II Развитие учения о свете

II Развитие учения о свете.
Оптика
–
одна
из
древнейших
наук,
постоянно
развивающаяся,
обогащающаяся за счѐт смежных наук и их обогащающая. В настоящее время
одна из фундаментальных физических наук, постоянно обогащающаяся
открытием новых явлений.
Важнейшей проблемой является и всегда был вопрос о природе света.
Античные мыслители пытались понять сущность оптических явлений,
исходя из зрительных ощущений. Древние индусы наделяли глаз "огненной
природой".
Греческий математик и философ Пифагор считал, что из глаз исходят
горячие испарения и поэтому глаз видит.
Эти взгляды закладывали основы теории зрительных лучей, позднее
просто лучей.
Эвклид (300л. до н.э.) - зрительные лучи исходят из глаз, ощупывают
предмет и создают зрительное ощущение. Здесь заложены основы законов
прямолинейности распространения света (законы отражения света от зеркал).
Птоломей поставил вопрос о преломлении света.
Архимед (Шв. до н.э.) знал действие вогнутых зеркал.
Определѐнный шаг вперед сделал основоположник атомистики Демокрит,
он считал, что зрение - падение на поверхность глаза мелких частиц корпускул, испущенных телом.
Представления древних основывались на наблюдениях внешнего мира,
явлений природы - созерцании. Учения древних носили умозрительный
характер. Не было эксперимента.
Большие достижения достигнуты в оптике на Востоке. Арабский
мыслитель и учѐный Альгазен развил ряд представлений о глазе. Изучая глаз,
преломление от вогнутых зеркал Альгазен указал, что между углом падения и
преломления нет прямой пропорциональности, Что послужило толчком к
поискам закона преломления.
Затем последовали века мрака, давшие науке очень мало. И только в эпоху
Возрождения началось бурное развитие науки, техники, ремѐсел. Побеждает
экспериментальный метод в науке. Делается ряд открытий и изобретений.
Итальянец
Порта
создал
камеру-обскуру
–
прообраз
современного
фотоаппарата. Голландец Янсен создал микроскоп. Были созданы очки и
зрительная труба.
Немецкому физику и астроному Кеплеру принадлежат фундаментальные
работы по теории оптических инструментов и физиологической оптике. Был
установлен закон преломления (сформулирован) Снеллиусом и в современной
форме сформулирован Декартом. Декарт считал, что свет представляет собой
давление, которое светящиеся тела производят на окружающую среду. Это
давление передается особой средой, состоящей из частиц. Он считал, что это
давление передается мгновенно. Большое значение для геометрической оптики
имел принцип, сформулированный Ферма.
В ХVII в. в физике все законы и явления пытались свести к законам
механики. ХVII век – век триумфа Ньютоновской механики. Законы
распространения света, дисперсия - теория цветов были рассмотрены
Ньютоном и объяснены на основе теории истечения: тела испускают частицы:
крупные – красные, самые мелкие – фиолетовые. Но уже в объяснении законов
преломления и отражения были определѐнные трудности. И совсем теория
корпускулярная Ньютона не объясняла явление дифракции, описанное
Гримальди (I6I8-I663). Гримальди высказал предположение, что эти явления
можно объяснить, что свет представляет собой волнообразное движение. Он же
высказал правильную догадку, о том, что различие цветов связано с различием
частоты световых колебаний («различием в скорости колебаний светового
вещества»). Появилась тенденция дать объяснение световых явлений с двух
противоположных точек зрения: с точки зрения о свете, как корпускулярном
явлении и с точки зрения волновой природы света.
Эта борьба двух воззрений, отражавших прерывные и непрерывные
свойства объективных явлений природы, естественным образом отражала
диалектическую
сущность
материи
и
еѐ
движения,
как
единства
противоположностей.
Благодаря огромному авторитету Ньютона корпускулярная теория только в
конце XVIII века - начале XIX уступила волновой, которая была создана
трудами английского ученого Р.Гука, голландца X.Гюйгенса. Гук считал, что
свет – быстрое колебательное движение (импульсы), которое распространяется
от источника в пространстве в виде сферических волн. Эти колебания
распространяются в особой среде – эфире, заполняющем всѐ пространство.
Свет – волнообразное движение эфира. Гук считал волны поперечными.
Гюйгенс сформулировал принцип, который дал возможность проводить
кинематический
анализ
волнового
движения
и
установил
различные
закономерности. Но Гюйгенс считал световые волны продольными и поэтому
не мог объяснить многое (поляризация, прямолинейность распространения и
т.д.).
Все эти недостатки волновой теории способствовали тому, что так долго
господствовали теория истечения Ньютона. Между двумя теориями шла
яростная борьба.
В XIX веке победила волновая теория благодаря работам Юнга, Френеля,
Араго. Было установлено, что световые волны поперечны. Принцип Гюйгенса,
дополненный принципом интерференции Френеля, позволил объяснить
явления дифракции и прямолинейности распространения света. Но были и
трудности. Так эфир, который считался носителем световых волн, должен был
обладать взаимоисключающими друг друга свойствами. Он должен был быть
абсолютно
прозрачным,
не
оказывать
никакого
сопротивления
распространению света и обладать свойствами абсолютно упругого твѐрдого
тела. Параллельно развивалось учение об электричестве и магнетизме.
В 1365 г. Максвеллом были сформулированы уравнения, объединяющие
электрические и магнитные явления. Создана теория электромагнитного поля.
Опыты Физо и Майкельсона по измерению скорости света доказали отсутствие
эфира. Нет эфира, есть единое электромагнитное поле. Электрическая теория
объединила два крупных раздела физики: электричество и оптику.
Волновая электромагнитная теория восторжествовала и в оптике. Ничто не
предвещало еѐ ограниченности. Но был открыт фотоэффект, установлена
прерывистость
процесса
излучения,
обнаружена
«ультрафиолетовая
катастрофа», затруднения теории теплоѐмкости и пошатнулись позиции
волновой электромагнитной теории.
XX век, развивается квантовая теория. Но одновременно с принятием
представлений о прерывности излучения - порциями, квантами выясняется
дуалиям материи, единство прерывного и непрерывного. Дуалиям волн и
частиц. Часть явлений хорошо объясняется с точки зрения волновой теории,
часть - квантовой, корпускулярной. Прерывное и непрерывное диалектически
связаны. Это две стороны одного явления. Лучистая энергия распространяется
в виде электромагнитного поля - поля излучения.
С другой стороны Планком было введено представление о лучистом
потоке, как о движении материальной частицы – фотона с энергией h
mc 2 .
Эти частицы дискретно поглощаются и излучаются. Масса их
m
h
c
2
.
Диалектическое единство прерывного и непрерывного установлено, они не
противоречат, а дополняют друг друга.
В первой половине XX века разрабатывается аппарат квантовой механики.
Развитие оптики идет по пути накопления экспериментальных фактов, их
осмысливания в рамках квантовой теории. Бее встало на свое место. Развитие
оптики и ее разделов (прикладной оптики, физической оптики, спектроскопии теории спектров атомов, молекул, твердых тел) не предвещало никакого нового
взрыва. Оптика даже, как то отошла с передовых рубежей физики, уступив
место теория полупроводников, ядерной физике, физике космических лучей.
И вот в 60-е годы появились новые источники света - лазеры - источники
высокой когерентности и мощности. Сразу же появились исследования в самых
различных направлениях. Возник интерес к математическому описанию
процесса разложения оптического сигнала в спектр, разложение сигнала
изображения на его составляющие и обратный процесс - синтез сигнала по его
составляющим при образовании изображения. Появилась Фурье-оптика,
добившаяся к настоящему времени больших успехов в создании устройств,
распознающих образы, фильтрующих изображения и т.д.
Оказалось, что мощное лазерное излучение, взаимодействуя с веществом,
даѐт неизвестные ранее эффекты., такие как самофокусировка, многофотонная
ионизация и возбуждение, удвоение, утроение и т.д. частот излучения.
Появилась нелинейная оптика.
Из применений лазеров возникла голография, не только как способ
получения изображения, но как метод, проникающий во многие области науки
и техники.
В последние годы - интегральная оптика, оптика новых элементов, по типу
интегральной микроэлектроники.
Сейчас оптика, как спектроскопия, вышла на передовые рубежи науки.
Очень много вопросов и проблем ждут своего решения.
III Природа излучения.
Природа излучения - тот вопрос, который был основным в оптике с
древнейших времен. Оптика прошла развитие от наивного материализма
древних философов до современных квантовых представлений.
Свет
-
электромагнитное
поле
с
точки
зрения
классической
электромагнитной теории, электромагнитные волны определенного диапазона
длин волн. Традиционная область шкалы электромагнитных волн, которую
занимает оптика - оптический диапазон:
видимый диапазон
360-760 нм
ИК-область
100-200 мкм
УФ-область
5-360 нм
ИК-область - ближняя, средняя, дальняя; УФ-область - ближняя до 200 нм,
дальняя 180-5нм (вакуумная, Шумановская).
1 нм = 10–9 м; 1 мкм = 10–6 м; 1 А0 = 10–1 мм.
λ = cT =
с
E
h
h
c
Часто применяется излучение в волновых числах –
λ = 1000 нм = 1 мкм = 10–4 см
~
0
n
1
~ [см–1]
10 4 см 1
Видимая область спектра соответствует частоте
λ=
с
3 10 8
5 10 7
10 15 Гц
λ = 500 нм – зелѐный свет.
Деление шкалы электромагнитных волн на диапазоны условно. Жестких
границ между ними нет. Речь идет об одном электромагнитном поле, начиная с
электрических колебаний, возникающих в колебательном контуре ν ~ десятки
Гц, и кончая короткими γ-лучами с ν ~ 1035 Гц. Природа одна электромагнитное поле, но различны методы генерации, свойства, характер
взаимодействия с веществом, обусловленное различием ν, различны и способы
регистрации.
Низкочастотные колебания возникают в электрических машинах. Затем
идут радиотехнические методы генерации - до микроволнового диапазона.
Далее радиоволны перекрываются с ИК-областью. Одни и те же частоты могут
быть получены радиотехническими методами и за счет перестройки состояний
сложных молекул, дающих ИК-спектр.
В сложных молекулах существует несколько возможных движений:
колебание электронов, точнее электронного облака - его перестройка,
колебание ядер атомов молекулы вокруг положения равновесия и вращение
молекулы вокруг трѐх взаимно перпендикулярных осей. Все эти три вида
движения
характеризуются
энергией,
которая
изменяется
дискретно.
Изменение электронной, колебательной и вращательной энергий сложной
молекулы сопровождается появлением спектров излучения или поглощения,
лежащих от далекой ИК-области до УФ.
Источником сплошного ИК-излучения являются нагретые твердые тела.
(Электроны в нагретых телах движутся хаотически с большими скоростями и
испытывают торможение при столкновении с остовом решетки. А любое
движение
с
ускорением
сопровождается
излучением
–
по
закону
электродинамики. При этом излучается импульс, величина которого зависит от
скорости электрона. Излучение имеет сплошной спектр, т.к. кинетическая
энергия электрона не квантуется).
Видимый диапазон получается в основном от перестройки электронных
оболочек атомов и молекул. Сплошное излучение – излучение нагретых до
высокой температуры твердых тел.
IV Поверхностная плотность лучистого потока, освещѐнность и светимость.
Освещенность характеризует освещенную поверхность.
Светимость характеризует светящееся тело.
E и R являются лучистым потоком,
приходящимся на единицу площади.
Пусть на d падает dФ , тогда освещенность
i
n
(по всем направлениям)
dσ
E
dФ
d
.
Частный случай можно рассмотреть, когда пучок лучей падает
параллельно на площадку. Наклонно падает пучок на d . Можно взять
площадку на которую пучок падает нормально d n .
Тогда нормальная освещѐнность
En
d n
dФ
dФ
E
d n
d cos i
cos i
d cos i ,
E
,
E n cos i .
Освещѐнность и светимость зависят не от направления, а от места на
поверхности, т.е. изменяется по поверхности.
IV Яркость.
Наиболее локальная характеристика, как источника, освещѐнной
поверхности, так и любого сечения светового потока.
Яркость зависит как от направления, так и от координаты точки на
поверхности. Поток, идущий в элементарном угле d ,
зависит от него и от величины и
dФ
ориентации площадки
по
d
отношению
к
выбранному
направлению. Т.е. удобнее взять
проекцию
на
плоскость,
d
i
перпендикулярную оси телесного
n
dσ
угла.
Эта проекция будет d cos i . Тогда лучистый поток, распространяющийся в
направлении, составляющем угол i с нормалью, в единичном телесном угле, с
единичной площадки и будет характеризоваться яркостью B.
B
d 2Ф
d
d
cos i
отношение лучистого потока, исходящего с элемента светящейся
поверхности, к площади проекции этого элемента на плоскость,
перпендикулярную направлению наблюдения и к величине телесного угла, в
пределах которого распространяется этот лучистый поток.
Или иначе:
Так как I
dФ
d
, то B
dI
d cos i
.
Если известна яркость, то можно определить лучистый поток
d 2Ф
Bd d cos i
Ф
Bd d cos i .
Если же поверхность равно яркая, т.е. B не зависит от направления и
координаты точки на поверхности, то
Ф
B d
d cos i
B
cos i .
В оптических системах обычно известен поток, входящий в систему
Ф0
B0 S 0 0
если
нет
энергии
Ф1
потерь
S0
В0
S1
Ω0
Ω1
В1
Ф0
B1S1 1
B0 S 0 0
Зная параметры установки, т.е. S 0 , S1 , 0 , 1 , можно по известной яркости B 0
найти B1 . Это возможно в любом сечении.
Одновременно с яркостью источника существует понятие яркости
поверхности, яркости пучка.
V Количество обличения, экспозиция.
Для оценки полной энергии, пришедшей на облучаемую поверхность за
конечный промежуток времени вводится понятие экспозиции, или количества
облучения.
Экспозиция ─ энергия, пришедшая за конечный промежуток времени на
единицу облучаемой поверхности.
За время dt на элемент d приходит энергия dW , еѐ можно выразить
через поток
dW Фdt .
На единицу, площади за время dt придѐт
dW
dQ
d
Edt .
Полное количество облучения
t2
Edt .
Q
t1
ГЛАЗ, КАК ПРИЁМНИК ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ
Для
измерения
фотометрических
величин
необходимы
единицы
измерения. К настоящему времени сложились три системы измерения величин:
1. Световая или визуальная – исторически появилась ранее других и связана с
реакцией человеческого глаза на излучение.
2. Энергетическая или абсолютная – не связана ни с каким приѐмником.
Появилась
тогда,
когда
были
созданы
приѐмники
излучения
(фотоприѐмники, термоэлементы и т.д.).
3. Бактерицидная система – по реакции живых организмов на облучение. В
оптике эта система не используется, она необходима для оценки
радиоактивного излучения и его реакции на живые организмы.
Таким образом, исторически первой была световая, связанная с глазом.
Роль глаза, зрения в нашей жизни велика. Около 80% информации об
окружающем мире мы получаем с помощью зрения. Глазом занимается
физиологическая оптика. Элементы еѐ и будут рассмотрены в этом разделе.
Зрительный аппарат
Состоит из глаза и зрительных, нервных волокон, идущих в виде
зрительного нерва в затылочную часть коры головного мозга к зрительному
центру. Глаз прошѐл сложный путь развития одновременно с развитием живого
мира. Глаз прошѐл эволюцию от светочувствительных бугорков на поверхности
черепа до внутреннего глаза у современного человека. Глаз заглублѐн в
передней
части
черепной
коробки.
Входное
отверстие
со
временем
уменьшалось, а глаз углублялся. Камера заполнилась жидкостью, появился
хрусталик.
Этапы зрительного восприятия
1. Преобразование
лучистой
энергии
светочувствительного вещества.
в
энергию
химического
распада
2. Преобразование энергии распада в энергию электрических импульсов,
распространяющихся в волокнах зрительного нерва.
3. Преобразование электрических импульсов в зрительное ощущение в коре
головного мозга.
Первые два процесса физико-химические, последний – биологический.
Первый этап протекает в глазу.
Строение глаза
Глазное яблоко располагается в глазнице. Его диаметр 24 мм, оно
прикреплено к костям черепа с помощью мышц и может поворачиваться от оси
на 45-500. Глаз покрывает плотная, белая непрозрачная оболочка толщиной
1 мм – склера. Через заднюю стенку входят нервные волокна и кровеносные
сосуды.
Склера I в передней части глаза переходит в выпуклую прозрачную часть 2,
имеющую меньшую толщину - примерно 0,5мм и называемую роговицей.
-*• ^0СУДистая оболочка, пронизан-•• ная мельчайшими капелярами. Б передней
части сосудистая оболочка переходит в радужную Ц
определяющую цвет глаз. В радужноЧ оболочке (радужке) есть отверстие
- зрачок, размеры которого могуш изменяться с помощью мышц от 2мм
дш 8мм при изменении уровня освещенности. ?а зрачком распологается пр*
прикрепленный мышечными волокнами к глазному яблоку хрусталик 5
- чечевицеобразное-прозрачное тело с й --= 1,4Ф Показатель преломления
изменяется от центра, где он наибольший (1,454), к переферии. В центре более
оптически плотное ядро. Хрусталик играет роль линзы
' с переменным показателем преломления. Его кривизна может изменяться и
глаз Фокусируется на любые предметы, по разному удаленные. Хрусталик
отделяет переднюю камеру б от задней 7.
Передняя камера заполнена прозрачной жидкостью п=1,336, задняя прозрачное стекловидное вещество - стекловидное тело с п=1,336.
Сетчатка 8 (ретина) состоит из нескольких слоев (примерно 10), ее толщина
0,2мм, В последнем слое находятся светочувствительные элементы: палочки и
колбочки. Последний слой защитный - темный пигмент - защищает
светочувствительные элементы от засветки. ^
Оптическая система глаза
(хрусталик) дает изображение на сетчатке. Ретина содержит около 7млн.
колбочек и 13ылы. палочек.
Они распределены неравномерно.Почти на оптической оси распологае* 11п ся центральная^ ямка с угловыми размерами 2^, в ней желтое пяти;
Здесь располога.ются только колбочки, их плотность достигает 200
тыс/ш/г. А переверни возростает плотность палочек, иаксщ на расстоянии 10-13
от центу*. Желтое пятна наиболее чувствий ная часть сетчатки. Колиочк.и
^яз^ером ^-^мкм. Палочки и колбо/ содержат различные химические вещества,
лолбочки - иодопсин,'
палочки - родопсин (ро$ов№! пурпур). От каждой колбочки отходит нервное
волокно к зрительному нерву 9. А палочки соединяются с нервным волокном
по несколько штук. В той части задней камеры, с\ где входит зрительный нерв
светочувствительных элементов нет. Это слепое пятно (6J nor' горизонтали и 8и
по вертикали).
По теории Ьнга-Гельмгольца цветощущения обусловлены тем, что существует
три типа, яаяечек колбочвк чувствительных к красному, зеленому и синему
цвету.
'
Если в падающем свете будет соотношение
то будет белый цвет. При высоком уровне освещенности работает колбочковый аппарат, при низком - палочковый. Переход от одного к другому
носит название адоптации.
Темновал адоптация - переходит к палочковому аппарату требует более
длительного периода времени примерно 1,5-2 часа.
иветова.я адаптация - требует примерно 15 мин. Если отсутствуют колбочки
одного типа, есть только два, то цветощущениеЦтрулаэтся - диаыаты
(примерно 1$ мужчин, 0,1% женщин). Монохроматы - не различают совсем
цветов - один тип колбочек.
.....
^^^^^ЛМШШРЖСТШШ ТШк^:^^^,.^^г~-^^.:-^^'1
I Спектральная чувствительность глаза..
Глаз по разному реагирует на различныепо цвету однородные потоки. Так ФfBr синего с А=Ц60н~ы и Ф-О,О63г зеленого Л -^3>^/ оказывают одинаковое
воздействие на глаз - зрительно е ощущение одинаковой яркости. Ощущение
белого света создает потоки
Спектральная чувствительность^ зависит от ^ .
Относительная спектральная чувствительность
/,
или функция видности. Такой вид имеет кривая видности только при
большом уровне освещения, когда работает колбочковый аппарат. При
уменьшении
уровня
освещения
кривая
спектральной
чувствительности
сдвигается в область коротких длин волы и максимум соответствует 51О50'7нм,.
Это смещение кривой спектральной чувствительность глаза при уменьшении
уровня освещенности в область коротких длин волн называется эффектом
Пуркинье. Пример: красная роза и ваний василек.
Кривые ^А^даны в справочниках в виде таблиц с интервалом 5нм.
Кроме спектральной чувствительности глаз характеризуется абсолютной
чувствительностью, тем наименьшим значением яркости -пороговой яркости,
которая еще воспринимается глазом - 3& -№ /^ порог яркости - абсолютный
порог зрительного восприятия.
Абсолютная чувствительность П Разрешающая способность глаза
Если наблюдатель рассматривает крупный предмет, то его изображение на
сетчатке глаза занимает большую площадь - перекрывает большое число
светочувствительных элементов и глаз может различать большое число деталей
в этом предмете, т.к. задействовано много колбочек. Если предмет уменьшается
или удаляется (уменьшается угол зрения), то уменьшается и площадь
изображения, уменьшается число колбочек, участвующих в зрительном
ощущении, уменьшается число деталей, которые могут быть различимы.
---
... --
Способность глаза различать две близких предмета характеризуется
разрешающей способностью, .„ля ее оценки берут две светящиеся точки на
абсолютно черном фоне или две темные точки на светящемся фоне.
Наименьший угол, под которым наблюдатель видит эти два предмета
раздельно, есть угловой предел разрешения ^%^. .
Для нормального глаза при хорошем освещении /*yv*. ■ ■£ . " ~Р~"
~
РазРешаю1Дая способность или. острота зрения ( (Уиред- в минутах).
За единицу остроты зрения принимают остроту зрения такого глаза, который
разрешает две точки с угловым расстоянием /V/. 3 средней части сетчатки центральная ямка - острота зрения максимальна.
■■■ ' •
Ряд причин ограничивает разрешающею способность : дифракция на зрачке,
диаметр зрачка изменяется от d до 8мм, изменяется и разрешающая
способность. Для того, чтобы две точки были видны раздельно, необходимо,
чтобы между двумя дифракционными изображениям; находилась хотя бы одна
колбочка, которая бы восприняла уменьшение интенсивности в провале. Тогда
глаз различает светящиеся точки, они не сольются в одну.
Глазное яблоко находится в постоянном движении, сетчатка колеблется и
это сглаживает ее зернистость. Играют роль аберрации.
Ш Контрастная чувствительность глаза.
Для мало одной разрешающей способности. Иожет быть жакой случай, когда
предмет,его изображение, занимает большую площадь на сетчатке, но его
детали не различимы, и даже паи предмет не будет виден, Это в том случае,
если предмет мало отличим от фона, т.е. составляет малый контраст с фоном.
Для оценки лЯТ рассматривается наиболее простой случай - предмет
отличается от фона по яркости, а по спектральному составу одинаков. Так
серый предмет на белом фоне или белый предмет на сером фоне. - -
За меру контраста принимают
£*Р
.-^ -•■ ч
» если ^° &°
Если 3?> и В* сильно отличаются, то контраст велик. Предельное значение ^У,
если Зр>-^'£> ^ а Зр**? - черный объект на белом фоне. При сближении
3f>m.3o £-^0 и объект не различим на фоне.
Порог контраста яркостей - наименьшее значение
^
, при котором глаз
различает темное пятно на светлом фоне.
/
***** - -%Г- = -^фг~~- W-T40*
77—' - контрастная чувствительность глаза. Примерно 100-50 в дневных
згсловмях ш ъът предмет виден не менее, чем под углом 0,5 . .. Если
рассматривается яркий предмет на темном фоне, т.е.
__....... 4°^» ^-^t
Если различен спектральный состав, то для различных А
и к*и>/ое>г.
различно. Трудно сравнивать по разному окрашенные тела. Кроме того £
зависит от Л и изменяется в 2 раза по спектру.
......v -■■■
-'.'"ЕНШ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ БЕГ..........."
Рассматриваются две системы единиц: световая или визуальная и
абсолютная энергетическая (система ОИ).