Современник Ньютона нидерландский ученый Христиан Гюйгенс создал волновую теорию света. Согласно этой теории, свет является результатом механического колебания светящегося тела и поперечные световые волны распространяются от него в особой упругой среде - эфире, заполняющем все пространство.
В 1865 г. английский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны определенной длины, возникающие в результате колебаний электрических зарядов. От длины этих волн зависят свойства светового излучения. Но и электромагнитная теория света не смогла полностью объяснить всех оптических явлений.
Данные исследований световых явлений указывали, что в некоторых случаях свет проявляет свойства материальной частицы, а в других - свойства волны.
Ни одна из теорий, объясняющих природу света, не давала исчерпывающего ответа. Это означало, что для объяснения природы света необходима такая теория, которая бы объединила его корпускулярные и волновые свойства. Новая теория света была названа квантовой. Она возникла и получила свое дальнейшее развитие благодаря трудам М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, Э. Ферма, Л. Д. Ландау и других ученых и была окончательно сформулирована в начале XX в. Максом Планком и Альбертом Эйнштейном. Согласно квантовой теории, природа света является корпускулярно-волновой. Излучение, поглощение и распространение света осуществляется не непрерывно, а в виде определенных и неделимых порций энергии - квантов.
Впоследствии кванты света были названы фотонами. Обладая свойствами частицы, фотон имеет массу, энергию и импульс движения. Чем больше частота колебаний излучения, тем больше энергия и импульс движения фотона, тем отчетливее проявляются его корпускулярные свойства.
Фотон существует только в движении и не имеет массы покоя. При встрече с веществом он может быть поглощен частицей вещества, и тогда сам фотон исчезает, а его энергия и импульс передаются поглотившей его частице. Эйнштейн определил свет как поток фотонов. (11, с.22.)
Глава 3.1. Оптическое излучение
Оптическим излучением называется электромагнитное излучение, которое эффективно исследуется оптическими методами.
В электра и радиотехнике электромагнитные колебания характеризуются частотой n и реже длиной волны l , в оптике - длиной волны. Зависимость между длиной волны и частотой колебаний определяется выражением n = v/ln
где v — скорость света в данной оптической среде; ln — длина волны излучения в данной оптической среде.
Частота колебаний излучения остается постоянной в любой оптической среде, тогда как скорость света и длина волны изменяют свою величину. Длина волны оптического излучения измеряется в микрометрах (мкм), нанометрах (нм) и ангстремах (А), имеющих соотношение
1 м = 106 мкм=109 нм=1010 А.
Диапазон оптического излучения на шкале электромагнитных волн занимает незначительный участок и находится в пределах от 103 нм до 750 мкм
Шкала длин волн.
Оптическое излучение, подразделяется на четыре области:
- рентгеновскую - l=103- 10 нм;
- ультрафиолетовую - l =10 - 380 нм;
- видимую - l=380 - 770 нм;
- инфракрасную - l = 770 нм -750 мкм.
Указанные границы областей и диапазоны длин волн условны и даны для вакуума.
Видимая область оптического излучения воспринимается человеческим глазом и вызывает зрительные ощущения. Рентгеновская, ультрафиолетовая и инфракрасная области человеческим глазом не воспринимаются и являются невидимыми.
Таблица 1
| Цветовое восприятие | Длина волны, нм |
| Фиолетовый | 380-450 |
| Синий | 450-480 |
| Голубой | 480-510 |
| Зеленый | 510-550 |
| Желто-зеленый | 550-575 |
| Желтый | 575-585 |
| Оранжевый | 585-620 |
| Красный | 620-770 |
Оптическое излучение бывает монохроматическим и немонохроматическим
Монохроматическое - это излучение одной определенной длины волны или в очень узком диапазоне длин волн. От длины волны монохроматического излучения видимой области зависит его цветовое восприятие глазом.
В табл. 1 приведено цветовое восприятие человеческим глазом видимого излучения в зависимости от длины волны.
Приведенное цветовое восприятие света различных длин волн является примерным и зависит от индивидуальных особенностей глаза.
Для получения монохроматического излучения используются, отдельные типы оптических квантовых генераторов и газоразрядных ламп.
Большинство источников света испускает сложное по своему составу излучение, состоящее из ряда монохроматических излучений. Такое излучение называется не монохром этическим или сложным. Совместное действие монохроматических излучений во всем видимом диапазоне называется полным или интегральным излучением. Полное излучение воспринимается как «белый» дневной свет. Основным источником полного излучения является солнце, дающее излучение в диапазоне длин волн l от 200 до 800 нм.
Оптической средой называется такая среда, которая прозрачна для оптического излучения или хотя бы для какого-либо участка его диапазона. Характер распространения излучения зависит от свойств среды, в которой оно распространяется. К основным оптическим свойствам среды относятся изотропность, однородность, прозрачность, скорость распространения оптического излучения (скорость света). (7, с.317.)
В изотропных средах оптические свойства во всех направлениях одинаковы. Среды, у которых проявляется различие оптических свойств в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения, называются анизотропными.
В однородных средах во всем объеме обеспечивается постоянство оптических свойств и свет распространяется прямолинейно. В неоднородных средах прямолинейность искажается на участках с отличающимися оптическими свойствами.
Прозрачность среды влияет на величину потери световой энергии при прохождении излучения через данную среду. Чем ниже прозрачность среды, тем больше потери световой энергии. Оптическое стекло является основным материалом для изготовления оптических деталей, поэтому к нему предъявляются повышенные требования с точки зрения его однородности, изотропности и прозрачности.
Скорость распространения оптического излучения в различных средах не одинакова. Наибольшего значения она достигает в вакууме и составляет 300 000 км/с.
При переходе из одной оптической среды в другую скорость света изменяется. Она либо уменьшается, либо увеличивается. По этой причине на границе оптических сред световые лучи изменяют направление, отклоняясь от первоначального, т.е. преломляются.
Отношение скорости оптического излучения в вакууме с к скорости его в данной оптической среде v называется абсолютным показателем преломления или просто показателем преломления п
n = c / v
Показатель преломления для оптического стекла является одной из основных характеристик, так как от его значений зависит преломляющее действие оптических деталей. Значения п для каждой марки стекла должны быть строго определенными, поскольку они учитываются при конструировании и расчетах оптических систем. Показатель преломления оптического стекла измеряется на приборе, называемом рефрактометром.
Ниже приведены показатели преломления отдельных сред:
Таблица 2. Показатели преломления отдельных сред
| Стекло оптическое | 1.45 – 2.00 |
| Кварц кристаллический | 1.55 |
| Бальзам (клей оптический) | 1.54 |
| Алмаз | 2.42 |
| Лед | 1.31 |
| Вода | 1.33 |
| Воздух | 1.0003 |
На практике показатель преломления воздуха при p=700 мм рт. ст. и t° = 20°С принимается равным единице. Показатели преломления сред определяются относительно воздуха и называются относительными.
Глава 3.1. Дисперсия света
Скорость распространения света в одной и той же среде зависит от длины волны излучения, следовательно, и величина показателя преломления n зависит от длины волны. Показатель преломления среды является функцией длины волны: n=f(l). Зависимость показателя преломления оптической среды от длины волны светового излучения называется дисперсией света. (7, с.388.)
Если показатель преломления среды с увеличением длины волны уменьшается, то такая дисперсия называется нормальной. Прозрачные вещества, в том числе и оптическое стекло, имеют нормальную дисперсию.
В видимой области оптического диапазона излучения для. фиолетового света среда имеет самый большой показатель преломления, а при красном свете - наименьший.
В области полос поглощения вещества и вблизи них происходит нарушение нормальной дисперсии: показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны. В таком случае дисперсия называется аномальной.
Дисперсия света является причиной разложения естественного белого света на монохроматические составляющие - спектр - при прохождении его через преломляющую дисперсионную призму (рис. 3).
Естественный свет, состоящий из монохроматических излучений с длинами волн l1, l2, …, l7 пройдя призму 1, оказывается разложенным на его составляющие, которые наблюдаются на экране в виде цветных полос.
Спектр белого света в порядке убывания длин волн состоит из семи цветов, плавно переходящих друг в друга: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.
Спектром называется совокупность монохроматических излучений, входящих в состав сложного излучения. Шкала электромагнитных волн представляет собой их спектр, где излучения распределены последовательно в зависимости от длины волны. (7, с.406.)