Оптыка

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
Найважнейшыя паняцці оптыкі: праламленне і адлюстраванне святла (ход прамянёў святла на прыкладзе прызмы).

О́птыка — раздзел фізікі, які вывучае святло. Святло — адзін з відаў электрамагнітных хваль і адрозніваецца ад відаў толькі даўжынёй хвалі, таму законы оптыкі справядлівыя для ўсіх электрамагнітных хваль, і яе можна разглядаць як навуку пра электрамагнітныя хвалі.

Прырода святла[правіць | правіць зыходнік]

Оптыка была адным з першых раздзелаў фізікі, дзе праявілася абмежаванасць класічных уяўленняў пра прыроду. Была выяўлена дваістая прырода святла:

  • Хвалевая тэорыя святла, якая бярэ пачатак ад Гюйгенса («Трактат пра святло» — фр. Traité de la lumière; 1690), разглядае святло як сукупнасць папярочных манахраматычных электрамагнітных хваляў, а назіраныя аптычныя эфекты як вынік складання (інтэрферэнцыі) гэтых хваль. Пры гэтым лічыцца, што ў адсутнасць пераходу энергіі выпраменьвання ў іншыя віды энергіі, гэтыя хвалі не ўплываюць адзін на аднаго ў тым сэнсе, што, якая выклікала ў некаторай вобласці прасторы інтэрферэнцыйныя з'явы, хваля працягвае распаўсюджвацца далей без змены сваіх характарыстык. Хвалевая тэорыя электрамагнітнага выпраменьвання знайшла сваё тэарэтычнае апісанне ў працах Максвелла ў форме раўнанняў Максвелла. Выкарыстанне ўяўленні аб святле, як аб хвалі, дазваляе растлумачыць з'явы, звязаныя з інтэрферэнцыі і дыфракцыі, у тым ліку структуру светлавога поля (пабудова малюнкаў і галаграфію).
  • Карпускулярна тэорыя святла, якая бярэ пачатак ад Ньютана («Оптыка» — англ. Opticks; 1704), разглядае святло як паток часціц — квантаў святла або фатонаў. У адпаведнасці з ідэяй Планка любое выпраменьванне адбываецца дыскрэтна. Выкарыстанне уяўленняў пра святло, як патоку часціц, тлумачыць з'ява фотаэфекту і заканамернасці тэорыі выпраменьвання.[1].

Характарыстыкі святла[правіць | правіць зыходнік]

Даўжыня светлавой хвалі залежыць ад скорасці распаўсюджвання хвалі ў асяроддзі і звязана з ёю і частатой суадносінамі:

дзе  — паказчык праламлення асяроддзя. У агульным выпадку паказчык праламлення асяроддзя з'яўляецца функцыяй даўжыні хвалі: . Залежнасць паказчыка праламлення ад даўжыні хвалі выяўляецца ў выглядзе з'явы дысперсіі святла.

Характарыстыкамі святла з'яўляюцца:

  • спектральны састаў, вызначаны дыяпазонам даўжынь хваль святла.
  • шырокі клас фотаметрычных велічынь, сярод якіх па шыраце выкарыстання вылучаюцца энергетычныя і светлавыя фотаметрычныя велічыні.
  • палярызацыя, вызначаная змяненнем прасторавай арыентацыі электрычнага вектара па меры распаўсюджвання хвалі ў прасторы.
  • кірунак распаўсюджвання прамяня святла, супадае з кірункам нармалі да хвалевага фронту (пры адсутнасці з'явы двайнога праменепраламлення)[2].

Скорасць святла[правіць | правіць зыходнік]

Універсальным паняццем у фізіцы з'яўляецца скорость святла . Яе значэнне ў вакууме ўяўляе сабой не толькі гранічную скорасць распаўсюджвання электрамагнітных ваганняў любой частаты, але і наогул гранічную скорасць распаўсюджвання інфармацыі або любога ўздзеяння на матэрыяльныя аб'екты. Пры распаўсюджванні святла ў розных асяроддзях фазавая скорасць святла звычайна памяншаецца: , дзе  — паказчык праламлення асяроддзя, які характарызуе яе аптычныя ўласцівасці і залежыць ад частаты святла: . У вобласці анамальнай дысперсіі святла паказчык праламлення можа быць і менш за адзінку, а фазавая скорасць святла больш чым . Апошняе сцвярджэнне не ўваходзіць у супярэчнасць з тэорыя адноснасці, бо перадача інфармацыі з дапамогай святла адбываецца не з фазавай, а, як правіла, з групавой скорасцю.

Оптыка іншых дыяпазонаў[правіць | правіць зыходнік]

Электрамагнітны спектр прынята дзяліць на радыёхвалі, інфрачырвонае, бачнае, ультрафіялетавае, рэнтгенаўскае і гама-выпраменьвання. Гэтыя ўчасткі спектру адрозніваюцца не па сваёй прыродзе, а па спосабе генерацыі і прыёму выпраменьвання. Таму паміж імі няма рэзкіх пераходаў, самі ўчасткі перакрываюцца, а мяжы паміж імі ўмоўныя.

Хвалевыя і квантавыя заканамернасці з'яўляюцца агульнымі для ўсяго спектру электрамагнітнага выпраменьвання. У залежнасці ад даўжыні хвалі, на першы план выступаюць розныя з'явы, розныя метады даследавання і розныя практычныя прымянення. Таму на оптыку нельга глядзець як на замкнёную дысцыпліну, якая вывучае толькі бачную вобласць спектру, аддзеленую ад іншых абласцей выразнымі межамі. Заканамернасці і вынікі, знойдзеныя ў гэтых іншых галінах, могуць апынуцца прыдатныя ў бачнай вобласці спектру і наадварот.

Аналагічныя з'явы сустракаюцца ў распаўсюдзе рэнтгенаўскага выпраменьвання і радыёхваляў, у мікрахвалевых печах і т. п. Оптыка, такім чынам, можа разглядацца як раздзел электрамагнетызму. Некаторыя аптычныя з'явы залежаць ад квантавай прыроды святла, што звязвае некаторыя вобласці оптыкі з квантавай механікай. Практычна, вялізная большасць аптычных з'яў могуць разглядацца, як электрамагнітныя ваганні, апісаныя раўнанняў Максвелла.[2]

Раздзелы оптыкі[правіць | правіць зыходнік]

Класічная оптыка[правіць | правіць зыходнік]

Да з'яўлення квантавай оптыкі оптыка ў цэлым грунтавалася на класічным электрамагнетызме. Класічная оптыка дзеліцца на дзве галоўныя галіны: геаметрычная оптыка і фізічная оптыка.

Геаметрычная оптыка[правіць | правіць зыходнік]

Геаметрычная оптыка (Оптыка прамяня) не займаецца разглядам пытання аб прыродзе святла, а засноўваецца толькі на эмпірычных законы яго распаўсюджвання. Цэнтральнае паняцце геаметрычнай оптыкі, з дапамогай якога апісваецца распаўсюджванне святла, — светавы прамень, які ўяўляе сабой лінію, уздоўж якой пераносіцца энэргія святла. У аднастайным аптычным асяроддзі светлавыя прамяні ўяўляюць сабой прамыя лініі.

Геаметрычная оптыка дазволіла паспяхова растлумачыць многія з'явы, якія назіраюцца пры праходжанні святла ў розных асяроддзях. Да такіх з'яў адносяцца, напрыклад, скрыўленне промняў у зямной атмасферы, з'яўленне вясёлак і міражоў. Геаметрычная оптыка дазваляе вывучаць і вызначаць заканамернасці і правілы пабудовы малюнкаў. Яе метады шырока выкарыстоўваюцца пры разліках і канструяванні разнастайных аптычных прыбораў.

Разам з тым у набліжэнні геаметрычнай оптыкі немагчыма растлумачыць паходжанне многіх важных аптычных эфектаў, такіх, напрыклад, як дыфракцыя, інтэрферэнцыя і палярызацыя святла[3].

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі[правіць | правіць зыходнік]

  1. Бонч-Бруевич А. М. Оптика // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3 Магнитоплазменный компрессор — Пойнтинга теорема. — С. 418—422. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
  2. 2,0 2,1 Выкарыстоўваецца ў прыбліжэнні геаметрычнай оптыкі.
  3. Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.