Одним з древніх і об’ємних розділів фізики, оптика. Її досягнення застосовуються в багатьох науках і сферах діяльності: електротехніки, промисловості, медицині та інших. Із статті можна дізнатися, що вивчає ця наука, історію розвитку уявлень про неї, найважливіші досягнення, які існують оптичні системи й прилади.
Що вивчає оптика
Назва цієї дисципліни має грецьке походження і перекладається, як “наука про зорові сприйняття”. Оптика – розділ фізики, що вивчає природу світла, його властивості, закони, пов’язані з його поширенням. Ця наука досліджує природу видимого світла, інфрачервоного і ультрафіолетового випромінювання. Оскільки саме завдяки світлу люди здатні бачити навколишній світ, цей розділ фізики також є дисципліною, пов’язаною з зоровим сприйняттям випромінювання. І не дивно: око – це складна оптична система.
Історія становлення науки
Оптика зародилася ще в античні часи, коли люди намагалися зрозуміти природу світла і з’ясувати, яким чином вдається бачити предмети навколишнього світу.
Древні філософи вважали видиме світло або променями, що виходять з очей людини, або потоком найдрібніших частинок, що розлітаються від об’єктів і потрапляють в око.
Надалі природу світла вивчали багато видатні вчені. Ісаак Ньютон сформулював теорію про корпускулах – крихітні частинки світла. Інший вчений, Гюйгенс, висунув хвильову теорію.
Природу світла продовжували досліджувати фізики 20 століття: Максвелл, Планк, Ейнштейн.
В даний час гіпотези Ньютона і Гюйгенса об’єднані в поняття корпускулярно-хвильового дуалізму, згідно з яким, світло має властивості і частинки і хвилі.
Розділи
Предмет досліджень оптики – це не тільки світло і його природа, але також прилади для цих досліджень, закони і властивості цього явища і багато іншого. Тому в науці виділяються кілька розділів, присвячених окремим сторонам досліджень.
Це:
- геометрична оптика;
- хвильова;
- квантова.
Нижче буде детально розглянуто кожен розділ.
Геометрична оптика
В даному розділі існують такі закони оптики:
Закон про прямолінійності розповсюдження світла, що проходить через однорідне середовище. Світловий промінь розглядається, як пряма лінія, вздовж якої проходять світлові частинки.
Закон відбиття:
Падаючий і відбитий промені, а також перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині (площина падіння). Кут відбиття γ дорівнює куту падіння α.
Закон заломлення:
Падаючий і переломлений промені, а також перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині. Відношення синуса кута падіння α до синуса кута заломлення β є величина, постійна для двох даних середовищ.
Засобом вивчення властивостей світла в геометричній оптиці є лінзи.
Лінза – це прозоре тіло, яке здатне пропускати і видозмінювати світлові промені. Вони діляться на опуклі і увігнуті, а також на збирають і розсіюють. Лінза є основною складовою всіх оптичних приладів. Коли товщина її мала порівняно з радіусами поверхонь, вона називається тонкою. В оптиці формула тонкої лінзи виглядає так:
1/d + 1/f = D, де
d – відстань від предмета до лінзи; f – відстань від лінзи до зображення; D – оптична сила лінзи (вимірюється в діоптріях).
Хвильова оптика та її поняття
Оскільки відомо, що світло має всі властивості електромагнітної хвилі, окремий розділ фізики вивчає прояви цих властивостей. Він називається хвильова оптика.
Основні поняття даного розділу оптики – це дисперсія, інтерференція, дифракція та поляризація.
Явище дисперсії було виявлено Ньютоном, завдяки дослідам з призмами. Це відкриття є важливим кроком до розуміння природи світла. Він виявив, що заломлення світлових променів залежить від їх кольору. Це явище було названо дисперсією або розсіюванням світла. Зараз вже відомо, що колір залежить від довжини хвилі. Крім того, саме Ньютон запропонував поняття спектра для позначення райдужної смужки, одержуваної при дисперсії допомогою призм.
Підтвердженням хвильової природи світла є інтерференція його хвиль, відкрита Юнгом. Так називають накладення один на одного двох або декількох хвиль. В результаті можна бачити явище посилення і ослаблення коливань світла в різних точках простору. Красивими і знайомими кожному проявами інтерференції є мильні бульбашки кольорова і райдужна плівка розлитого бензину.
Будь хвильовому процесу властиве явище дифракції. Цей термін перекладається з латинської як “розламаний”. Дифракція в оптиці – це об’їзд хвилями світла країв перешкод. Наприклад, якщо на шляху світлового пучка розташувати кульку, то на екрані за ним з’являться чергуються кільця – світлі і темні. Це називається дифракційна картина. Дослідженням явища займалися Юнг і Френель.
Останнім ключове поняття хвильової оптики – це поляризація. Світло називають поляризованим, якщо напрямок коливань його хвилі є впорядкованим. Оскільки світ є поздовжньої, а не поперечною хвилею, то і коливання відбуваються виключно в поперечному напрямку.
Квантова оптика
Світло – це не тільки хвиля, але і потік частинок. На основі цієї його складової виникла така галузь науки, як квантова оптика. Її появу пов’язують з іменем Макса Планка.
Квантом називають будь-яку порцію чого-небудь. А в даному випадку говорять про квантах випромінювання, тобто порціях світла, що викидаються при ньому. Для позначення часток використовують слово фотони (від грецького φωτός – “світло”). Це поняття було запропоновано Альбертом Ейнштейном. В даному розділі оптики формула Ейнштейна E=mc2 також застосовується для вивчення властивостей світла.
Головне завдання цього розділу – вивчення і характеристика взаємодії світла з речовиною і дослідження його поширення в нетипових умовах.
Властивості світла як потоку частинок проявляються в таких умовах:
- теплове випромінювання;
- фотоефект;
- фотохімічні процеси;
- вимушене випромінювання та ін.
У квантовій оптиці існує поняття некласичного світла. Справа в тому, що квантові характеристики світлового випромінювання неможливо описати в рамках класичної оптики. Некласичний світло, наприклад, двухфотонный, стислий, застосовується в різних сферах: для калібрування фотоприймачів, при точних вимірах та ін. Ще одне застосування – квантова криптографія – секретний спосіб передачі інформації за допомогою бінарних кодів, де вертикально спрямованому фотону присвоєно 0, а горизонтально направленого – 1.
Значення оптики і оптичних приладів
У яких сферах технології оптики знайшли головне застосування?
По-перше, без цієї науки не було б оптичних приладів, відомих кожній людині: телескоп, мікроскоп, фотоапарат, проектор та інші. З допомогою спеціально підібраних лінз люди отримали можливо дослідити мікросвіт, всесвіт, небесні об’єкти, а також відображати і транслювати інформацію у вигляді зображень.
Крім того, завдяки оптиці був зроблений ряд найважливіших відкриттів в області природи світу, його властивостей, відкриті явища інтерференції, поляризації та інші.
Нарешті, широке застосування оптика отримала в медицині, наприклад, у вивченні рентгенівського випромінювання, на основі якого був створений апарат, який врятував чимало життів. Завдяки цій науці також був винайдений лазер, широко застосовується при хірургічних втручаннях.
Оптика і зір
Око – це оптична система. Завдяки властивостям світла і можливостям органів зору, можна бачити навколишній світ. На жаль, мало хто може похвалитися ідеальним зором. За допомогою цієї дисципліни, стало можливо повернути можливість людям краще бачити за допомогою окулярів і контактних лінз. Тому медичні установи, що займаються підбором засобів корекції зору, також отримали відповідне назва – оптика.
Можна підвести підсумок. Отже, оптика – це наука про властивості світла, зачіпає багато сфер життя і має широке застосування в науці і в побуті.
