Физика света: от геометрической оптики до электромагнитных волн

Геометрическая оптика: законы распространения и отражения света

Добро пожаловать в курс «Физика света: от геометрической оптики до электромагнитных волн». Мы начинаем наше путешествие с самых основ — с того, как свет перемещается в пространстве и что происходит, когда он встречает препятствия. Эта статья посвящена геометрической оптике — разделу физики, который рассматривает свет как лучи, распространяющиеся по прямым линиям.

Что такое свет и его источники

Прежде чем изучать законы, давайте определимся с объектом изучения. В широком смысле свет — это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Однако в рамках геометрической оптики мы пока отвлечемся от волновой природы света и будем использовать модель светового луча — линии, вдоль которой переносится световая энергия.

Все, что излучает свет, называется источником света. Их можно классифицировать по разным признакам:

Точечные и протяженные источники

В физике часто используется понятие точечного источника света. Это источник, размерами которого по сравнению с расстоянием до освещаемого объекта можно пренебречь. Звезды для нас — точечные источники, хотя они огромны. А вот экран телефона, который вы держите перед лицом — это протяженный источник.

Прямолинейное распространение света

Фундаментальный закон геометрической оптики гласит:

> В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Оптически однородная среда — это среда, свойства которой (например, плотность) одинаковы во всех точках. Если вы посветите лазерной указкой в пыльной комнате, вы увидите прямой луч. Это и есть доказательство прямолинейного распространения.

Тени и полутени

Прямолинейность света объясняет образование теней. Если на пути лучей поставить непрозрачный предмет, за ним образуется пространство, куда свет не попадает.

* Тень (полная тень) — область пространства, в которую не попадает свет от источника. * Полутень — область, в которую попадает свет от части источника, но не от всего источника целиком.

Полутень образуется только тогда, когда мы имеем дело с протяженным источником света или несколькими источниками.

!Схема образования полной тени и полутени от протяженного источника света

Солнечные и лунные затмения

Самый грандиозный пример образования теней в природе — это затмения. Они происходят именно благодаря прямолинейному распространению света.

* Солнечное затмение происходит, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей. Луна отбрасывает тень на Землю. Те, кто находится в области полной тени, видят полное затмение. Те, кто в полутени — частное. * Лунное затмение происходит, когда Земля оказывается между Солнцем и Луной, и тень Земли падает на Луну.

Отражение света

Когда свет падает на границу раздела двух сред (например, воздух и зеркало), часть света возвращается обратно в первую среду. Это явление называется отражением.

Существует два основных типа отражения:

Именно благодаря диффузному отражению мы видим окружающие нас предметы, которые сами не светятся. Свет падает на них, рассеивается во все стороны, и часть этих лучей попадает нам в глаза.

!Разница между зеркальным и диффузным отражением света

Закон отражения света

Для описания отражения введем несколько понятий:

* Падающий луч — луч, идущий от источника к поверхности. * Отраженный луч — луч, идущий от поверхности после отражения. * Перпендикуляр (нормаль) — воображаемая линия, восстановленная к поверхности в точке падения луча под углом . * Угол падения () — угол между падающим лучом и перпендикуляром. * Угол отражения () — угол между отраженным лучом и перпендикуляром.

Закон отражения света формулируется так:

Математически это записывается очень просто:

где — угол падения, а — угол отражения.

Важно помнить: углы в оптике всегда отсчитываются от перпендикуляра, а не от самой поверхности зеркала! Если луч падает на зеркало под углом к его поверхности, то угол падения будет равен .

Плоское зеркало

Плоское зеркало — это гладкая поверхность, предназначенная для зеркального отражения света. То, что мы видим в зеркале, называется изображением.

Как строится изображение в плоском зеркале? Наш мозг привык считать, что свет всегда распространяется прямолинейно. Когда отраженные лучи попадают нам в глаз, мозг «достраивает» их продолжения за зеркало, туда, где они пересеклись бы, если бы не меняли направление. Точка пересечения этих продолжений лучей и формирует изображение.

Свойства изображения в плоском зеркале:

!Принцип построения мнимого изображения в плоском зеркале

Получение изображений в нескольких зеркалах

Если использовать не одно, а два или более зеркал, можно получить интересные оптические эффекты. Количество изображений зависит от угла между зеркалами.

Если поставить два зеркала под углом друг к другу, вы увидите три изображения предмета. Если уменьшать угол, количество изображений будет расти. А если поставить два зеркала параллельно друг другу (угол ) и поместить между ними предмет (например, свечу), возникнет бесконечный коридор из отражений. Это происходит из-за многократного переотражения света от одной зеркальной поверхности к другой.

Этот принцип используется в перископах (приборах для наблюдения из укрытия), калейдоскопах и уголковых отражателях (катафотах), которые возвращают свет строго назад к источнику.

*

В этой статье мы разобрали основы поведения света: он движется прямо, образует тени и отражается от поверхностей по строгому закону. Но что происходит, когда свет переходит из воздуха в воду или стекло? Он меняет направление, но уже по другим правилам. Об этом мы поговорим в следующей статье, посвященной преломлению света.

Преломление света, линзы и построение изображений

В предыдущей статье мы изучили, как свет ведет себя при встрече с зеркальной поверхностью: он отражается, соблюдая строгую симметрию. Но что происходит, когда свет не отражается, а проходит сквозь прозрачный предмет — например, сквозь стекло, воду или хрусталик нашего глаза? Он меняет свое направление. Это явление лежит в основе работы очков, микроскопов, телескопов и камер смартфонов.

Сегодня мы разберем физику преломления света, узнаем, как работают линзы и научимся строить изображения, которые они создают.

Природа преломления света

Преломление света — это изменение направления распространения светового луча при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Почему это происходит? Причина кроется в скорости света. Мы привыкли слышать, что скорость света — это фундаментальная константа ( км/с). Это верно, но только для вакуума. В любой другой среде (воздухе, воде, стекле) свет движется медленнее, так как взаимодействует с атомами вещества.

Когда луч света переходит, например, из воздуха в воду, его скорость падает. Если луч падает под углом, то одна часть волнового фронта замедляется раньше другой, что приводит к повороту всего луча. Это похоже на то, как движется автомобиль, если его правые колеса заезжают на вязкий песок, а левые остаются на асфальте: машину резко разворачивает в сторону песка.

Показатель преломления

Чтобы количественно описать, насколько сильно среда замедляет свет, физики ввели понятие абсолютного показателя преломления.

где — абсолютный показатель преломления среды (безразмерная величина), — скорость света в вакууме, а — скорость света в данной среде.

Чем больше показатель преломления , тем сильнее среда «тормозит» свет и тем она оптически плотнее.

* Вакуум: * Воздух: (обычно считают равным 1) * Вода: * Стекло: (зависит от сорта) * Алмаз:

Закон преломления света (Закон Снеллиуса)

Как именно изменится угол луча? Это описывает закон преломления. Для начала введем обозначения, аналогичные тем, что мы использовали при отражении:

* Угол падения () — угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела сред. * Угол преломления () — угол между преломленным лучом и тем же перпендикуляром.

!Схематическое изображение преломления луча при переходе из оптически менее плотной среды в более плотную

Закон преломления гласит:

Математическая запись закона (закон Снеллиуса):

или в более удобной форме:

где — показатель преломления среды, из которой луч выходит, — угол падения в первой среде, — показатель преломления среды, в которую луч входит, а — угол преломления во второй среде.

Важное следствие: * При переходе из менее плотной среды в более плотную (воздух вода) луч прижимается к перпендикуляру (угол ). * При переходе из более плотной среды в менее плотную (вода воздух) луч отклоняется от перпендикуляра (угол ).

Полное внутреннее отражение

Рассмотрим интересный случай. Пусть свет идет из воды () в воздух (). В этом случае угол преломления будет больше угла падения. Если мы будем увеличивать угол падения, то в какой-то момент угол преломления достигнет , и преломленный луч пойдет скользя вдоль границы раздела сред.

Если еще немного увеличить угол падения, преломленный луч исчезнет вовсе. Свет полностью отразится обратно в воду, как от идеального зеркала. Это явление называется полным внутренним отражением.

Оно возможно только при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную.

Это явление используется в волоконной оптике. Световой сигнал запускается внутрь стеклянного волокна и, многократно отражаясь от внутренних стенок, передается на огромные расстояния почти без потерь. Именно так работает современный интернет.

Миражи

Миражи — это атмосферное проявление преломления и полного внутреннего отражения. В жаркий день асфальт или песок сильно нагреваются. Воздух прямо над поверхностью становится горячим и менее плотным, чем слои воздуха выше. Свет от неба или далеких предметов, проходя сквозь слои воздуха разной плотности, искривляется настолько, что испытывает полное внутреннее отражение у самой земли. Наблюдатель видит кусочек неба на земле и думает, что это лужа воды.

Линзы

Теперь, зная законы преломления, мы можем рассмотреть линзы. Линза — это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Линзы делятся на два основных типа:

Основные элементы линзы

Для построения изображений нам нужно знать ключевые точки и линии линзы:

* Главная оптическая ось — прямая, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. * Оптический центр () — точка внутри линзы, проходя через которую, луч света не преломляется. * Фокус () — точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи (или их продолжения), падающие на линзу параллельно главной оптической оси. * Фокусное расстояние () — расстояние от оптического центра до фокуса.

!Ход лучей в собирающей и рассеивающей линзах

Оптическая сила линзы

Линзы бывают «сильными» и «слабыми». Чтобы это измерить, используют величину, называемую оптической силой.

где — оптическая сила линзы, а — фокусное расстояние в метрах.

Единица измерения оптической силы — диоптрия (дптр). 1 дптр — это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 метр.

* Для собирающих линз (например, +2 дптр). * Для рассеивающих линз (например, -1.5 дптр).

Построение изображений в тонкой линзе

Чтобы узнать, где появится изображение предмета и каким оно будет, не нужно рисовать миллионы лучей. Достаточно использовать два или три «удобных» луча, ход которых мы знаем заранее.

Рассмотрим построение для собирающей линзы:

Точка пересечения этих лучей даст нам изображение точки предмета.

!Схема построения действительного изображения в собирающей линзе

Характеристики изображений

Изображения могут быть:

* Действительные или мнимые. Действительное изображение образуется пересечением самих лучей (можно спроецировать на экран, как в кинотеатре). Мнимое — пересечением продолжений лучей (видим глазом, но на экран не поймать, как в лупе). * Прямые или перевернутые. * Увеличенные, уменьшенные или равные.

Тип изображения зависит от того, где находится предмет относительно фокуса:

Формула тонкой линзы

Для точных расчетов используется формула тонкой линзы, связывающая расстояние до предмета, расстояние до изображения и фокусное расстояние.

где — фокусное расстояние, — расстояние от линзы до предмета, — расстояние от линзы до изображения.

Правила знаков: * Перед ставим «плюс» для собирающей линзы, «минус» — для рассеивающей. * Перед ставим «плюс», если изображение действительное, и «минус», если изображение мнимое.

*

Мы разобрали, как свет преломляется и как линзы формируют изображения. Эти знания — ключ к пониманию работы самого совершенного оптического прибора, созданного природой, — человеческого глаза. Но об этом, а также о сферических зеркалах и оптических приборах, мы поговорим в следующих статьях курса.

Оптические системы: физиология зрения и технические приборы

В предыдущих статьях мы подробно разобрали, как свет отражается от плоских зеркал и преломляется в линзах. Мы узнали формулы, позволяющие рассчитать положение изображения. Но оптика — это не просто сухие расчеты. Это наука, которая подарила нам возможность видеть невидимое: от далеких галактик до мельчайших бактерий. Более того, каждый из нас обладает парой совершенных оптических приборов от рождения — нашими глазами.

В этой статье мы объединим знания о зеркалах и линзах, чтобы понять, как устроены сложные оптические системы, разберем физику человеческого зрения и принципы работы микроскопов и телескопов.

Сферические зеркала

Прежде чем перейти к сложным приборам, нам нужно заполнить один пробел. Мы говорили о плоских зеркалах и линзах, но существуют и сферические зеркала. Это зеркально отражающие поверхности, имеющие форму сегмента сферы.

Они бывают двух типов:

!Сравнение отражения света от вогнутой и выпуклой поверхностей

Для сферических зеркал справедлива формула, очень похожая на формулу тонкой линзы:

где — фокусное расстояние зеркала, — расстояние от предмета до зеркала, а — расстояние от зеркала до изображения.

Применение: Вогнутые:* телескопы-рефлекторы, фары автомобилей (источник света помещают в фокус, чтобы получить параллельный луч), косметические зеркала (дают увеличенное изображение). Выпуклые:* зеркала заднего вида в автомобилях, зеркала обзора в магазинах и на перекрестках. Они дают уменьшенное, но очень широкое поле зрения.

Глаз как оптическая система

Человеческий глаз — это удивительный оптический прибор, созданный эволюцией. С точки зрения физики, глаз представляет собой систему линз, проецирующую изображение на светочувствительный экран.

Строение глаза

Рассмотрим основные оптические элементы глаза:

!Схема оптической системы человеческого глаза

Изображение, которое формируется на сетчатке, является действительным, уменьшенным и перевернутым. То, что мы видим мир «нормально» — заслуга нашего мозга, который программно переворачивает картинку обратно.

Аккомодация

Если в фотоаппарате для наведения на резкость объектив выдвигается вперед или назад, то в глазу расстояние между «линзой» и «экраном» (сетчаткой) неизменно. Как же мы видим четко и близкие, и далекие предметы?

Этот процесс называется аккомодацией. Специальная цилиарная мышца сжимает или растягивает хрусталик, меняя его кривизну.

* Когда мы смотрим вдаль, мышца расслаблена, хрусталик становится более плоским, его оптическая сила уменьшается. * Когда мы смотрим на близкий предмет, мышца напрягается, хрусталик становится более выпуклым, его оптическая сила увеличивается.

Дефекты зрения и их коррекция

Идеальный глаз фокусирует изображение точно на сетчатке. Однако часто форма глаза или работа хрусталика нарушены.

Близорукость (миопия) Глазное яблоко слишком удлинено, или оптическая сила роговицы и хрусталика слишком велика. Изображение удаленных предметов фокусируется перед сетчаткой. Человек хорошо видит вблизи, но плохо вдаль.

Коррекция: Используются очки с рассеивающими (вогнутыми) линзами. Они делают пучок света расходящимся перед входом в глаз, отодвигая фокус назад на сетчатку.

Дальнозоркость (гиперметропия) Глазное яблоко укорочено, или оптическая сила системы слаба. Изображение близких предметов фокусируется за сетчаткой. Человек плохо видит вблизи.

Коррекция: Используются очки с собирающими (выпуклыми) линзами. Они помогают глазу преломить лучи сильнее, возвращая фокус на сетчатку.

!Оптическая коррекция дефектов зрения

Оптические приборы, вооружающие глаз

Возможности глаза ограничены. Мы не видим слишком мелкие объекты и слишком далекие детали. Чтобы преодолеть эти ограничения, люди создали приборы, которые работают в тандеме с глазом.

Лупа

Самый простой прибор — лупа. Это короткофокусная собирающая линза. Предмет помещают между линзой и ее фокусом. В результате лупа дает мнимое, прямое и увеличенное изображение.

Мы рассматриваем не сам предмет, а его мнимое изображение, которое находится на комфортном для глаза расстоянии (расстоянии наилучшего зрения, обычно около 25 см), но под гораздо большим углом зрения.

Угловое увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где — расстояние наилучшего зрения (0,25 м для нормального глаза), а — фокусное расстояние лупы.

Микроскоп

Для наблюдения очень мелких объектов одной линзы недостаточно. Микроскоп — это система из двух собирающих линз (или систем линз):

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений его частей:

где — общее увеличение, — увеличение объектива, а — увеличение окуляра.

Телескоп

Телескопы предназначены для наблюдения удаленных объектов. Их задача — собрать как можно больше света и увеличить угловой размер объекта.

Существует два основных типа телескопов:

Зеркальные телескопы (рефлекторы) предпочтительнее в астрономии, так как большие зеркала проще и дешевле изготовить, чем огромные стеклянные линзы, и они не искажают цвета (отсутствует хроматическая аберрация).

Фотоаппарат

Фотоаппарат во многом похож на глаз. У него есть: * Объектив (аналог роговицы и хрусталика) — система линз для фокусировки. * Диафрагма (аналог зрачка) — регулирует количество света. * Матрица или пленка (аналог сетчатки) — фиксирует изображение.

Главное отличие в фокусировке: в фотоаппарате линзы перемещаются относительно матрицы, тогда как в глазу меняется форма самой линзы.

*

Мы изучили, как законы геометрической оптики работают в природе и технике. Но свет — это не просто лучи. В определенных условиях свет начинает вести себя как волна, огибая препятствия и создавая причудливые узоры. В следующей статье мы перейдем к волновой оптике и узнаем об интерференции и дифракции.

Волновая оптика: дисперсия, интерференция и дифракция

В предыдущих статьях нашего курса мы успешно использовали модель светового луча. Мы рисовали прямые линии, отражали их от зеркал и преломляли в линзах. Геометрическая оптика прекрасно объясняет, как работают очки, фотоаппараты и телескопы. Однако, если мы попытаемся с помощью одной лишь геометрии объяснить, почему мыльный пузырь переливается всеми цветами радуги или почему свет, проходя через узкую щель, расплывается, мы зайдем в тупик.

Пришло время расширить наши представления о природе света. В этой статье мы переходим к волновой оптике — разделу физики, который изучает световые явления, обусловленные волновой природой света.

Дисперсия света: тайна радуги

Долгое время люди считали, что белый свет — это «чистый» свет, а цвета возникают из-за его «загрязнения» веществом. Великий Исаак Ньютон в 1666 году опроверг это заблуждение своим знаменитым опытом с призмой.

Ньютон направил узкий пучок солнечного света на стеклянную призму. Пройдя через стекло, белый луч не просто преломился, а превратился в разноцветную полосу, которую Ньютон назвал спектром. Цвета в спектре всегда располагаются в строгом порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Знакомая всем считалочка «Каждый Охотник Желает Знать...» помогает запомнить этот порядок.

!Схема дисперсии белого света при прохождении через стеклянную призму

Физическая суть дисперсии

Почему это происходит? Мы уже знаем, что показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света в этой среде меньше, чем в вакууме:

где — абсолютный показатель преломления, — скорость света в вакууме, а — скорость света в среде.

Открытие Ньютона заключалось в том, что белый свет — это смесь всех цветов, и для каждого цвета показатель преломления стекла различен. Это явление называется дисперсией.

> Дисперсия света — это зависимость показателя преломления вещества (а значит, и скорости света в нем) от частоты (или длины волны) света.

Оказывается, что: * Красный свет распространяется в стекле быстрее всего, поэтому он преломляется слабее всего (имеет наименьший показатель преломления). * Фиолетовый свет распространяется медленнее всего, поэтому он преломляется сильнее всего (имеет наибольший показатель преломления).

Именно дисперсия является причиной возникновения радуги. Капельки дождя работают как мириады крошечных призм, раскладывая солнечный свет в спектр.

Интерференция света: когда свет плюс свет дает тьму

Если свет — это волна, то он должен вести себя подобно волнам на воде. Представьте, что вы бросили в спокойное озеро два камня одновременно. От каждого из них пойдут круги. В какой-то момент эти круги встретятся. Что произойдет?

В некоторых точках гребень одной волны встретится с гребнем другой. Вода там поднимется в два раза выше. Это называется усилением колебаний. В других точках гребень одной волны встретится с впадиной другой. Они «погасят» друг друга, и поверхность воды останется спокойной. Это называется ослаблением колебаний.

То же самое происходит и со светом. Это явление называется интерференцией.

> Интерференция света — это сложение двух (или нескольких) световых волн, при котором в одних точках пространства происходит устойчивое усиление света, а в других — его ослабление.

Опыт Юнга

В начале XIX века английский ученый Томас Юнг провел эксперимент, который стал решающим доказательством волновой природы света. Он пропустил свет через две очень узкие, близко расположенные щели. Если бы свет был потоком частиц (как считал Ньютон), на экране за щелями мы увидели бы просто две светлые полоски.

Но Юнг увидел нечто иное: чередование светлых и темных полос — интерференционную картину.

!Схема опыта Юнга, демонстрирующая образование интерференционных полос

Условия максимумов и минимумов

Результат интерференции зависит от того, как волны приходят в конкретную точку: «в ногу» (синфазно) или «в противофазе».

Разницу расстояний, которые прошли две волны от источников до точки встречи, называют геометрической разностью хода ().

Условие максимума (светлая полоса): Волны усиливают друг друга, если разность хода равна целому числу длин волн:

где — разность хода волн, — целое число (0, 1, 2...), называемое порядком интерференции, а — длина световой волны.

Условие минимума (темная полоса): Волны гасят друг друга, если разность хода равна нечетному числу полуволн:

где — разность хода, — целое число, а — длина волны.

Интерференция в тонких пленках

Мы сталкиваемся с интерференцией каждый день, глядя на мыльные пузыри, крылья стрекоз или масляные пятна на асфальте. Почему они цветные?

Свет падает на тонкую пленку (например, стенку мыльного пузыря). Часть света отражается от наружной поверхности пленки, а часть проходит внутрь и отражается от внутренней поверхности. Эти две отраженные волны встречаются и интерферируют.

Поскольку белый свет содержит волны разной длины (разных цветов), для одних цветов в данной точке пленки выполняется условие максимума (они усиливаются), а для других — условие минимума (они гасятся). В результате мы видим пленку окрашенной в тот цвет, который усилился. Так как толщина пленки в разных местах разная, мы видим переливы цветов.

Дифракция света: огибая препятствия

Согласно геометрической оптике, за непрозрачным предметом должна образовываться резкая тень. Однако, если присмотреться к тени от очень маленького предмета (например, волоса) или посмотреть на свет через очень узкое отверстие, можно заметить, что границы тени размыты, и там появляются светлые и темные полосы.

> Дифракция света — это явление отклонения света от прямолинейного распространения при прохождении сквозь малые отверстия или огибании малых препятствий.

Дифракция становится заметной только тогда, когда размеры препятствия или отверстия соизмеримы с длиной световой волны. Поскольку длина световой волны очень мала (от 380 до 760 нанометров), в обычной жизни мы редко замечаем дифракцию крупных предметов.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Объяснить дифракцию помогает принцип, сформулированный Христианом Гюйгенсом и дополненный Огюстеном Френелем. Суть его проста: каждая точка, до которой дошла волна, сама становится источником новых сферических волн. Огибание препятствия происходит именно за счет этих вторичных волн, которые заходят в область геометрической тени.

Дифракционная решетка

Самым важным прибором, использующим это явление, является дифракционная решетка. Это пластинка, на которую нанесено огромное количество очень узких параллельных щелей (штрихов), расположенных на равном расстоянии друг от друга.

Когда свет проходит через решетку, происходит и дифракция (на каждой щели), и интерференция (пучков от всех щелей). В результате свет раскладывается в спектр, причем гораздо более чистый и широкий, чем в призме.

Формула дифракционной решетки:

где — период решетки (расстояние между соседними щелями), — угол, под которым виден максимум света, — порядок спектра (целое число), — длина волны.

С помощью дифракционных решеток астрономы определяют химический состав звезд, просто анализируя их свет. Каждый химический элемент излучает свет строго определенных длин волн, оставляя свой уникальный «штрих-код» в спектре.

Длина волны и цвет

Теперь мы можем точно сказать, что такое «цвет» с точки зрения физики. Цвет определяется длиной световой волны (или ее частотой).

Человеческий глаз воспринимает электромагнитные волны в диапазоне примерно от 380 нм до 760 нм ().

* Фиолетовый: нм (самая короткая волна, самая высокая частота). * Синий: нм. * Голубой: нм. * Зеленый: нм. * Желтый: нм. * Оранжевый: нм. * Красный: нм (самая длинная волна, самая низкая частота).

Связь между скоростью света, длиной волны и частотой выражается формулой:

где — скорость света в вакууме ( м/с), — длина волны, — частота колебаний.

*

Мы увидели, что свет — это не просто лучи, а волны, способные огибать препятствия и складываться друг с другом. Но волны чего? Что именно колеблется в световом луче? Ответ на этот вопрос дал Джеймс Максвелл, объединив оптику с электричеством и магнетизмом. В следующей статье мы поговорим об электромагнитной природе света и узнаем, что видимый свет — это лишь крошечная часть огромного спектра электромагнитных излучений.

Электромагнитная природа света и шкала излучений

В предыдущих статьях нашего курса мы прошли долгий путь от простых геометрических построений лучей до сложных волновых явлений — интерференции и дифракции. Мы убедились, что свет ведет себя как волна: он огибает препятствия и складывается, образуя максимумы и минимумы. Но до сих пор оставался открытым главный вопрос: волна чего именно распространяется в пространстве?

В звуковой волне колеблются молекулы воздуха. В морской волне колеблется поверхность воды. А что колеблется в световом луче, летящем через абсолютную пустоту космического вакуума? Ответ на этот вопрос стал одним из величайших триумфов физики XIX века и навсегда изменил наше представление о мире.

Загадка природы света

К середине XIX века физика находилась в странном положении. С одной стороны, существовала оптика, доказавшая волновую природу света. С другой стороны, активно развивалось учение об электричестве и магнетизме. Казалось, что это совершенно разные области физики, не имеющие ничего общего.

Ученые того времени полагали, что для распространения световых волн необходима особая среда — эфир, который заполняет всю Вселенную. Однако свойства этого гипотетического эфира были настолько противоречивы (он должен быть тверже стали, чтобы передавать поперечные волны с огромной скоростью, но при этом не мешать движению планет), что теория зашла в тупик.

Разгадка пришла не из экспериментов со светом, а из теоретических уравнений, описывающих электрические и магнитные поля.

Теория Максвелла

В 1860-х годах английский физик Джеймс Клерк Максвелл совершил грандиозный синтез знаний об электричестве и магнетизме. Анализируя законы, открытые его предшественниками (Кулоном, Ампером, Фарадеем), он заметил удивительную симметрию.

Фарадей уже показал, что изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле (явление электромагнитной индукции). Максвелл предположил обратное: изменяющееся электрическое поле должно порождать магнитное поле.

Согласно теории Максвелла, если в какой-то точке пространства создать переменное электрическое поле, оно немедленно породит переменное магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, породит новое электрическое поле, и так далее. Этот процесс взаимосвязанных изменений полей отрывается от источника и распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.

Скорость электромагнитных волн

Когда Максвелл рассчитал скорость распространения такой волны теоретически, используя только электрические и магнитные константы, он получил ошеломляющий результат.

где — скорость распространения электромагнитной волны, — электрическая постоянная (характеризует электрические свойства вакуума), а — магнитная постоянная (характеризует магнитные свойства вакуума).

Подставив численные значения, Максвелл получил величину примерно км/с. Это число в точности совпадало с уже измеренной к тому времени скоростью света! Вывод был неизбежен: свет есть не что иное, как электромагнитная волна.

Структура электромагнитной волны

Что же представляет собой эта волна? Это не колебание вещества, а колебание полей.

!Графическое представление структуры электромагнитной волны: взаимно перпендикулярные колебания электрического и магнитного полей

Основные свойства электромагнитной волны:

Для любой волны справедлива формула, связывающая скорость, длину волны и частоту:

где — скорость света (в вакууме м/с), — длина волны (расстояние между соседними гребнями), — частота колебаний (количество колебаний в секунду, измеряется в Герцах).

Экспериментальное подтверждение

Теория Максвелла была настолько революционной, что многие современники ей не поверили. Лишь спустя 20 лет, в 1887 году, немецкий физик Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн.

Герц создал устройство (вибратор Герца), в котором происходил быстрый электрический разряд — искра. Эта искра порождала электромагнитную волну, которая улавливалась приемником (разомкнутым кольцом с маленьким зазором) в другом конце комнаты, вызывая там маленькую ответную искорку. Герц доказал, что эти невидимые волны распространяются со скоростью света, отражаются, преломляются и интерферируют точно так же, как и видимый свет.

Шкала электромагнитных излучений

Открытие электромагнитной природы света показало, что видимый нами свет — это лишь крошечный фрагмент огромного спектра излучений. Все эти излучения имеют одну и ту же физическую природу (колебания полей) и распространяются в вакууме с одинаковой скоростью . Отличаются они только частотой () и длиной волны ().

Весь диапазон принято делить на несколько областей, хотя резких границ между ними не существует.

1. Радиоволны

Это самые длинные волны. Именно их предсказал Максвелл и открыл Герц. Сегодня они переносят информацию для телевидения, радио, мобильной связи, Wi-Fi и радаров.

2. Инфракрасное излучение (ИК)

Любое нагретое тело испускает инфракрасные лучи. Мы не видим их глазом, но ощущаем кожей как тепло. Приборы ночного видения и тепловизоры «видят» именно в этом диапазоне, позволяя заметить живое существо или нагретый двигатель в полной темноте.

3. Видимый свет

Это тот самый узкий диапазон, к которому чувствителен человеческий глаз. С точки зрения физики, зеленый свет ничем принципиально не отличается от радиоволн или рентгена, кроме частоты. Но для нас это основной источник информации о мире. Максимум излучения нашего Солнца приходится именно на этот диапазон, поэтому эволюция и «настроила» наши глаза на него.

4. Ультрафиолетовое излучение (УФ)

Эти лучи невидимы, но обладают высокой химической активностью. Именно ультрафиолет вызывает загар (защитную реакцию кожи) и может убивать бактерии (кварцевание помещений). Однако в больших дозах он опасен для живых клеток и глаз.

5. Рентгеновское излучение

Открыто Вильгельмом Рентгеном в 1895 году. Рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью. Они легко проходят через мягкие ткани организма, но задерживаются плотными костями, что позволяет делать снимки скелета. Открытие рентгеновских лучей стало первым шагом в эру атомной физики.

6. Гамма-излучение (-излучение)

Это излучение с самой высокой частотой и самой большой энергией. Оно обладает колоссальной проникающей способностью (для защиты нужны толстые слои свинца или бетона) и разрушительно действует на биологические ткани. Однако в контролируемых дозах гамма-ножи используются в медицине для уничтожения раковых опухолей.

!Полная шкала электромагнитных излучений от радиоволн до гамма-лучей

Единство спектра

Важно понимать: деление на диапазоны условно и связано в основном со способами получения и регистрации этих волн. Физическая суть у них одна — это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.

Энергия, которую несет квант электромагнитного излучения, растет с увеличением частоты. Именно поэтому радиоволны свободно проходят сквозь нас, не причиняя вреда, видимый свет вызывает химические реакции в сетчатке глаза, а рентген и гамма-излучение способны ионизировать атомы и разрушать ДНК.

*

Мы завершили обзор классической физики света. Мы узнали, как свет отражается и преломляется, как он интерферирует, и выяснили, что свет — это электромагнитная волна. Казалось бы, картина мира полна и гармонична. Но в начале XX века физики столкнулись с явлениями (фотоэффект, излучение абсолютно черного тела), которые волновая теория объяснить не могла. Пришлось признать, что свет обладает двойственной природой: он ведет себя и как волна, и как поток частиц. Но это уже тема для совсем другого курса — курса квантовой физики.