Свет
Благодаря световому потоку мы воспринимаем красоту окружающей нас природы, видим далекие галактики и мельчайшие бактерии, измеряем высокие температуры и большие расстояния. Свет является одним из необходимейших условий существования живого вещества (и в частности, человека).
Светом называют электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Длины волн этого излучения заключены в интервале от 0,38 мкм у фиолетового до 0,77 мкм у красного света. В более широком смысле под светом понимают оптическое излучение, к которому помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого света, относятся инфракрасные и ультрафиолетовые излучения. С учетом последних к оптическому излучению (т.е. к понятию света) относят электромагнитное излучение с длинами волн от 0,01 мкм до 1мм.
В восприятии света человеком главную роль играет глаз. Еще И.Кеплер* сравнивал глаз с камерой, дающей изображение наблюдаемого предмета на вогнутой поверхности с помощью хрусталика и сетчатки. Экспериментально первым проверил это Р.Декарт* . Он обработал радужную оболочку бычьего глаза так, что она стала прозрачной, вставил глаз в отверстие, проделанное в оконной ставне, и ставни закрыл. Находясь внутри помещения, он увидел на оболочке глаза перевернутое изображение того, что было перед домом.
Оптическую систему глаза часто сравнивают с оптической системой фотоаппарата. Аналогом объектива у глаза является его хрусталик. Оставаясь неподвижным относительно сетчатки, он изображает на ней предметы, находящиеся от глаза на разных расстояниях. Четкость этого изображения достигается изменением кривизны поверхности хрусталика посредством особых мышц. И если в фотоаппарате изображение передается на фотопленку, то в глазу - на глазную сетчатку. Последняя представляет собой светочувствительный слой, кодирующий изображение и передающий его в мозг.
В фотоаппарате пучок света, входящий в объектив, ограничивается диафрагмой. В глазу роль диафрагмы играет зрачок. В зависимости от светового потока, падающего на поверхность глаза, зрачок помимо нашей воли уменьшает или увеличивает световое отверстие. Если перевести взгляд с темного на яркий предмет, то зрачки сужаются, уменьшается диаметр отверстия в радужной оболочке, и в глаз попадает меньшая доля светового потока. Этим глаз защищается от излишней световой энергии, с одной стороны, и увеличивает свою чувствительность, с другой.
Светочувствительный слой сетчатки состоит из колбочек и палочек. В сетчатке человеческого глаза их 6 млн. и 125 млн. соответственно. Раздражение каждой из них светом передается в мозг по нервным волокнам. Но на сетчатке имеется так называемое слепое пятно, которое нечувствительно к свету. В месте, где оно расположено, в глаз входит зрительный нерв. В нем, как в жгуте, собраны нервные волокна от всех палочек и колбочек.
Глаз человека хорошо различает цвета, т.е. реагирует на изменение длины волны светового излучения. При одной и той же плотности светового потока глаз воспринимает желто-зеленые лучи, как самые яркие, а красные и фиолетовые - как самые слабые.
Чувствительность человеческого глаза к видимому свету очень высока. Если человек долго находится в темноте, то глаз приспосабливается к восприятию чрезвычайно малых световых потоков. Такое увеличение чувствительности глаза называют темновой адаптацией. У некоторых людей глаза после адаптации в темноте могут чувствовать даже отдельные фотоны. Глаз может воспринимать и такие световые потоки, которые превосходят минимальный осязаемый поток в 1012 раз! Оказывается, максимум чувствительности глаза совпадает с максимумом излучательной способности Солнца. Это означает, что наши органы зрения приспособлены прежде всего именно к солнечному свету.
Свет рассматривают иногда как волну, переносящую электромагнитные колебания, иногда как поток фотонов. Это связано с тем, что в одних случаях проявляются главным образом волновые свойства света, в других - корпускулярные.
Свет характеризуется длиной волны, частотой колебаний, скоростью распространения волны. По современным измерениям скорость света в вакууме составляет 299792 км/с. Это означает, что за миллионную долю секунды свет проходит 300 м, а расстояние от Солнца до Земли, равное, как известно, 150 млн. км, он пролетает за 8 мин.
Быстрее всего свет движется в пустом пространстве. Если же световой поток проходит через какое-либо прозрачное вещество (стекло, кварц, воду), то его электрическое поле не успевает раскачивать атомные ядра и электроны внутренних атомных оболочек. Оно вызывает колебания только внешних электронов, удерживаемых ядрами сравнительно слабо. При этом внешние электроны атомов начинают повторять движение световой волны и испускать свет той же длины волны и того же направления, что и падающее излучение (рис. 1.50).
Рис. 1.50. Прохождение света через атомы
Первичная волна и волна, рожденная колебаниями электронов, складываются. Но скорость результирующей волны оказывается меньше скорости падающей первичной волны. Вследствие этого при прохождении света через какое-либо вещество наблюдается его замедление.
В частности, в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Это приводит к тому, что световые лучи на границе воздуха и воды преломляются. Вследствие этого, например, на границе раздела между воздухом и водой ложка, опущенная в стакан с водой, кажется сломанной.
В общем случае углы падения  0 и преломления светового луча (рис. 11) связаны между собой равенством
sin 0 / sin = 
где - показатель преломления света в соответствующем веществе.
Если солнечный свет пропускать через призму, то световые волны с большей частотой колебаний отклонятся от своего первоначального направления сильнее, чем с меньшей. Вследствие этого на экране, установленном за призмой, образуется разноцветная полоса - спектр (рис. 12).
Эффектом преломления лучей при прохождении их через границы двух сред интересовался еще И.Ньютон. Он первым доказал, что дневной свет состоит из цветных лучей. Но, выделяя диафрагмой луч определенного цвета и, пропуская его через призму, Ньютон убедился, что такой луч на составляющие не разлагается. Он назвал излучение, не разлагающееся в спектр, монохроматическим, т.е. одноцветным. В нем световая волна колеблется с вполне определенной частотой. Чтобы окончательно доказать, что белый свет сложный, Ньютон получил его смешением монохроматических лучей.
Если в пламени горелки исследуемое вещество превратить в пар, то пламя окрашивается в характерный только для него цвет. Так, медь дает зеленое
пламя, поваренная соль - желтое, стронций - малиново-красное. Если свет окрашенного пламени горелки пропускать через призму, то нетрудно обнаружить, что спектры в каждом случае отличаются друг от друга. Например, спектр света "литиевого" пламени состоит всего лишь из двух линий: яркой красной и расположенной рядом с ней слабой оранжевой. Стронций дает голубую, две красных, оранжевую и желтую линии. Таким образом, спектр показывает, от каких химических элементов идет излучение, разложением которого он был получен. На этом и основан метод спектрального анализа химических элементов. В частности, с помощью этого метода в 1868 году на Солнце был открыт неизвестный в то время на Земле элемент - гелий. На нашей планете он был обнаружен лишь в 1895 году.
С помощью спектра можно измерять скорости источников света, перемещающихся в пространстве. У таких источников спектры сдвигаются: если источник удаляется от наблюдателя, то сдвиг происходит в область длинных волн, а если он приближается к наблюдателю, то - в область коротких волн. По направлению и величине этого сдвига определяют скорость излучателя. В частности, так измеряют скорости галактик, как теперь известно, удаляющихся от Солнечной системы.
Свет обладает удивительным свойством: его скорость не зависит от скорости источника. Это было установлено американским физиком А.Майкельсоном* (1852-1931), а объяснено А.Эйнштейном* в его теории относительности. Согласно этой теории в природе не существует скорости, большей скорости света в вакууме, что она самая большая, предельная скорость. Согласно теории относительности энергия, содержащаяся в любом веществе, связана с массой вещества формулой E = m c2, где Е - энергия, m - масса, c - скорость света в вакууме.
Световой луч как электромагнитная волна складывается из колебаний электрического поля Е и магнитного поля Н (рис. 1.53).
Плоскости первых колебаний обозначены М, вторых - N. Очевидно, эти плоскости перпендикулярны друг другу. Частоту этих колебаний обозначим  . Она равна скорости света, деленной на длину волны: = c/ . Например, в зеленом световом луче электрическое и магнитное поля за одну секунду совершают 600 биллионов колебаний.
Если световые колебания можно представить гармоническими функциями, то их они называют когерентными. В когерентном световом луче напряженность магнитного и электрического полей меняется по синусоидальному закону без наложений и сбоев. Когерентное излучение имеют, например, лазеры.
Слово "лазер"* составлено из первых букв английского наименования того, что в переводе на русский язык означает "усиление света с помощью вынужденного излучения". В отечественной литературе лазер называют иногда оптическим квантовым генератором. Это связано с принципом работы лазера, а он состоит в следующем.
При поглощении атомом светового кванта его внутренняя энергия возрастает на величину энергии поглощенного кванта* . Атом* , получивший избыток энергии, называют возбужденным. Как правило, он очень быстро (примерно за одну десятимиллионную долю секунды) избавляется от лишней энергии и возвращается в основное состояние, т.е. в состояние с наименьшей возможной для него энергией, испуская фотон* . Обычно это происходит без всякого внешнего воздействия.
Но процесс перехода атома на более низкий энергетический уровень может происходить не только самопроизвольно, а и под действием другого кванта. Пролетая мимо возбужденного атома, фотон может увлечь за собой другой фотон. Для это необходимо, чтобы последний имел такую же энергию, как и собственная энергия пролетающего фотона. Это бывает, например, когда фазы электромагнитных колебаний захваченного и пролетающего фотонов совпадают. Подобные захваты приводят к тому, что световой луч, проходя через подсвеченный мощным источником света кристалл не ослабляется, а усиливается, на нем и основана работа лазера.
Первый лазер (созданный в 1960 году) имел в качестве активного тела рубин. Это - кристалл окиси алюминия, в состав которого входят атомы хрома. Такой рубин имеет розовый цвет. Чем больше хрома в кристалле, тем его цвет ближе к красному.
Атомы хрома играют в лазерном процессе главную роль. Они поглощают желтый, зеленый свет, а также лучи ультрафиолетовой области. Поэтому рубин оказывается прозрачным только для красного и синего света. Смесь этих излучений выходит из рубина, придавая ему характерную "рубиновую" окраску.
Рубиновый стержень современного мощного лазера представляет собой цилиндр диаметром в несколько сантиметров и длиной до нескольких дециметров. Его торцы хорошо отполированы, и у каждого из них установлены плоские зеркала. Одно из них отражает падающий на него свет полностью, а другое - частично, пропуская часть света через себя.
Для получения лазерного импульса, от установки высокого напряжения заряжают электрические конденсаторы (рис.1.56). Этот заряд на короткий промежуток времени прикладывают к мощным, газоразрядным лампам, окружающим рубиновый стержень. Вспышка ламп посылает множество фотонов разных энергий в тело стержня. Часть из них поглощается атомами хрома. Последние переходят в возбужденное состояние и практически мгновенно оказываются на самом низком уровне. Процесс "подъема" атомов хрома (или другого вещества) светом постороннего источника называют оптической накачкой.
Сразу же за вспышкой ламп из стержня вырывается мощный поток света - лазерный луч. Если его сфокусировать на металлической пластинке, то она может быть прожжена насквозь.
Лазерный луч складывается из отдельных импульсов, которые возникают от фотонов, пролетающих вдоль оси лазера. Отражаясь от торцевых зеркал, они многократно проходят через тело рубинового стрежня и увлекают за собой множество других фотонов. В результате возникает мощный импульс, имеющий красный свет и выходящий через полупрозрачное зеркало (рис. 22). Свет этого импульса является монохроматическим: первый испущенный по оси рубинового стержня квант может увлечь за собой кванты только такой же энергии, как у него самого. Кроме того, так как увлекаемые фотоны идут по тому же направлению, что и первый фотон, то лазерный луч расходится под очень малым углом. А так как все кванты испускаются только в одной фазе, то излучение лазера когерентно.
Описанный лазер называют твердотельным. Но бывают лазеры жидкостные и газовые. Например, если наполнить цилиндрический сосуд смесью гелия и неона, а внутрь его поместить металлические электроды и подать на них высокое напряжение, то между атомами газа начнется движение большого числа достаточно быстрых электронов. Они будут сталкиваться с атомами гелия и возбуждать их. Возбужденные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона, будут отдавать им свою энергию и возбуждать их высокие уровни. С этих высоких уровней атомы неона будут переходить в промежуточное состояние и испускать фотоны. Если у торцов сосуда установить зеркала, описанные выше, то газ начнет светиться красноватым светом (рис. 1.57).
Представляют интерес свойства света, связанные с явлением интерференции. Если на две щели, расположенные достаточно близко друг к другу (на расстоянии порядка 50 мкм), направить свет лазера, то на экране, установленном за щелями, появится интерференционная картина - результат сложения гармонических колебаний лазера (рис. 1.58). Если же на них направить свет лампы накаливания, то стоящий за ними экран освещается сравнительно равномерно: волны, излучаемые лампой, хаотичны и не создают на экране интерференционной картины. Для ее получения с помощью обычных источников света достаточно воспользоваться, например, зеркалом и бипризмой. С их помощью создают систему отраженных волн, которые и интерферируют между собой. Интерференция световых колебаний используется, в частности, для измерения длин световых волн, а также размеров предметов.
Удивительные свойства света связаны с голографией. Если осветить фотографическую пластинку двумя когерентными лучами света, направив один из них перпендикулярно к поверхности пластинки, а другой - под некоторым углом , то световые колебания, складываясь, дадут на пластинке систему интерференционных полос - дифракционную решетку (рис. 1.59). Если после проявки фотопластинки осветить ее пучком когерентного света, направленным перпендикулярно к ее поверхности, то часть энергии пройдет через щели решетки, не изменив направления. Другая часть создаст два параллельных пучка света, распространяющихся под углами и - к поверхности пластинки (рис. 10). Эти углы по модулю в точности равны тому углу, под которым пластинка освещалась ранее. Кроме того, оказывается, что интенсивность пучка, идущего под углом , равна интенсивности пучка, падавшего на пластинку ранее. Получается, что фотопластинка "запомнила", под каким углом и с какой интенсивностью на нее падал луч, и восстанавливает его под действием так называемого опорного луча.
Используя когерентное излучение, можно записать на фотопластинку, а затем восстановить не только характеристики параллельного пучка света, но и свет, отраженный любым предметом: цветком, вазой, человеком и т.п. Такая запись изображения предмета называется голограммой.
Свойства голограмм удивительны. Например, допустим, что фотопластинка с записанной на ней голограммой разбилась. Оказывается, любой ее осколок, освещенный опорным светом, восстанавливает изображение полностью. Правда, качество изображения с уменьшением размеров голограмм несколько ухудшается. Еще одним свойством голограмм является то, что они не просто воссоздают объемное изображение предмета, но даже и то, что располагалось в момент съемки на втором плане.
Еще в давние времена высказывались предположения о существовании светового давления. В частности, в 1604 году влиянием светового давления И.Кеплер* объяснил форму хвоста кометы. Доказать существование светового давления теоретически удалось лишь 250 лет спустя Максвеллу. Он определил величину светового давления, исходя из своей теории электромагнитного поля.
Экспериментально существование светового давления впервые установил в 1899 году русский физик П.Н.Лебедев* . Для этого он подвесил на тонкой нити пару черных и пару блестящих зеркальных крылышек (рис. 1.60). Все устройство было помещено в вакуум. Свет практически полностью отражался от зеркальных крылышек, и его давление на них было вдвое большим, чем на зачерненные. Под давлением света устройство разворачивалось. По углу поворота П.Н.Лебедев* определил силу, приложенную к крылышкам за счет светового давления. Современные измерения показывают, что сила давления солнечного света, приложенная, например, в полдень к поверхности Земли площадью в один квадратный метр, равна 0,0004 H.
Свойства светового потока изучали многие поколения ученых: еще древним грекам был известен закон прямолинейного распространения света; И.Ньютон показал, что белый свет сложный, и разложил его на простые цвета; Х.Гюйгенс* высказал предположение о волновом характере света; Ог.Ж. Френель* развил эти взгляды; Дж.К. Максвелл доказал, что световая волна - это электромагнитные колебания; Р.Бунзен и Г.Кирхгоф 1.36 показали, как по линейчатым спектрам атомов можно проанализировать состав вещества; П.Н.Лебедев измерил давление света; М.Планк* выдвинул понятие кванта; уже в наше время появились источники когерентного света - лазеры; созданы и развиваются такие разделы физики, как нелинейная оптика и голография. Изучение свойств света продолжается.
de.ifmo.ru
Рейтинг публикации:
|
