Оптика дамуы

Ш.Уәлиханов атындағы Көкшетау Мемлекеттік университеті

 

 

 

 

 

                

                                                                     

                                                                      Орындаған: Әбибулла Г.Қ.

Қабылдаған: Бркенова Ә.С.

 

 

 

                           

 

                              

 

                           Көкшетау 2014 жыл

 

Жоспар:

І. Кіріспе

ІІ. Негізгі бөлім:

а) Оптика саласын зерттеген ғалымдар

б) Жарықталған оптика, оптикалық күш, оптикалық тығыздық.

ІІІ. Қорытынды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Табиғатта әр түрлі жарық құбылыстары болып жатады. Мысалы, кемпірқосақ, таң шапағы, сабын көпіршігіне күн сәулесі түскенде байқалатын құлпырған қызыл-жасылды жолақтар, бетіне мұнай тамған көпіршік судың көгілдір-күлгін түсі – осылардың бәрі жарық құбылыстары.

Оптикада жарық сәулелерінің табиғаты мен қасиеттері және олардың затқа өтетін әсерлері қарастырылады. Оптикада құбылыстардың негізгі заңдары ерте заманнан-ақ белгілі. Мысалы, жарықтың түзу сызық бойымен таралуы немесе оның шағылуы, сыну заңдарын (б.з.д. 430ж) мен Птоломейге (70-147ж) белгілі болған. Сөйтіп, жарықтың түзу сызықпен таралуы, сол сияқты оның шағылу немесе сыну заңдары оптиканың негізгі заңдары болып есептеледі. Осы заңдылықтарды немесе оптиканың көптеген құбылыстарын жете түсіну үшін жарықтың табиғаты туралы белгілі бір пікірлер болуы тиіс. Осындай пікірлерді кезінде ерте замандағы ғалымдар да айтқан болатын. Бертін келе ғылымның дамуына сәйкес жарықтың табиғаты туралы ой-пікірлер де дамып өзгеріп отырды.

ХҮІІ ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты туралы екі ғылыми түсінік болды. Олардың біреуі – жарықтың толқындық теориясы да, екіншісі – жарықтың корпускулалық теориясы.

Жарықтың корпускулалық теориясын тұжырымды етіп баяндаған ағылшын ғалымы Ньютон болды. Бұл теория бойынша, жарық дегеніміз – жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлшектерінің ағыны. (корпускула – бөлшек деген ұғым), яғни жарық бөлшектері инерция заңына сәйкес ұқсас түзу бойымен қозғалады, сондықтан жарық біртекті ортада түзу бойымен таралады. Яғни, айнаға түскен жарық бөлшектерінің шағылу бұрышы түсу бұрышына тең. Екі мөлдір ортаның шекарасында жарықтың сыну себебі, жарық бөлшектері екінші ортаның бөлшектеріне тартылады, соның салдарынан бірінші ортадан екінші ортаға өткенде жарық бөлшектерінің жылдамдығы өзгереді, сонда бірінші ортаға қарағанда екінші орта тығыздау болса, жарық бөлшектерінің жылдамдығы артады. Корпускулалық теория бойынша жарықтың сыну көрсеткіші жарықтың екінші ортадағы жылдамдығының бірінші ортадағы жылдамдығының қатынасына тең, яғни

                                                             

                                     

Мысалы, жарық ауадан суға өткенде сыну көреткіші 1,33, яғни 1-ден артық екендігі тәжірбиеден мәлім. Демек, Ньютонның жарықтың сыну көрсеткіші туралы қорытындысы дұрыс емес. Сөйтіп бұл теория жарықтың толық табиғатын түсіндіре алмады. Сондықтан голланд ғалымы Х.Гюйгенс(1678ж) жарық құбылыстарын түсіндіретіндей жарықтың толқындық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша жарық дегеніміз – ерекше серпімді ортада, яғни эфирде таралатын толқындық процесс. Гюйгенстің пікірінше, жарық дыбысқа ұқсас сфералық беттер және толқындар түрінде таралады. Сөйтіп, жарық толқындары эфирде таралатын механикалық серпімді тербелістер болып табылады. Бұдан Гюйгенс принципі деп аталатын қорытынды шығады. Толқындық бет жеткен ортаның әрбір нүктесі элементар толқындардың дербес көзі болады, сол элементар толқындарды ортаушы бет жаңа толқындық беттің ортасын көрсетеді. Толқындық беттерге тік жүргізілген түзулер жарық таралатын бағытты көрсетеді. Осы толқындық теория бойынша, тығыздығы аздау ортадан тығыздығы көбірек ортаға жеткенде жарық жылдамдығы кемиді. Сонымен, жарықтың сыну көрсеткішінің мазмұнын  толқындық теория дұрыс түсіндіргенмен жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңдылығын түсіндіре алмады. Сөйтіп, ХҮІІІ ғасыр бойы жарықтың корпускулалық және толқындық теорияларының арасында тартылыс тоқталмады. ХІХ ғасырдың бас кезінде ғана толқындық теория үстем бола бастады. Себебі, Ж.Фуко (1819-1868)  бірінші рет жарықтың судағы таралу жылдамдығын өлшеп, толқындық теорияның дұрыстығын растады. Сол сияқты ағылшын ғалымы Т.Юнг (1773-1829) жарықтың интерференция құбылысы туралы жаңа пікірлер айтты. Юнг бұл құбылысты жарық толқындарының бір-бірімен қосылуынан деп ұқты, ол жұқа пластиналардың бетінде байқалатын әр түсті дөңелекшелердің, яғни Ньютон сақиналарының пайда болуын осы тұрғыдан қарастырды. Сөйтіп, бірінші рет интерференция әдісін пайдаланып, көрінетін сәулелер толқындарының ұзындығын өлшеді.

Француз физигі Френель(1788-1827) Гюйгенстің принципіне элементар толқындардың интерференциялану принципін қосты. Осыдан Гюйгенс-Френель принципі шықты. Осы Гюйгенс-Френель принципі негізінде жарықтың дифракция құбылысы тереңірек түсіндіріледі. Ал француз физигі З.Малюс (1809ж) жарықтың поляризация құбылысын байқады. Сөйтіп жарық ерекше серпімді ортада эфирде  көлденең тербелістер түрінде таралады деген қорытынды жасады.

ХІХ ғасырдың 70-ші жылдарында ағылшын физигі Дж.Максвелл электромагниттік құбылыстардың теориясын дамыта келіп, айнымалы электромагниттік өріс кеңістікте бір орында тұрмай, барлық  жаққа таралатындығын дәлелдеді. Оның вакуумда таралу  жылдамдығы токтың электромагниттік өлшеу бірлігінің элекстростатикалық бірлігіне қатынасына тең екендігі тағайындалды.

Сонымен, Максвелл эектромагниттік толқын мен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық  дегеніміз  электромагниттік толқындардың дербес түрі деген қорытынды жасады. Ал, неміс физигі Герц(1888ж) тәжірбие жасап, электромагниттік толқындар мен жарықтың негізгі қасиеттерінің ұқсас екендігін дәлелдеді. Бірақ бұл теория жарықтың таралу ерекшеліктерін, яғни заттың жарық сыну көрсеткішінің,  жарық толқынының ұзындығына тәуелділігін түсіндіре алмады, бірақ бұл мәселені 1896 ж. Электрондық теорияға сүйене отырып Г.Лоренц түсіндірді.

  Атақты неміс физигі 1900ж. М.Планк (1858-1947ж) абсолют қара дененің  сәуле шығару заңын қорытып  шығарды, яғни жарық шығаратын  осцилляторлар тербелгенде сәулелік  энергия мөлшері үздік-үздік порция  үлесі түрінде шығады деді. Энергияның  осындай үлесі квант деп аталады. Мұны мына қатынас арқылы өрнектеп  жазуға болады:

                                                           Е=h ν

Мұндағы Һ-Планк тұрақтысы, ν- жарықтың тербеліс жиілігі.

Осы энергия кванттары жалпы физикаға үлкен өзгеріс енгізіп, бұрын түсініксіз болған құбылыстарды кванттық теория негізінде түсіндірді. Эйнштейн жарық дегеніміз- кванттар ағыны деп жорыды. Жарық кванттары қазіргі уақытта фотондар деп аталады да, фотондар ағыны болып есептеледі. Осындай теорияны жарықтың фотондық теориясы деп атайды.

Сонымен, жарықтың әрі толқындық, әрі корпускулалық қасиеттері бар жарық табиғатының екі жақтылығы шығады. Осындай көзқарасты белгілі француз физигі Луи Де- Бройль (1924ж) ұсынды. Жарықтың осындай екі жақтылық қасиеттері заттың элементар бөлшектеріне де тән.

Оптика (гр. optіke – көзбен қабылдау жөніндегі ғылым, optas – көрінетін) – физиканың сәуле (жарық) шығару табиғатын, жарықтың таралуын және оның затпен әсерлесу құбылыстарын зерттейтін бөлімі.

                                                 Жарық

Жарық  электро-магниттік толқын болғандықтан, Оптика электро-магниттік өріс жөніндегі жалпы ілімнің (электрдинамиканың) бір бөлігі болып табылады. Жарық жылдамдығының  анықталған алғашқы тәжірбиелер:

1676 ж. Ремер (астромоникалық ғалым)

1849 ж. Физо (Жердің бетінде алғашқы  өлшеу)

1892 ж. Фуко (жарық жылдамдығының басқа  орталарда анықталуы, ауада емес)

Жарықтың вакуумдағы жылдамдығы  с=3* м/с

Оптикалық сәулелер толқын ұзындығы (λ) бойынша 1 нм-ден 1 мм-ге, бір жағынан рентген, ал екінші жағынан радиосәуленің микротолқындық диапазонына дейінгі аралықты қамтиды. Оптика қалыптасқан дәстүр бойынша геометриялық, физикалық және физиологиялық Оптика болып бөлінеді.

Геометриялық Оптика - жарықтың табиғатына назар аудармай, тек оның таралуының тәжірибелік заңдарына сүйеніп, өзара тәуелсіз жарық сәулелерінің біртекті ортада түзу сызықтар бойымен таралуын, әртекті орталар шекарасындағы шағылу және сыну заңдылықтарын зерттейді. Бұл заңдылықтар әр түрлі оптикалық құрылымдарды жобалауға, есептеуге (көзілдірік, микроскоп, телескоп, т.б.) мүмкіндік береді. Сонымен қатар ол жарық әртекті орта арқылы өткенде байқалатын құбылыстарды (сағым, кемпірқосақ, т.б.) зерттейді. Есептеу математикасының кеңінен қолданылуы, әдістемелерінің дамып жетілуі есептеу Оптикасы деген жаңа бағыттың дамуына алып келді. Жарық шамаларын өлшейтін Оптиканың фотометрия бөлімі де іс жүзінде жарықтың табиғатын ескермейді. Оның бірқатар мәселелері адам көзінің жарықты сезу, қабылдау қабілетіне байланысты шешіледі. Бұл заңдылықтар биофизика мен психологияға және көздің көру механизмдеріне сүйенетін физиол. Оптикада зерттеледі.

                                                            Евклид

Ежелгі грек оқымыстысы Евклид - жарықтың түзу сызық бойымен таралуын және оның айнадан шағылу заңдарын тұжырымдады.               17 ғ-да бірқатар оптикалық приборлардың (көру түтігі, телескоп, микроскоп, т.б.) жасалуына және олардың кең қолданылуына байланысты Геометриялық оптика қарқынды дамыды. Голланд математигі В. Снелл және Р. Декарт жарық сәулелерінің екі ортаның шекаралық бөлігіндегі таралу заңдарын тәжірибелік жолмен анықтады. Геометриялық оптиканың теориялық негізі 17 ғ-дың соңында Ферма принципі ашылғаннан кейін қалыптасты. Ертеректе ашылған жарық сәулелерінің түзу сызық бойымен таралу, айнадан шағылу және сыну заңдары осы принциптің салдары болып табылады.

18 ғ-дан бастап Геометриялық оптика оптикалық жүйелерді есептеу әдістерін жетілдіре отырып, қолданбалы ғылым ретінде дамыды. Классикалық электр динамикасы жасалғаннан кейін, Геометриялық оптиканың формулаларын Максвелл теңдеулерінен алуға болатындығы дәлелденді. Геометриялық оптика теориясы іргелі түсініктері мен заңдарының (жарық сәулелері туралы түсінік, шағылу және сыну заңдары) аздығына қарамастан көптеген практикалық нәтиже алуға мүмкіндік беретін теория үлгісі болып есептеледі. Оптикалық құрылғылар теориясының көптеген есептері осы кезге дейін Геометриялық оптикаға негізделген.

Физикалық Оптикада - жарықтың табиғаты, оған байланысты әр түрлі оптикалық құбылыстар (интерференция, дифракция, полярлануы және жарықтың анизотроптық орталарда таралуы, т.б.) зерттеледі. Жарықтың толқындық қасиеттері физикалық Оптиканың негізгі бөлімі – толқындық Оптикада зерттеледі. Толқындық Опитканың негізін Х.Гюйгенс (1629 – 1695), Т.Юнг (1773 – 1829), О.Френель (1788 – 1827) және т.б. қалаған. Гюйгенстің Оптикаға қосқан, осы кезге дейін маңызын жоймаған ең басты үлесі – Гюйгенс – Френель принципі.

Жарықталған оптика

Жарықталған оптика—кейбір элементтерінің жарық шағылу коэффициенттері оларға арнайы жапкыштар жағу жолымен азайтылған оптикалык жүйе.

Оптиканың жарықталуы

Оптиканың жарықталуы - оптикалық жүйе тетіктерінің шағылу коэффициентін оларға арнайы жапқыштар жағу жолымен азайту.

                                        Уильям Хайд Волластон

Уильям Хайд Волластон (William Hyde Wollaston) – ғалым, дәрігер, физик, химик. Англиялық Уильям Хайд Волластон теориялық  және практикалық физиканы зеттеуде өте көп үлес қосты. Оптика саласында маңызды ашылымдары бар. Сонымен, мысалы, 1804 жылы басқа ғалымдардан тәуелсіз құбылыс ашты, кейін оны физик Й.Фрауенгофером «тұрақты күн сәулесінің спекторының түзуі » деп атады. Сонымен қоса Волластон реакциялық индекстардың және «камера-люцида» деп аталатын прибор ойлап тапты.

М.Фарадей

М.Фарадей (1791 – 1867) 1848 жылы жарықтың поляризация жазықтығының бұрылуын ашып, жарықтың көлденең электро-магниттік толқын екендігін және физиканың электрмагнитизм және Оптика бөлімдерінің арасындағы тікелей байланысты көрсетті. Фарадей тәжірибелерінің нәтижелеріне сүйеніп Дж.Максвелл   (1831 – 1879) осы байланыстарды сипаттайтын электро-магниттік өрістің біртұтас теңдеулерін (1865 – 1867) қорытып шығарды. Жарық тарайтын ортаның қасиеттерін осы теңдеулердегі макроскопиялық тұрақтылар – диэлетрлік өтімділік (ε) пен магнит өтімділік (µ) сипаттайды. Ортаның сыну көрсеткіші осы тұрақтылар арқылы анықталады:

                               

 

 

 

 

 

 

 Шағылу заңдары: 
- түскен сәуле мен шағылған сәуле, сәуленің түсу нүктесінен шағылдырушы бетке тұрғызылған перпендикуляр бір жазықтықта жатады. 
- шағылу бұрышы түсу бұрышына тең болады. 
• Айналық бет деп түскен жарық энергиясының басым бөлігін шағылдыратын, яғни жарықты ол түскен ортаға қайта бағыттайтын бетті айтады. 
• Егер жарық сәулесі айналық бетке түссе, одан шағылу да айналық немесе бағытталған шағылу болады. 
• Егер бет кедір - бұдыр болса, онда одан шағылғанда жарық шашырайды. Мұндай шағылуды шашыранды немесе диффузиялық шағылу деп атайды. 
• Параллель жарық шоғы жазық айналық беттен параллель шоқ түрінде, яғни дәл бағытталған түрде шағылады.

 

Лоренц

Лоренц -  жарықтың электро-магниттік теориясының Лоренцтің электрондық теориясымен толықтырылуы Оптиканың дамуындағы маңызды кезең болып саналады. Бірақ көптеген жетістіктерге қарамастан классикалық электрдинамика жарықтың шығу және жұтылу процестерін түбегейлі түсіндіре алмады. Абсолют қара дененің жылулық сәуле шығару энергиясының толқын ұзындығына тәуелділігін талдау теория мен тәжірибе арасындағы қайшылықты көрсетті.

Интерференция құбылысы – екі немесе бірнеше толқынның қабаттасуы кезінде қорытқы тербеліс амплитудасының күшеюі немесе бәсеңдеу құбылысы. Жарық интерференциясы сабын көпіршіктерінде, су бетінде, төгілген жұқа май қабаттарында байқалады.

Интерференцияланады – когарентті толқындар. Когарентті толқын дегеніміз – жиілігі бірдей, фазалар айырмасы тұрақты толқындар.

Интерференцияның максимум немесе минимум мәні

Бірдей фазамен тербелетін екі электромагниттік толқын кеңістіктің бір нүктесіне келіп жеткенде интерференция нәтижесінде қорытқы тербеліс амплитудасы максимал болады. Мұндағы

                                                   l==kℷ

толқындардың жол айырымы, k = 0, 1, 2, 3,... .