Волновая теория. Юнг. Френель

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 33Следующая ⇒

В XVIII веке утвердились две основные гипотезы о природе света - волновая и корпускулярная. Решающих научных аргументов в пользу той или иной теории не было. Авторитет Ньютона, склонявшегося к корпускулярной идее, подчинял себе умы ученых. Главным доводом корпускулярной теории было то, что с помощью волновой теории трудно было объяснить простейшее явление – прямолинейность распространения света. И все же всегда находились научные авторитеты, поддерживающие волновую теорию. Среди них - Лейбниц, Ломоносов, Франклин, Эйлер. В работе Эйлера “Новая теория света и цветов” (1746 г.) выдвинуто фундаментальное положение о том, что максимальная длина волны света соответствует красному цвету, а минимальная – фиолетовому. В теории Эйлера содержится принципиально важный вывод, опровергающий мнение Ньютона о невозможности исправления хроматизма, и утверждающий такую возможность. Ахроматические объективы, состоящие из двух линз, изготовленных из стекол с различными показателями преломления (из крона и флинта) были впервые изготовлены в 1758 г. английским оптиком Джоном Долландом (1706–1761). Однако к пересмотру теории света это не привело, а рассматривалось как чисто технический факт.

Начало коренным изменениям в представлении о природе света положил Томас Юнг (1773-1829).

Т. Юнг родился в Милвертоне (графство Сомерсет, Англия) в семье торговца тканями. С самого раннего детства Юнг проявил совершенно уникальную способность к наукам и необъятную широту интересов. В зрелые годы, благодаря этим качествам, он получил прозвище “Феноменальный”, данное ему в годы учебы в Кембридже. Семья Томаса была религиозной и принадлежала к общине квакеров. Родители проявляли заботу об образовании старшего сына, которым был Т. Юнг, но, сменив ряд учебных заведений, Томас пришел к выводу, что лучший способ получить знания – самостоятельные занятия наукой. Юнг решил посвятить себя медицине и изучал ее с 1792 г. по 1803 г. сначала в Лондоне, затем в Эдинбурге, Геттингене, и Кембридже. Как врач Юнг признания не получил, но медицина послужила “отправным пунктом” к ряду научных исследований Юнга. Так, изучая явление аккомодации глаза, он доказал, что аккомодация обусловлена изменением кривизны поверхностей хрусталика. За эту работу Юнг был избран в 1794 г. членом Лондонского Королевского общества.

Научные интересы Юнга простирались в самые различные области знаний. В 1807 г. выходит двухтомник Юнга “Курс лекций по натуральной философии и механическому искусству”, в котором он обобщил огромный научный материал, содержащий обзоры важнейших достижений в области механики, астрономии, оптики. Наряду с материалом энциклопедического и обзорного характера, в “Курс” вошли и оригинальные работы Юнга. Так, в частности, впервые Юнг вводит термин “энергия”, понятие “модуль упругости”, именуемый сегодня “модулем Юнга”.

Юнг был известен в научном мире и как египтолог, изучавший египетские иероглифы, и получивший важные результаты в их расшифровке.

Юнг занимался общественной и литературной работой. Он исполнял обязанности секретаря Лондонского королевского общества, являлся издателем справочника по практической астрономии – “Морского альманаха”. Для приложения к “Британской энциклопедии” Юнг написал биографические очерки выдающихся ученых. Оптическими исследованиями Юнг начал заниматься со времени своего пребывания в Кембридже. Наряду с оптическими Юнг занимался тогда и акустическими явлениями, имевшими явно выраженные волновые свойства. Интерес к акустике пришел к Юнгу от музыки, которой он увлекался с детства. Юнг прекрасно владел практически всеми существующими в то время музыкальными инструментами. По-видимому параллельные исследования в оптике и акустике привели Юнга к аналогиям между оптическими и акустическими явлениями, натолкнули на волновые представления о свете.

Корпускулярная теория Ньютона не устраивала критический ум Юнга. Он пытался разобраться в теории “приступов” Ньютона, неудовлетворительно объяснявшей окрашивание тонких пленок, и счел эту теорию совершенно неприемлемой. Поразмыслив над явлением окрашивания, Юнг пришел к идее интерпретации этого явления сложениям колебаний света, отраженного от первой поверхности пленки, и света, прошедшего пленку и отраженного от второй ее поверхности и вышедшего затем через первую. Как ни странно, но именно Ньютон “подсказал” Юнгу принцип сложения колебаний – принцип интерференции. В “Началах” Ньютон объясняет аномальные приливы, наблюдавшиеся Галилеем на Филиппинском архипелаге, результатом наложения волн. Юнг в “Курсе лекций по натуральной философии и механическому искусству” несколько раз цитирует Ньютона и на этом примере выводит общий принцип интерференции. Юнг отмечает, что для получения интерференции необходимо, чтобы световые лучи исходили из одного источника (то есть по современным представлениям, были когерентны) и взаимодействовали будучи практически параллельными друг другу. Условием максимума интенсивности интерферирующих лучей Юнг определяет равенство разности хода лучей определенной величине (целому числу “волнообразных движений”). Эта характерная величина (Юнг не говорит о длине волны) по Юнгу неодинакова для света различных цветов.

Принцип интерференции был экспериментально подтвержден Юнгом следующим опытом с двумя отверстиями. В непрозрачном экране Э1 (рис.18.) иглой прокалываются два близко расположенных отверстия (щели S1 и S2).

Рис.18.Схема опыта Юнга по интерференции

Щели освещаются солнечным светом, прошедшим через небольшое отверстие S. Вследствие дифракции световые конусы за S1 и S2 расширяются и перекрываются, образуя в зоне перекрытия на экране Э2 темные и светлые кольца. Если же одно отверстие S1 или S2 закрыто, то полосы исчезают и возникают дифракционные кольца от другого отверстия. Юнг объяснил это явление сложением “волнообразных движений” светоносного эфира (Юнг предпочитает термин “волнообразные движения” термину “колебание” и особо отмечает это). Темные полосы получаются там, где провалы налагаются на гребни волн, светлые – там, где два гребня или два провала волн складываются. По результатам опыта Юнг рассчитал длины волн излучения красного и фиолетового цветов. Поражает точность, с которой Юнгу удалось измерить (впервые в истории физики) длину волны света: 0, 7 мкм для красного света и 0, 42 мкм для синего. Длина волны определялась следующим образом. Центральная часть картины поля (точка А) всегда оказывалась светлой, “а яркие полосы с каждой из сторон находятся на таких расстояниях, что свет, приходящий к ним от одного из отверстий, должен пройти больший путь, чем свет приходящий от другого, на отрезок, который равен ширине одного, двух, трех или большего числа предполагаемых волнообразных движений, в то время как промежуточные темные области соответствуют разности в половину предполагаемых волнообразных движений, в полтора, два с половиной волнообразных движения или более”.

Используя принцип интерференции Юнг, легко объясняет образование колец Ньютона, явление окрашивания “бороздчатых поверхностей” (царапин) и тонких пластин (пленок). Окрашивание царапин на полированных поверхностях (образование цветов “бороздчатых поверхностей”) Юнг объясняет следующим образом. “Пусть в данной плоскости имеются две отражающие точки А и В (рис.19.), близкие друг к другу, и пусть плоскость расположена так, что отраженное изображение светящегося предмета, видимое в ней, окажется совпадающим с этими точками. Тогда очевидно, что длины падающего и отраженного лучей, взятые вместе, равны по отношению к двум точкам, если считать эти лучи способными к отражению во всех направлениях. Пусть теперь одна из точек опустилась ниже данной плоскости (точка А'); тогда полный путь света, отраженного от нее, будет удлинен на величину, которая равна понижению точки, умноженному на удвоенный косинус угла падения (сумма отрезков СА' и А'Д'”. Далее Юнг указывает на условие образования максимумов при интерференции для излучения с различной длиной волны и объясняет окрашивание отраженного изображения предмета при наблюдении его глазом: максимумы (цветная окраска) будет наблюдаться в том случае, когда разность хода отраженных лучей от точек А' и В равна целому числу длин волны (в современной терминологии).

Рис.19.Кобъяснению окрашивания царапин

Очень сильным подтверждением своей волновой гипотезы Юнг считал эксперимент с параллельными штрихами, нанесенными на стекле (по сути дела это эксперимент с дифракционной решеткой). Юнг проводит аналогию между “разделением цветов при интерференции и получением музыкальной ноты с помощью последовательных отражений от эквидистантных железных стержней, что … согласуется с известной скоростью звука и расстоянием между поверхностями”. Аналогия с акустикой, как мы уже отмечали, для Юнга не случайна.

Теория интерференции Юнга (термин “интерференция” был введен самим Юнгом, так же как и термин “физическая оптика”) прекрасно объясняла все явления, связанные с периодичностью. Вместе с тем, позиции сторонников корпускулярной теории оставались прочными. Теория Юнга не давала удовлетворительного объяснения прямолинейности распространении света, ее математическая основа была слаба. Кроме того, в 1808 г. было открыто явление поляризации света (об этом разговор пойдет ниже), и теория Юнга была не в состоянии объяснить это явление. Преодолеть трудности волновой теории и утвердить ее сумел Огюстен – Жан Френель (1788-1827).

О. Френель родился в местечке Брольи в Нормандии в семье архитектора. После окончания школы он получил инженерное образование в Парижской политехнической школе, а затем в Школе мостов и дорог, после окончания которой работал дорожным инженером в провинции. В период “Ста дней” Наполеона Френель присоединился волонтером к роялистам, которые должны были преградить дорогу Наполеону при его возвращении с Эльбы, за что и был уволен со службы. Френель удалился в Матье, близ Каэна, занялся научными исследованиями, к которым стремился еще со времени учебы в школе. В распоряжении Френеля не оказалось сколько-нибудь серьезного экспериментального оборудования, и он приступил к опытам, используя доступные примитивные средства. Френель начал с изучения тени, образуемой тонкой проволокой, и пришел к “открытию” интерференции, уже описанной Юнгом. Френель не знал английского языка, не был знаком с исследованиями Юнга, да и вообще оптика была новой для Френеля областью знаний. Френель, по-существу, повторил опыты Юнга, добавив к ним ставший классическим опыт с бизеркалами.Схема опыта Френеля с бизеркалами показана на рис.20.

Рис.20.Схема опыта Френеля с бизеркалами

Свет от источника S падает расходящимся пучком на два плоских зеркала M1 и M2, расположенных относительно друг друга под небольшим углом α. Из геометрических построений по закону отражения видно, что световые лучи, отразившиеся от зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S1 и S2, являющихся изображениями источника S в зеркалах. При наложении на экране Э лучи дают интерференционную картину (АВ – область интерференции). Результат интерференции в некоторой точке C экрана зависит от длины волны и разности хода лучей S1C и S2B. От прямого попадания света экран защищен диафрагмой D.

Уже зная об опытах Юнга, Френель, тем не менее, продолжает увлекшие его исследования. Он разрабатывает “опыт с бипризмой Френеля”, как он стал называться впоследствии. В этом классическом опыте интерферирует лучи, исходящие из одного источника и преломленные двумя одинаковыми, сложенными своими основаниями призмами с малым преломляющим углом.

Одновременно с проведением опытов Френель развивает теоретическую сторону проблемы. Используя принцип Гюйгенса, он рассматривает суммирование волн в произвольной точке линии, соединяющей источник с освещенной точкой. Он показывает, хотя и не вполне строго с точки зрения математики, что сферические волны во внешней точке определяются влиянием лишь небольшого сегмента волны, центр которой находится в светящейся точке. Остальная часть волны в сумме дает нулевой эффект в рассматриваемой точке (нулевую “результирующую интенсивность”). Тем самым Френелю удалось преодолеть самое главное препятствие, находящееся на пути признания волновой теории – объяснить прямолинейность распространения света на основе волновых представлений. Пусть S0 – точечный источник света, с длиной волны λ, M – точка наблюдения (рис.21.).

Рис.21.Зоны Френеля

Выберем волновую поверхность радиусом R, так, чтобы расстояние ℓ от точки M до точки O сферы было порядка R. Френель разбил волновую поверхность на кольцевые зоны такого размера, чтобы расстояния от краев зоны до точки C отличались на (“зоны Френеля”, как их теперь называют). Колебания, приходящие в точку С от соседних зон, будут при интерференции ослаблять друг друга, поэтому амплитуда результирующего колебания в точке C:

A = A1 - A2 + A3 – A4 + …,

где A1, A2 … амплитуды колебаний, возбуждаемых соответствующими зонами Френеля. Можно показать из геометрических соображений, что площади зон Френеля примерно одинаковы. Действие зон постепенно убывает от центра O к периферии. Число зон вследствие малости λ велико. Приняв амплитуду колебаний в каждой зоне равной среднему значению амплитуд колебаний соседних зон легко показать, что

А= ,

то есть амплитуда колебаний в произвольной точке C определяется действием только половины центральной зоны. Следовательно, распространение света от точки S к точке C происходит прямолинейно.

Отметим, что из представления о зонах Френеля следует возможность усиления света в точке C. Действительно, если построить такую пластину, состоящую из чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец, соответствующих зонам Френеля (так называемую “зонную пластину”), и перекрыть четные зоны, то результирующая амплитуда будет A = A1 + A3 + A5 + …, и освещенность в точке C увеличится.

Объяснение прямолинейности распространения света на основе волновых представлений Френель опубликовал в мемуаре о дифракции света – работе представленной на конкурс, объявленный в 1817 г. Академией наук Франции. Конкурс проводился по инициативе Ж.Б. Био и П.С. Лапласа, которые, будучи сторонниками корпускулярной теории, надеялись получить объяснение опытов Юнга и Френеля по интерференции. Результат был полностью противоположным: родилась волновая теория дифракции, основанная на принципе Гюйгенса – Френеля. Один из членов комиссии, С.О. Пуассон, изучая мемуар Френеля, заметил, что из теории Френеля следует важный вывод, не отмеченный самим автором мемуара: в центре тени, образуемой круглым экраном, должно быть светлое пятно, а в центре конической проекции небольшого круглого отверстия на определенном расстоянии должно наблюдаться темное пятно. Это, как будто бы, противоречило здравому смыслу, и комиссия предложила Френелю экспериментально доказать этот вывод. Френель и поддержавший его Араго, провели соответствующие опыты и подтвердили справедливость теории Френеля. Академия по представлению комиссии присудила Френелю премию за работу по дифракции, а в 1823 г. избрала Френеля своим членом.

Для окончательной “победы” волновой теории не хватало важного звена. Сторонники корпускулярной теории считали, что явление поляризации света, открытое французским военным инженером Этьеном Малюсом (1775 – 1812), объясняется только корпускулярной природой света. Напомним, вкратце, историю открытия поляризации. Датчанин Эразм Бартолин (1635-1698) описал опыты с исландским шпатом (кристаллическое вещество, кальцит), в которых он обнаружил, что если луч света падает на поверхность исландского шпата, то, преломляясь, он раздваивается (рис.22.).

Рис.22.Двулучепреломление в кристалле исландского шпата

Один из преломленных лучей подчиняется закону преломления (этот луч называют “обыкновенным”), в то время как другой (“необыкновенный”) этому закону не подчиняется. Позднее Гюйгенс открыл явление, которое, как он сам признал, не мог объяснить. Если расположить два кристалла исландского шпата так, что их так называемые, главные сечения будут параллельны, то луч света, проходящий сквозь первый кристалл во втором уже не испытывает двойное лучепреломление, а преломляется обычно. Если же второй кристалл шпата повернуть, то двулуче - преломление вновь возникает, причем интенсивность преломленных лучей зависит от угла поворота кристалла. Ньютон выдвинул идею, что корпускулы обладают “различными сторонами” специальной формы, так что поведение корпускул зависит от их ориентации или “поляризации” (термин употреблен впервые Ньютоном). Малюс обнаружил, что свет, отраженный от воды под углом 52є45', обладает тем же свойством, что и свет, прошедший через кристалл исландского шпата, и объяснил это явление в духе Ньютона. Свет, в котором корпускулы имеют определенную ориентацию, Малюс вслед за Ньютоном стал называть поляризованным. Исследованием поляризации занялись во Франции Ж.Б. Био (1774-1862) и Араго (1786-1853), в Англии Дэвид Брюстер (1781-1868), Уильям Николь (1768-1851).

В сотрудничестве с Араго, Френелем были поставлены эксперименты, показывающие, что лучи, поляризованные в параллельных плоскостях, интерферируют, а два луча, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют (не " гасят" друг друга). Такое явление не имело аналогов в акустике - наиболее характерной области применения волновых представлений. В поисках выхода из этого положения Френель, до этого пользовавшийся представлениями о продольности колебаний светоносного эфира, принимает гипотезу о поперечности колебаний эфира, то есть колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волн. Из этой гипотезы следовало, что эфир должен быть очень твердым телом, поскольку только твердые тела передают поперечные колебания. Одновременно эфир должен являться тончайшим и невесомым флюидом. Такое представление об эфире казалось слишком фантастическим. Араго не смог его принять и отказался подписать представленную Френелем статью, в которой утверждалась идея поперечности световых волн. Френелю пришлось в одиночку отстаивать свою точку зрения. Френель развивает механическую теорию эфира, выводит формулы, определяющие скорость распространения света в среде в зависимости от длины волны и показателя преломления среды. Механическая модель эфира Френеля стала основой для разработки общей теории упругости, появившейся после работ Френеля.

Волновая оптика, разработанная Юнгом и Френелем, теоретически объясняла все известные оптические явления, включавшие отражение, преломление, полное внутреннее отражение, прямолинейность распространения света, дифракцию, интерференцию, двулучепреломление и поляризацию. Это было величественное здание, которое, как показывает история, также оказалось не свободным от недостатков.

Спектральный анализ

Спектральный анализ как метод научных исследований, основанный на изучении распределения излучения по длинам волн (изначально по цветам видимого света), довольно долго рождался в недрах оптики. Еще в опыте Ньютона с призмой заложены предпосылки для создания спектральных приборов, основу которых составляют диспергирующие элементы, то есть оптические устройства, разлагающие излучение на цветовые (спектральные) составляющие. В опыте Ньютона диспергирующим элементом является призма.

Важным этапом, связанным со спектральным анализом, стали исследования по ахроматизации линз, начатые Долландом. Поиск путей ахроматизации сопровождался измерением дисперсии оптических материалов. При проведении таких измерений Иозеф Фраунгофер (1787-1826) обнаружил в спектре излучения свечи яркую желтую линию, всегда находившуюся в одном и том же месте спектра. Это обстоятельство было весьма удобно использовать при проведении спектральных измерений, в частности для измерения показателя преломления стекол. Исследуя солнечный спектр Фраунгофер обнаружил множество темных линий – провалов в непрерывном спектре, как бы разделяющих непрерывный спектр на зоны. Он обозначил эти линии буквами латинского алфавита. Положение темных линий в солнечном спектре, названных позднее линиями Фраунгофера, оказалось строго фиксированным. Кроме того, темная линия солнечного спектра, обозначенная буквой D, всегда находилась в том же положении, что и яркая линия в спектре излучения свечи (эта линия известна теперь как желтая линия натрия).

В спектральных приборах кроме призм Фраунгофер впервые начал использовать дифракционные решетки и теоретически рассмотрел дифракцию плоских световых волн (дифракцию в параллельных лучах), именуемую сегодня дифракцией Фраунгофера. Фраунгофер получал дифракционные решетки из тончайших близко расположенных нитей или путем нанесения на стекло рисок с помощью алмазного резца. Для получения спектра необходимо, чтобы плотность штрихов (рисок, нитей) была не менее 40 на миллиметр. Фраунгоферу удалось получить плотность штрихов до 300 линий на миллиметр, что по тем временам было величайшим техническим достижением. Принцип получения спектра с помощью дифракционной решетки поясняется рис.23.

Рис.23.К принципу действия дифракционной решетки

Решетка состоит из чередующихся узких прозрачных и непрозрачных участков (штрихов), параллельных друг другу и расположенных через равные промежутки – линейный период решетки d. При нормальном падении на решотку фронта волны излучения (перпендикулярно к поверхности решетки) разность хода лучей, идущих от соответствующих точек штрихов, например от A1 и A2, равна A2B =d sin φ. Эта разность будет такой же для любых других соответствующих точек. Для того, чтобы наблюдались максимумы дифракционной картины, необходимо выполнение условия синфазности волн, то есть

d sin φ = mλ ,

где m = 0, ± 1, ± 2, ± 3, …

Таким образом, угол дифракции, соответствующий максимумам, определяется соотношением

sin φ = mλ /d.

Отсюда следует, что для различных длин волн λ направления на максимумы различны, угол отклонения зависит от периода решетки d и увеличивается с уменьшением d. Поэтому, чем больше плотность штрихов решетки, тем отчетливее спектральная картина. Кроме того, дифракционная картина будет более четкой, если лучи, падающие на дифракционную решетку, параллельны, так как угол падения, один и тот же для всех лучей, не вызовет дополнительной разности хода.

Накопление научных фактов в области спектральных исследований проходило по двум направлениям – исследование спектров испускания и исследование спектров поглощения. Объединить эти два направления удалось немецким ученым Густаву Кирхгофу (1824-1887) и Роберту Бунзену (1811-1899), которые стали основоположниками спектрального анализа.

К имевшимся оптическим инструментам, используемым в анализе спектров, Бунзен добавил источник высокотемпературного несветящегося пламени, известный как “горелка Бунзена”. Эта горелка позволяла переводить в парообразное состояние различные химические вещества, спектр которых исследуется, при этом само пламя практически не давало линий в видимом спектре, маскировавших изучаемый спектр и осложнявших исследования, как это было при использовании обычных горелок.

Руководящими идеями в спектроскопии Кирхгофа и Бунзена стали две: химические элементы имеют характерные, присущие только им светлые линии в спектре испускания; линии в спектре испускания и спекторе поглощения взаимосвязаны. Вторая идея была оформлена Кирхгофом в виде фундаментального закона излучения, - “закона инверсии” спектра, называемого также “законом Кирхгофа”. По этому закону, чем большим поглощением обладает тело на какой-либо длине волны, тем интенсивнее на этой длине волны собственное изучение этого тела, при этом коэффициент поглощения равен коэффициенту излучения. Газы, к примеру, поглощают изучение на тех же длинах волн, на которых они сами способны излучать. Схема прибора, разработанного Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом, который они использовали при наблюдении спектров, показана на рис.24.

Рис.24.Схема прибора для наблюдения спектров

В боковые стенки зачерненного внутри ящика 1, имеющего форму трапеции, вмонтированы объект 2 и зрительная труба 3. В фокальной плоскости объектива 2 расположена узкая щель, за которой, находится пламя горелки Бунзена. В пламя на специальном приспособлении вводится капля 6 исследуемого вещества. Спектральная призма 7, наполняемая сероуглеродом, закреплена на поворотном столике 8, связанном со школой 9. Спектр наблюдается в окуляр зрительной трубы. Путем поворота призмы можно наблюдать различные участки спектра, совмещая линии спектра с нитью, расположенной в фокальной плоскости объектива зрительной трубы. Относительное расположение линии измеряется по шкале 9.

Используя спектральный анализ, Бунзен и Кирхгоф открыли новые химические элементы: в 1866 г. - цезий, а в 1861г. – рубидий, названные так по характерным для них голубой и красной линиями в спектре, позволившим их открыть. Вслед за этими элементами на основе спектрального анализа другими учеными были открыты еще несколько элементов: таллий (1865г., Крукс), индий (1865г., Райх, Рихлер) и другие.

Закон Кирхгофа, объяснявший непонятные до этого линии Фраунгофера как линии поглощения изучения солнечной и земной атмосферами, указал путь изучения химического строения Вселенной. Спектр излучения, приходящего на Землю от звезд, содержит линии, по которым можно распознать химические элементы, содержащиеся в атмосфере звезд. Для этого необходимо сопоставить линии поглощения в спектре излучения звезд с яркими линиями излучения элементов, известных на Земле. Кирхгоф установил, что в солнечной атмосфере присутствует натрий, железо, магний, медь, цинк, бор, никель.

Начиная с исследований Кирхгофа и Бунзена, сектральные методы стали широко использоваться в различных отраслях науки и техники при изучении химического строения веществ. Спектр излучения или поглощения – такой же неповторимый признак вещества, как отпечатки пальцев человека. Спектральный анализ стал незаменимым инструментом исследований в астрофизике, металлургии, химической промышленности, экологии, медицине и многих других областях деятельности человека. На основе спектрального анализа излучения возможно не только определение химического состава вещества, но и проведение других важных исследований. Спектральные приборы, устанавливаемые на космических летательных аппаратах, позволяют исследовать природные ресурсы Земли, прогнозировать урожай, обнаруживать заболевания растительности, выявлять очаги загрязнения и многое другое. По смещению известных линий в спектре можно определить скорость движения космических объектов, измерять расстояния астрономического масштаба.

Скорость света. Физо. Фуко

Проблема измерения скорости света резко размежевывала сторонников корпускулярной и волновой теории света. Из корпускулярной теории следовало, что свет имеет большую скорость в более плотных средах, тогда как волновая теория предписывала большую скорость распространения излучения в менее плотных средах. В рамках корпускулярной теории показатель преломления среды, определенный как отношение угла падения i к углу преломления α равен

Следствием волновой теории было равенство

где v₁– скорость света в первой среде, v₂– скорость света во второй среде (свет переходит из первой среды во вторую).

Был необходим experimentum crucis (“решающий эксперимент”), который мог бы однозначно ответить на вопрос о соотношениb скоростей света в различных средах.

Впервые измерить скорость света в наземных условиях удалось Арману Ипполиту Физо (1819-1896).

Физо родился в Париже в семье профессора медицины. Намерением Ипполита Физо было идти по стопам отца, и он поступил на медицинский факультет университета. Однако учеба вследствие болезни Физо была прервана, а после выздоровления он отказался от медицинской карьеры и решил посвятить себя физике. Он посещал лекции по физике в Коллеж де Франс, в Политехнической школе, учился в Парижской обсерватории, где его учителем был Ф. Араго. Интерес к дагерротипии (предшественница фотографии) свел Физо с Фуко, вместе с которым молодой ученый провел ряд исследований по оптике, наиболее известное из которых касается интерференции излучения при больших разностях хода. Сотрудничество длилось недолго, и вскоре они перешли к состоятельным исследованиям, впрочем, по одной и той же проблеме измерения скорости света. Первым добился успеха Физо. Он сконструировал очень остроумную установку, позволившую впервые достаточно точно измерить скорость света в наземных условиях. Схема установки показана на рис.25

Рис.25.Схема установки Физо для измерения скорости света

Свет от источника 1 фокусируется на модуляторе 3, состоящем из чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, расположенных по периферии диска (наподобие зубчатого колеса). Модулятор находится в фокальной плоскости объектива 4, дающего параллельный пучок лучей. Этот пучок фокусируется объективом 5 на плоском зеркале 6, находящемся в фокальной плоскости объектива 5. Обратный пучок вновь фокусируется на модуляторе объективом 4. Расстояние между зеркалом 6 и модулятором 3 в опыте Физо было равно 8633 м. Секторы модулятора наблюдались через полупрозрачное зеркало 7 и окуляр 8. При неподвижном или медленно вращающемся модуляторе, его периферия виделась в окуляр светлой, поскольку свет успевал проходить до зеркала 6 и обратно через один и тот же прозрачный сектор. При увеличении скорости вращения модулятора непрозрачный сектор перекрывал путь отраженным от зеркала 6 лучам, и периферия модулятора казалась темной. При еще большем увеличении скорости вращения модулятора отраженный пучок попадал уже в следующий прозрачный сектор, и поле зрения вновь становилось светлым. Зная скорость вращения модулятора (и соответственно время, за которое сектор смещается на угол, равный угловому размеру сектора), и длину пути лучей, можно вычислить скорость света. Физо получил значение этой скорости, равное 313274304 м/с. Опыт Физо был проведен в 1849г. и впоследствии повторен и усовершенствован рядом ученых, в результате чего значение скорости света было уточнено. По современным данным скорость света С = 299792458 м/с.

Кроме описанного опыта Физо по определению скорости света, классическими стали его исследования по распространению света в движущихся телах. Несмотря на ошибочность теории Френеля, объяснявшей результаты опытов на основе представлений об эфире, эксперименты Физо по измерению скорости света в движущейся воде рассматриваются сегодня как важное подтверждение релятивистского правила сложения скоростей, на котором мы остановимся в свое время.

Исследования Физо получили международное признание. Он был избран членом Академии наук Франции, членом Лондонского Королевского общества. В течении нескольких лет Физо был профессором Политехнической школы в Париже.

Если Физо первым определил скорость света в наземных условиях, то первенство в постановке “решающего эксперимента” по сравнению скорости света в различных средах принадлежит Жану Бернарду Леону Фуко (1819-1868).

Фуко родился в Париже в семье книгоиздателя. Профессиональная карьера Фуко складывалась довольно сложно. Начальное образование по причине слабого здоровья Фуко было домашним. Затем он пробовал себя в медицине, микрохирургии, в течение нескольких лет занимался журналистикой. Однако склонность к изобретательству, проявляемая Фуко с детства, взяла верх над другими увлечениями. Фуко посвятил себя научным исследованиям. Научные изобретения Фуко получили широкое применение и составили ему славу выдающегося ученого – изобретателя. Фуко изобрел гироскоп, фотометр, усовершенствовал технологию нанесения зеркальных покрытий и многое другое. За доказательство вращения Земли с помощью маятника, Фуко был награжден орденом Почетного легиона. Он обнаружил существование в сплошных металлических телах индукционных токов – “токов Фуко”, нагревающих эти тела, и предложил способ их устранения. Фуко был избран членом Лондонского Королевского общества, членом – корреспондентом Петербургской Академии наук, и, незадолго до смерти, членом Французской Академии наук.

Метод измерения скорости света, разработанный Фуко, не требовал больших расстояний, и, кроме того, позволял сравнивать скорости распространения света в различных средах. Идея метода Фуко заключается в следующем (рис.26.).

Рис.26.Схема установки Фуко для измерения и сравнения скорости света в различных средах

В центре кривизны С сферического зеркала устанавливалось плоское вращающееся зеркало с осью вращения в точке C. Благодаря такому расположению зеркал луч света от источника излучения S всегда распространялся вдоль радиуса АС зеркала, то есть возвращался после отражения от сферического зеркала к плоскому зеркалу. Однако, за время прохождения света от точки C до точки A туда и обратно (путь равен 2R, R – радиус сферического зеркала), зеркало успевало повернуться на угол α, в результате чего свет отражался по направлению CS', составляющему 2α с направлением SC. Измерив угол 2α и, зная угловную скорость вращения зеркала, можно рассчитать R, а следовательно и скорость света

Введя на пути CA трубу с водой, Фуко определил, что скорость света в воде в 4/3 раза меньше, чем в воздухе. Фуко получил значение скорости света в воздухе равной 298000 км/с. За опыты по измерению скоростей света в воздухе и воде Фуко в 1853г. был удостоен докторской степени.

Таким образом, опыты Физо и Фуко стали еще одним триумфом волновой теории.

6.7. Инфракрасное излучение. Гершель.
Гипотеза о существовании невидимых тепловых лучей восходит к древности, однако, систематические исследования теплового излучения начались с конца XVIII в.. И хотя в “Пирометрии” Ламберта уже были описаны эксперименты, доказывающие прямолинейность распространения тепловых лучей и закон обратных квадратов для них, о подобии тепловых и световых лучей не могло быть и речи. Только после открытия Вильямом Гершелем (1738-1822) невидимых инфракрасных лучей вопрос об общности свойств теплового и светового излучения приобрел особую остроту.

⇐ Предыдущая 19 20 21 22 232425 26 27 28 Следующая ⇒