Явища фізичної оптики

Перші наукові уявлення про те, що таке насправді світло, вчені відносять до давнини. Переважна більшість древніх мислителів розглядало світлове явище як універсальні промені, що з’єднують в одне ціле людське око і світиться тіло. При цьому одні з них стверджували, що промені виходять безпосередньо з очей людини, вони ніби намагаються намацати даний об’єкт. Однак пізніше, до початку XVII століття, таке вчення про природу світла втратило своє значення.

Фізична оптика – великий і важливий розділ фізики, в якому досліджуються властивості і природа електромагнітного випромінювання, активна взаємодія різних видів випромінювання з навколишнім середовищем, закони перетворення явища, що спостерігається при проходженні його через оптичні пристрої.

Принципи побудови оптико-фізичних концепцій на сьогоднішній день також належать до сфери цієї науки.

Фізична оптика ретельно вивчає природу світла, його основні закони, розглядаючи такі його властивості:

  • дифракцію;
  • інтерференцію;
  • поляризацію світла;
  • фотоелектричний ефект;
  • явища, безпосередньо пов’язані з хвильової природою світла.

Фізична оптика як універсальний відділ електродинаміки
Фізична оптика формує універсальний відділ електродинаміки, який охоплює швидко мінливі електромагнітні поля. Особливе її значення полягає в тому, що вона досліджує ту область фізики, де відбуваються найбільш тонкі вимірювання і в результаті цього можливо найбільш глибоке розуміння всіх подробиць фізичних процесів.

Разом з тим у фізичній оптиці значно ясніше, ніж в інших наукових областях, проявляється досить незвичайна тенденція дослідження – залишити вихідну точку в вигляді чуттєвих відчуттів і вибудувати тим самим правильні поняття на більш об’єктивних підставах. У той час як основні оптичні поняття – поняття кольору і світла – виникали спочатку з вражень людського ока, в сучасній фізиці ці визначення не мають нічого спільного з такими відчуттями, проте відносяться до періодів коливань і електромагнітних полів.

Такий розвиток фізичної оптики як відділу електродинаміки цілком виправдовується принесеними їм багатими і значущими для всієї науки плодами.

Методи зазначеного напряму у фізиці використовуються для вирішення різноманітних практичних завдань. При цьому ключова мета таких завдань часто полягає у вивченні оптичного випромінювання і у визначенні точних параметрів розглянутого предмета за тими відомостями, які містяться в цьому явищі при тісній взаємодії його з іншим речовиною.

Способи фізичної оптики вважаються вельми універсальним; вони застосовуються, як в задачах розсіювання магнітних хвиль на рівних повністю або частково освітлених елементах, так і в просторах, де предметом розсіювання виступають матеріальні тіла з крайками.

Трохи гірше оптика фізичних явищ функціонує в питаннях розподілу хвиль на речовинах з сильними зламами поверхні, в результаті точність її виявляється задовільною тільки в напрямках геометричних відображень. У тих напрямках, де головна роль належить крайовим хвилях, методи досліджуваного розділу дає невірні результати.

Основні закони явищ фізичної оптики

Уже в період проведення перших оптичних досліджень були експериментально встановлені наступні чотири основних закони явищ фізичної оптики:

  • закон самостійності світлових пучків;
  • закон прямолінійного розподілу світла;
  • закон повноцінного відображення від дзеркальної поверхні;
  • закон заломлення світлових променів на кордоні двох прозорих середовищ.

Подальше вивчення та реалізація на практиці цих законів продемонстрували, що вони мають не тільки набагато глибший сенс, ніж може здатися з першого погляду, а й обмеженість їх застосування так як не вважаються лише наближеними до дійсності теоріями. Встановлення меж застосування і умов головних оптичних законів означало величезні прогрес в розгляді властивостей природи світла. Більш ретельне дослідження описуваних процесів показує, що гіпотеза прямолінійного поширення світлових променів втрачає силу, якщо перейти до дуже малим отворів.

Закони заломлення і відбиття світла також справедливі і можливі тільки при дотриманні всіх відомих умов. У тому випадку, коли параметр відображає поверхні, що розділяє дві активні діяльні середовища, малий виникають помітні відступи від зазначених постулатів фізичної оптики. Однак для великої сфери явищ, які спостерігаються в простих оптичних приладах, всі вищевказані закони дотримуються завжди досить строго.

Ідеальні оптичні системи

Вчений Гаусс в 1841 році описав першу загальну теорію оптичних систем, що отримала подальший розвиток в роботах багатьох математиків і фізиків. Теорія Гаусса є гіпотезу ідеальних системи, в яких зберігається енергія пучків і зображення, геометрично подібне об’єкту. Відповідно до цієї ідеї, визначення будь-якої точки простору предметів має відповідати ідеальній системі відліку. Такі елементи звуться зв’язані точки. Таким чином, теорія ідеальної фізичної системи в оптиці є тільки геометричне припущення, що встановлює співвідношення між лініями, точками і площинами.

Ідеальна система в фізична оптиці може бути здійснена з певним наближенням у вигляді центрованої концепції, якщо обмежитися середовищем поблизу центральної осі симетрії, тобто параксіальними пучками. У працях Гаусса вимога «тонкощі» оптичної системи відпадає, але промені залишаються незмінними.

Завданням геометричній оптики є розвідку такої оптичної системи, яка максимально наближалася б до ідеальної.

Лінія, що з’єднує всі центри сферичних поверхонь, називається основною оптичною віссю, що вивчається.

Теорія Гаусса встановлює і описує ряд так званих площин, завдання яких полягає в розшифровці показників концепції і розгляді реального ходу променів. Будь-яка точка лінії завжди пов’язана з іншим елементом, що лежить на аналогічній висоті. Те саме можна сказати і до площин, які проведеним перпендикулярно до центральної осі, так як вся система симетрична щодо даного положення. Такі площині у фізичній оптиці називаються головними площинами.

Таким чином, ідеальна оптична концепція повинна володіти центральними площинами. Точки перетину головних ліній з віссю носять назву ключових точок системи.

Роль фізичної оптики в розвитку сучасної фізики

Роль оптики в розвитку сучасної фізики велика. Виникнення двох найбільш важливих і революційних гіпотез двадцятого століття (теорії відносності і квантової механіки) безпосередньо пов’язане з оптичними дослідженнями.

Оптичні методи аналізу речовини на молекулярному рівні стали причиною виникнення спеціального наукового напряму – молекулярної оптики.

До неї тісно примикає оптична спектроскопія, вживана в сучасному матеріалознавстві, при дослідженнях плазми, в астрофізиці. Існують також нейтронна і електронна оптики; розроблені електронний мікроскоп і нейтронне дзеркало.

Закони загального побудови зображення служать базою для розробки різноманітних оптичних приладів. Основною частиною будь-якого пристрою в області фізичної оптики є деяка оптична концепція. Сфера явищ, досліджувана цим розділом фізики, дуже велика.

Оптичні процеси найтіснішим чином пов’язані з явищами, що розглядаються в інших розділах науки, а методи дослідження у фізичній оптиці відносять до найбільш тонким і точним. Тому не дивно, що протягом тривалого часу саме цього наукового напрямку належала провідна роль у багатьох фундаментальних експериментах і становленні основних фізичних поглядів. Винахід сучасних лазерів відкрило нові найширші можливості не тільки в оптиці, але і в різних галузях техніки.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Явища фізичної оптики