Глава 9. Основы оптика

§ 9.1. Корпускулярная и волновая теории света

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину

,

где частота соответствует частоте излучённого света, а h есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.

Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Использование представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Обе теории объясняют прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Многообразие изученных свойств, законов взаимодействия света с веществом, законов распространения света привело к выводу, что ограничиться только одной из этих теорий для объяснения всех явлений невозможно. В световых явлениях наблюдается дуализм (двойственность) корпускулярных и волновых свойств.

Корпускулярная теория объясняет законы взаимодействия света с веществом, например, поглощение, рассеяние, излучение.

Согласно квантовой теории света (по Эйнштейну) излучение, поглощение и распространение света происходит в виде потока световых квантов — фотонов, энергия которых

Волновая теория объясняет законы распространена света, например, интерференцию, дифракцию.

Принцип Гюйгенса - каждая точка среды, до которой доходит волна, служит источником вторичных волн, а огибающая этих волн представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени.

Волновая поверхность — геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

§ 9.2. Основные законы оптики

Закон прямолинейного распространения света - свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Закон отражения - отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол отражения β равен углу падения α (рис. 9.1):

Закон преломления - луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения луча лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред (рис. 9.1):

где относительный показатель преломления (показатель преломления второй среды относительно первой).

Отраженный луч

Преломленный луч

Падающий луч

1

β

α

γ

2

Рис. 9.1

Отраженный луч

Преломленный луч

Падающий луч

1

β

α

γ

2

Рис. 9.1

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их скорости υ в среде: