
Valguse visuaalsed varjundid määratakse lainepikkuse ja selle suuna järgi.
Üldteave valguse olemuse ja omaduste kohta.
MÄÄRATLUS: Optika - füüsika haru, milles uuritakse valguse olemuse, valgusnähtuste seaduspärasusi ja valguse vastastikmõju protsesse ainega.
Optika mida tavaliselt nimetatakse ka õpetuseks füüsikalised nähtused seotud lühikeste elektromagnetlainete levimisega. Optiline spektrivahemik( infrapuna, nähtav ja ultraviolettkiired) katab lainepikkuse piirkonna ~10 -4 m kuni ~10 -8 m.
Tuleb meeles pidada, et vahemike piirid on väga meelevaldsed.
Lainepikkuste mõõtmiseks optilisele lähedale jäävates vahemikes: IR; UV, röntgen – kasutatakse järgmisi mõõtühikuid:
1 urn = 10-6 m;
Nähtav valgus: lc =7800A=780nm;
l f = 4000 A = 400 nm.
2,5 sajandi jooksul on valguse olemuse ideed läbi teinud väga olulisi muutusi. 17. sajandi lõpus. Valguse olemuse kohta on tekkinud kaks põhimõtteliselt erinevat teooriat:
Korpuskulaarteooria, mille töötas välja Newton[a] (1672)
Huygensi[b] ja Hooke[c] välja töötatud laineteooria.
Korpuskulaarteooria järgi, valgus on materjaliosakeste (kehade) voog, mis lendab suurel kiirusel allikast.
Laineteooria järgi, valgus on laine, mis lähtub valgusallikast ja levib suurel kiirusel niinimetatud “maailmaeetris” – liikumatus elastses keskkonnas, mis täidab pidevalt kogu universumit.
Kuni 18. sajandi lõpuni. valdav enamus füüsikutest eelistas Newtoni korpuskulaarteooriat ( alus– valguse levimise sirgus homogeenses keskkonnas ja valguskiire levimise sõltumatus).
19. sajandi alguses. Tänu Young[d] (1801) ja Fresnel[e] (1815) uurimistööle arendati ja täiustati laineteooriat oluliselt. See põhineb Huygensi-Fresneli põhimõttel.
Huygensi sõnul: Iga punkt keskkonnas, kuhu laine on jõudnud, muutub sekundaarsete lainete allikaks. (Selles tõlgenduses ei saanud rääkida sekundaarlainete amplituudist ega intensiivsuse jaotusest piki lainefrondit). Huygensi põhimõte selle algses sõnastuses ei saanud olla laineoptika aluseks.
Fresneli täiendus: säte sekundaarlainete interferentsi kohta.
Huygensi-Young-Fresneli laineteooria selgitas edukalt peaaegu kõiki sel ajal tuntud valgusnähtusi, sealhulgas valguse interferentsi, difraktsiooni ja polarisatsiooni, ning pälvis seetõttu universaalse tunnustuse ning Newtoni korpuskulaarteooria lükati tagasi.
Laineteooria nõrk koht oli hüpoteetiline "maailmaeeter". Kuid 19. sajandi 60ndatel, kui Maxwell[f] töötas välja ühtse elektromagnetvälja teooria, kadus vajadus “maailmaeetri” kui erilise valguslainete kandja järele. Selgus, et valgus on elektromagnetlained, mille kandjaks on elektromagnetväli. Nähtav valgus vastab elektromagnetlainetele vahemikus l=0,77 µm kuni l=0,38 µm, mis tekivad aatomeid ja molekule moodustavate laengute vibratsioonist. Seega arenes valguse olemust käsitlev laineteooria valguse elektromagnetiliseks teooriaks.
Eksperimentaalsed tõendid valguse elektromagnetilise teooria kohta:
1) Fizeau[g] (1849), Foucault[h] (1850), Michelson[i] (1881) Þ katsed, mille tulemusena valguse kiiruse katseväärtus langes kokku valguse kiiruse teoreetilise väärtusega. elektromagnetiliste lainete levik, mis on saadud elektromagnetiteooriast Maxwell.
2) katsed P.N. Lebedev [j] (1899) valgusrõhu mõõtmisest.
Valguse lainelise (elektromagnetilise) olemuse idee püsis kõigutamatu kuni 19. sajandi lõpuni. Selleks ajaks oli kogunenud üsna ulatuslik materjal, mis ei olnud nende ideedega kooskõlas ja isegi oli nendega vastuolus. Need olid andmed:
1) keemiliste elementide luminestsentsspektrite kohta;
2) energia jaotusest musta keha soojuskiirguse spektris;
3) fotoelektrilise efekti kohta jne.
Vastuolu kõrvaldamiseks eeldati, et elektromagnetilise energia kiirgus, levimine ja neeldumine on diskreetne iseloomu, st. valgust kiirgatakse, jaotatakse ja neeldutakse mitte pidevalt (nagu laineteooriast järeldub), vaid osadena ( kvantid).
Sellele eeldusele tuginedes on saksa füüsik M. Planck[k] 1900. a. lõi elektromagnetiliste protsesside kvantteooria ja Albert Einstein [l] aastal 1905 arenenud valguse kvantteooria, mille kohaselt on valgus valgusosakeste voog – footonid. Nii tekkis 20. sajandi alguses uus teooria valguse olemuse kohta - kvantteooria, taaselustades teatud mõttes Newtoni korpuskulaarteooriat. Footonid erinevad aga oluliselt (kvalitatiivselt) tavalistest aineosakestest: kõik footonid liiguvad kiirusega, mis on võrdne valguse kiirusega, omades samas lõplikku massi (footoni “puhkusmass” on null).
Valguse kvantteooria edasiarendamisel mängisid olulist rolli aatomi- ja molekulaarspektrite teoreetilised uuringud, mille viisid läbi Bohr[m] (1913), Schrödinger[n] (1925), Dirac[o] (1930), Feynman. [p] (1949), V .A. Fock[q] (1957).
Kaasaegsete vaadete kohaselt valgus on keeruline elektromagnetiline protsess, millel on nii lainelised kui ka korpuskulaarsed omadused.
Mõnes nähtuses (valguse interferents, difraktsioon, polarisatsioon) ilmnevad valguse lainelised omadused; neid nähtusi kirjeldab laineteooria. Teistes nähtustes (fotoelektriline efekt, luminestsents, aatomi- ja molekulaarspektrid) avalduvad valguse korpuskulaarsed omadused; selliseid nähtusi kirjeldab kvantteooria. Seega ei lükka laine (elektromagnetiline) ja korpuskulaarne (kvant) teooria üksteist tagasi, vaid täiendavad üksteist, peegeldades seeläbi valguse omaduste kahepoolne olemus. Siin kohtame selget näidet vastandite dialektilisest ühtsusest: valgus on laine ja osake.
On paslik rõhutada, et selline dualism on omane mitte ainult valgusele, vaid ka ainete mikroosakestele, näiteks elektronile, mida me tavaliselt käsitleme osakesena, kuid mõne nähtuse puhul avaldub see lainena.
Esmapilgul tundub, et valguse olemuse kaks seisukohta: laine (elektromagnetiline) ja kvant (korpuskulaarne) on üksteist välistavad. Paljud lainete ja osakeste omadused on tõepoolest vastupidised. Näiteks liikuvad osakesed (footonid) paiknevad teatud ruumipunktides ning levivat lainet tuleb pidada ruumis “määrdunudks” ning laine asukohast mingis punktis rääkida ei saa.
Vajadus omistada valgusele ühelt poolt laineomadusi ning teiselt poolt kvant- ja korpuskulaarseid omadusi jätab mulje, et meie arusaamad valguse olemusest on ebatäielikud. Tekib isegi mõte, et valguse olemuse kahesus on kunstlik. Kuid optika areng, tervik optilised nähtused näitas, et valguslaine elektromagnetväljale iseloomulikud järjepidevusomadused ei tohiks vastu olla footonitele iseloomulikud diskreetsuse (katkestuse) omadused.
Valgusel, nagu me juba ütlesime, on kahetine olemus. Ja eriti see loodus väljendub, nagu me hiljem näitame, näiteks valemites, mis määravad footonite põhiomadused: energia; impulss ; mass. Need. Footonite korpuskulaarsed omadused on seotud valgusele iseloomuliku lainega - selle sagedusega: ; [n]=c-1;
Valguse kahekordsete, vastuoluliste omaduste avaldumises on olemas oluline muster. Pikalaineline kiirgus (näiteks IR-kiirgus) omab vähesel määral kvantomadusi ja peamist rolli mängivad laineomadused. Suur grupp optilisi nähtusi seletatakse lainekontseptsioonide alusel, st laineoptikas.
Kui aga liikuda mööda elektromagnetlainete skaalat lühemate lainepikkuste suunas, ilmnevad valguse laineomadused üha vähem, andes teed selgemalt avalduvatele kvantomadustele. (Seda on näha näiteks fotoelektrilise efekti punase piiri seadusest). Eelkõige lühilaine laineline olemus röntgenikiirgus avastati alles siis, kui seda kasutati difraktsioonvõre kristallstruktuur tahked ained
Valguse laine- ja kvantomadused on omavahel seotud. Vaatleme seda seost läbipaistmatu ekraani pilu läbiva valguse näitel (joonis 1). Laske tasapinnaline paralleelne monokromaatilise valguse kiir läbida pilu AB piki Y-telge.
Valguse kahetise olemuse seisukohalt tähendab see, et pilu läbib üheaegselt osakeste voog – footonid ja elektromagnetlaine.
Teatavasti ilmub LED-ekraanile difraktsioonimuster. Valgustus E ekraani igas punktis on võrdeline valguse intensiivsusega selles punktis (vt joonist 1, kus paremal on näidatud valguse intensiivsuse jaotus kogu ekraanil). Samuti on teada, et valguse intensiivsus on võrdeline valguslaine amplituudi A ruuduga. Þ .
KOOS kvantpunkt Nägemise osas tähendab difraktsioonimustri tekkimine ekraanil seda, et kui valgus läbib pilu, jaotuvad footonid ruumis ümber ja seega erinevad punktid ekraani tabamused erinev number footonid. Valgustus E ekraani igas punktis on võrdeline ajaühikus langevate footonite koguenergiaga see punkt. Ja see energia on võrdeline n 0-ga, kus n 0 on selle energia edastanud footonite arv. Þ .
Kujutagem ette olukorda, kus pilule langeb väga nõrk valgusvoog ja piirväärtuses võib seda pidada väga nõrgaks suur number vaheldumisi lendavad footonid. Iga footon peab avalduma selles ekraanipunktis, kuhu see tabab. Kuid katsed näitavad, et isegi intensiivsuse vähenemisega valgusvoog, difraktsioonimuster ei muutu.
Reaalses eksperimendis on vaheldumisi lendavatest footonitest koosneva valgusvoo loomine võimatu. Et rääkida võrdlusest katsega, tuleb ette kujutada, et katse footoniga, mis tabab mõnda ekraanipunkti mitu korda korratud. Igas sellises katses on footon koos teatud tõenäosus võib tabada ühte või teist punkti. Kui vaatlusi tehakse kaua aega, siis oleks tulemus sama, kui üheaegselt läbiks väga suurest arvust footonitest koosnev valgusvoog.
Nüüd võrdleme kahte valgustuse väljendit. Neist järeldub,. Need. valguslaine amplituudi ruut mis tahes ruumipunktis on võrdeline seda punkti tabavate footonite arvuga. Ehk teisisõnu: valguslaine amplituudi ruut antud ruumipunktis on footonite antud punkti tabamise tõenäosuse mõõt.
Seega valguse laine- ja kvantomadused ei välista, vaid vastupidi, täiendavad üksteist. Need väljendavad valguse levimise ja selle vastasmõju ainega tõelisi seadusi.
Kõigest öeldust järeldub, et lainete omadused ei ole omased mitte ainult suure hulga samaaegselt lendavate footonite kogumisele. Igal üksikul footonil on laineomadused. Laine omadused footonid avalduvad selles, et nende kohta on võimatu täpselt näidata milline see jõuab ekraani punktini pärast pilu läbimist (joonis 1). Me saame ainult rääkida tõenäosused tabamust iga footonühes või teises kohas ekraanil.
See tõlgendus laine ja kvantomadused valguse pakkus välja Einstein. See mängis silmapaistev roll arenduses kaasaegne füüsika, kuigi areng vallaline teooriad valguse olemuse kohta, mis peegeldavad valguse kahekordset korpuskulaarlainet, pole veel valminud.
Nüüd hakkame käsitlema optilisi nähtusi, mida saab laineoptika seisukohast täielikult selgitada.