ОПТИКА

1. Вступ

1.1. Предмет оптика

Оптика – розділ фізики, в якому вивчаються оптичне випромінювання, процеси його поширення і явища, що спостерігаються при взаємодії світла та речовини.

Поняття «світло» охоплює не тільки видиме світло, але й прилеглі до нього широкі ділянки спектра електромагнітних хвиль – інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Сучасна оптика вивчає ділянку спектра від м’якого рентгенівського випромінювання до радіохвиль міліметрового діапазону.

Оптика розділяється на геометричну, фізичну і фізіологічну.

Геометрична оптикане розглядає питання про природу світла, виходить з емпіричних законів його поширення (основна мета – розрахунок і конструювання оптичних приладів).

Фізична оптикарозглядає проблеми, пов’язані з природою світла і світлових явищ.

Фізіологічна оптикавивчає закономірності сприйняття світла оком людини.

1.2. Історичний огляд

Оптика – стародавня наука. Питання про природу світла та закони його поширення зацікавили грецьких філософів ще до нашої ери. Так, у трактатах Евкліда "Оптика" і "Катоптрика" (III ст. до н. є.) на основі уявлень про світло як промені, що виходять з ока, сформульовано закони прямолінійного поширення світла та рівності кутів падіння і відбивання. Протилежну думку на природу світла висловив Лукрецій (бл. 96-55 до н. є.) у поемі «Про природу речей». Він вважав, що світло випускається світними тілами у вигляді досить малих зліпків.

На початку XVII ст. було винайдено мікроскоп і зорову трубу, які широко застосовуються і зараз.

Саме в той час перед фізиками постав ряд питань: що являє собою світло; що саме поширюється по прямій лінії, відбивається, заломлюється; що надає тілам колір, несе із собою тепло; що утворює, пройшовши через лінзу, зображення; що діє на сітківку ока?

Р. Декарт при виведенні законів відбивання і заломлення вважав, що світло являє собою потік частинок. Р. Гук вважав, що світло – це процес поширення імпульсів деформацій стиску раптово або з досить великою швидкістю. И. Марці і Ф. Грімальді також вважали, що світло являє собою процес поширення хвиль із великою швидкістю.

Розрізнені відомості про природу світла було систематизовано, на основі чого створено теорію про корпускулярну природу світла, основоположником якої є І. Ньютон. Властивість світла поширюватись прямолінійно, мабуть, спричинила те, що І. Ньютон віддав перевагу корпускулярній теорії. Згідно з цією теорією світло складається з дрібних частинок (корпускул), які випромінюються світними тілами.

Поряд із корпускулярною теорією Ньютона розвивалась протилежна за своїм змістом теорія про хвильову природу світла, основоположником якої був X. Гюйгенс. Він вважав, що світло являє собою процес поширення поздовжніх хвиль у певному світлоносному середовищі – ефірі, який заповнює весь простір і проміжки між частинками тіл. Якщо коливаннями частинок ефіру знехтувати, то рівняння, що описують поширення хвиль, будуть лінійними. У цьому випадку справджується принцип суперпозиції хвиль, який у хвильовій теорії є математичним виразом закону незалежності поширення світлових пучків.

На початку XIX ст. інтенсивно розвивається математична теорія коливань і хвиль, яка широко застосовується для пояснення ряду оптичних явищ. Результати роботи Т. Юнга і особливо О. Френеля з вивчення явищ інтерференції і дифракції світла свідчили на користь хвильової теорії. На основі уявлень про хвильову природу світла була розроблена теорія дифракції й інтерференції світла.

У 60-х роках XIX ст. Дж. Максвелл, аналізуючи експериментальні дані з вивчення електричних і магнітних явищ, встановив загальні закони електромагнітного поля, які в математичній формі виражались у вигляді класичних рівнянь Максвелла. Він теоретично передбачав існування електромагнітних хвиль, які поширюються із скінченною швидкістю, а також дійшов висновку, що вчення про світло є окремим випадком його теорії електромагнітного поля. Об’єднавши електромагнетизм та оптику, Дж. Максвелл досяг синтезу, подібного якому історія фізики не знає.

Незважаючи на значні успіхи електромагнітної теорії світла, наприкінці XIX ст. було відкрито ряд явищ, які неможливо пояснити в її межах. Для виходу з цих утруднень М. Планк у 1900 р. висунув гіпотезу, що світло випромінюється не безперервно, а певними порціями, або квантами енергії. Розвиваючи ідеї Планка, А. Ейнштейн припустив, що світло не тільки випромінюється, а й поглинається і поширюється в просторі у вигляді певних порцій енергії – квантів світла, які мають певну енергію та імпульс. Так знову відродилось уявлення про світлові частинки, які пізніше назвали фотонами.

Інтерференція, дифракція, поляризація світла доводять, що світло в цих явищах поводить себе як хвилі. Фотоефект, фотохімічні реакції, комптонівське розсіяння рентгенівських променів та ряд інших явищ переконливо доводять, що тут світло діє як частинки. Таким чином, явища поширення світла правильно описані хвильовою теорією, а взаємодія світла з речовиною – корпускулярною. Цей дуалізм хвиль і частинок треба розглядати як експериментальний факт, і тому повна теорія про природу світла має бути не корпускулярною і не хвильовою, а корпускулярно-хвильовою.

Хвильова електромагнітна і корпускулярна квантова теорії не заперечують одна одну, а навпаки, взаємно доповнюють, відображаючи цим самим двоїстий характер властивостей світла. Фотонна теорія не заперечує старих уявлень про світло, а вимагає поєднання концепції фотонів з концепцією електромагнітних хвиль. Фотонна теорія являє собою одну із складових атомної фізики.

З розвитком уявлень про фотони розвивались і поглиблювалися уявлення про будову атомів та процеси взаємодії атомів з електромагнітним випромінюванням. Результатом такого розвитку стало створення в 1954-1063 роках лазерів. Завдяки тому, що випромінювання лазерів монохроматичне, когерентне, має малу розбіжність пучка і велику густину потоку енергії, почали розвиватись голографія та нелінійна оптика, основи якої були закладені ще в тридцятих роках С.І. Вавиловим. Голографія дала можливість одержати об’ємне кольорове зображення об’єктів макроскопічних розмірів, створила нову гілку оптики. Здатність лазерного випромінювання поширюватись у дуже тонких прозорих плівках сприяла розвитку інтегральної оптики. Модульоване випромінювання лазера уможливило обробку сигналів в оптичних лініях зв’язку.

Розвиток оптики привів до виникнення абсолютно нових наукових і технічних направлень, а це дало змогу поширити методи оптики на розв’язок сучасних задач (термоядерний синтез). Це підтверджує динамічність оптики, що властиво наукам, які знаходяться на передньому краї знань.