Природа світла#
Оптика як наука про світло#
Світло являє собою електромагнітні хвилі, які сприймає око людини. Діапазон довжин цих хвиль охоплює довжини від 380 нм (фіолетове світло) до 760 нм (червоне світло).
Випромінювання світла відбувається внаслідок процесів всередині атомів. Джерела світла поділяються на дві категорії:
Природні: зорі, Сонце, блискавка, світлячок тощо
Штучні: батареї, свічки, факел, електрична лампа
Оптика (від грец. optikē - наука про зір; optos - видимий) - це розділ фізики, що вивчає явища, пов'язані з поширенням електромагнітних хвиль видимого діапазону та їх взаємодією з речовинами.
Сучасна оптика також досліджує:
Інфрачервоне випромінювання (довжина хвилі 760 нм - 1 мм)
Ультрафіолетове випромінювання (довжина хвилі 10-380 нм)
Основні розділи оптики#
Геометрична оптика:
Вивчає поширення, відбивання і заломлення світла
Не пояснює природу світла
Базується на променевій моделі світла
Хвильова оптика:
Розглядає світло як електромагнітні хвилі певної частоти
Пояснює явища інтерференції, дифракції та поляризації
Квантова оптика:
Розглядає світло як потік частинок - фотонів, що мають енергію, але не мають маси
Історичний розвиток теорій світла#
Наприкінці XVII століття виникли дві конкуруючі теорії природи світла:
Корпускулярна теорія Ісаака Ньютона (1643-1727):
Світло розглядалося як потік корпускул (частинок)
Рух світлових частинок підпорядковувався законам механіки
Відбивання світла пояснювалось пружним відбиванням корпускул
Ньютон розробив теорію кольору, згідно з якою біле світло є сумішшю світла різних кольорів, а предмети здаються кольоровими, оскільки ці предмети більш інтенсивно відбивають певні складові білого кольору
Експериментально довів це за допомогою призми, розклавши біле світло в спектр
Його праця "Оптика" (1704 р.) стала основним джерелом у створенні підручників
Хибний висновок із теорії: швидкість світла в середовищі є більшою, ніж у вакуумі
Ця теорія не могла пояснити, чому світлові пучки, що перетинаються, не впливають один на одного
Хвильова теорія Крістіана Гюйгенса (1629-1695):
Світло розглядалося як поздовжні механічні хвилі
Хвилі поширюються в світовому ефірі (гіпотетичному пружному середовищі, яке заповнює весь світовий простір)
У цій теорії важливий принцип Гюйгенса (сучасна назва "принцип Гюйгенса-Френеля") про поширення хвильового фронтуь
Пояснив явища відбивання і заломлення світла
Пояснив принцип незалежності поширення світлових променів
Не зміг пояснити утворення кольорів
Принцип Гюйгенса-Френеля: Кожна точка середовища, до якої дійшла хвиля, стає джерелом вторинної хвилі, а обвідна вторинних хвиль дає положення хвильового фронту в наступний момент часу.
Заломлення світла згідно з принципом Гюйгенса-Френеля. Автор: Arne Nordmann, CC BY-SA 3.0, Посилання
Дифракція на щілині згідно з принципом Гюйгенса. Автор: Arne Nordmann CC BY-SA 3.0, Посилання
Формування сучасних уявлень#
У 60-х роках XIX століття Джеймс Максвелл створив теорію електромагнітного поля, яка:
Довела можливість існування електромагнітних хвиль
Встановила швидкість поширення електромагнітних хвиль (\(c ≈ 300 000\) км/с)
Показала, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль
Електромагнітна теорія світла, однак, не могла пояснити деякі явища:
Поглинання й випромінювання світла
Фотоефект (випромінювання електронів з поверхні речовини під дією світла)
Ці явища пояснила квантова теорія світла, основи якої заклав у 1900 році Макс Планк (1858-1947). Згідно з цією теорією:
Світло випромінюється, поширюється та поглинається квантами
Кожний квант поводиться як частинка
Сукупність квантів поводиться як хвиля
Така подвійна природа світла отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм
У сучасній фізиці квантові уявлення не суперечать хвильовим, а поєднуються на основах квантової механіки і квантової електродинаміки.
Вимірювання швидкості поширення світла
Історія вимірювання швидкості світла має цікавий розвиток. Галілео Галілей був першим, хто припустив, що світло поширюється зі скінченною, хоча й дуже великою швидкістю. Він навіть спробував виміряти цю швидкість, але його спроба виявилася невдалою через обмеження тогочасних технологій.
Хронологія визначення швидкості світла:
Оле Крістенсен Ремер (1644-1710):
Перший успішно виміряв швидкість світла в 1676 році
Спостерігав затемнення супутника Юпітера Іо
Його метод базувався на астрономічних спостереженнях
Арман Іпполіт Луї Фізо (1819-1896):
У 1849 році запропонував новий спосіб визначення швидкості світла за допомогою зубчатих коліс, що швидко обертаються
Провів перше експериментальне вимірювання швидкості світла на Землі
Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931):
Значно вдосконалив методику вимірювання швидкості світла
У 1924-1927 роках провів серію точних вимірювань у Каліфорнії, використавши дві гірські вершини
Експериментальна установка включала:
Дугову лампу як джерело світла
Призму, що оберталася
Систему дзеркал
Зорову трубу
Відстань між вершинами гір становила 35426 м
Принцип вимірювання Майкельсона:
Світло проходило крізь щілину і падало на призму з 8 дзеркальними гранями
Відбившись від грані призми, світло прямувало до системи дзеркал на горі Сан-Антоніо
Світло поверталося тим самим шляхом
Призма оберталася так, що за час проходження світла від призми до дзеркал і назад вона поверталася на 1/8 оберту
Для розрахунку швидкості світла Майкельсон використовував формули: \(v = \frac{2l}{t}\), де \(t = \frac{1/8 \text{ оберту}}{n}\)
де:
\(l\) - відстань між вершинами
\(n\) - кількість обертів призми за секунду (частота обертання)
За результатами вимірювань Майкельсона середнє значення швидкості поширення світла становило 299 798 км/с, що дуже близько до сучасного значення.
Ці експерименти мали величезне значення для розвитку фізики, оскільки:
Підтвердили теоретичні передбачення Максвелла
Надали точне значення однієї з фундаментальних констант
Допомогли в подальшому розвитку теорії відносності