Свет. Основные светотехнические величины и единицы

Полемизируя с ними, Ньютон строил свою защиту на том, что в мемуаре не было окончательного утверждения: «Свет – тело», а содержалось лишь предположение: «Свет, наверное, тело». Он изобретательно продемонстрировал трудности волновой теории; среди них, по его мнению, сложнее всего было объяснить прямолинейное распространение света. Ньютон даже предложил компромиссный вариант, объединивший волновые свойства света с корпускулярными, показав, как хорошо можно объяснить происхождение цветов тонких плёнок, исходя из волновых свойств. (Подробнее о взаимосвязи света и цвета см. Главу 5.)

Лишь в начале 19 века трудами О.Френеля и Т.Юнга была надёжно обоснована волновая природа света. При этом волны эти уподоблялись упругим волнам, сходным до известной степени с волнами, обусловливающими акустические явления. Однако две важные особенности отличают световые волны от звуковых.

Во-первых, свет распространяется через пространство, откуда удалён воздух или другая среда, тогда как  звук в вакууме распространяться не может. Распространение света в вакууме можно наблюдать в электрических лампочках накаливания, из баллона которых откачан воздух. Другим доказательством способности света распространяться в вакууме являются наблюдения света Солнца и звёзд, отделённых от нас огромными пространствами, содержащими в единице объёма ещё меньше вещества, чем самые совершенные вакуумные приборы (по современным данным в межзвёздном пространстве приходится в среднем около 1 атома на 1 см³, тогда как в наиболее тщательно откачанных вакуумных приборах заключено не менее 10⁸ атомов или молекул в 1 см³).

Во-вторых, отличительной особенностью световых волн по сравнению с волнами звуковыми является огромная скорость их распространения.

В подразделе 2.1.1 были рассмотрены разнообразные проявления света, показываю-щие, что он несёт с собой энергию. Естественен отсюда и вопрос о том, с какой скоростью распространяется световая энергия. Попытки ответить на этот вопрос предпринимались уже давно. Так, ещё Г.Галилей (1607 г.) пытался определить скорость распространения света с помощью следующего простого опыта. Представим себе двух наблюдателей А и В, находящихся на расстоянии L друг от друга и снабжённых одинаковыми хорошо выверенными часами. Если наблюдатель А в некоторый момент пошлёт световой сигнал (например, быстро откроет заслонку фонаря), а наблюдатель В отметит по своим часам тот момент, когда он увидит этот сигнал, то можно будет определить время Т, за которое свет прошёл данный путь L, и, следовательно, определить скорость света С= L/Т.

Можно значительно упростить и  усовершенствовать опыт, если вместо второго наблюдателя поместить зеркало. Наблюдатель, открывающий фонарь, отметит также и момент, когда световой сигнал, отразившийся от зеркала, вернётся к нему, т.е. пройдёт путь 2L. Т.о. удалось бы определить скорость света, располагая лишь одними часами. Но опыт Галилея как в первом, так и во втором вариантах не дал определённых результатов. Естественно, что регистрация момента выхода и прихода сигнала делается с некоторыми ошибками. Скорость же света оказалась настолько большой, что время прохождения светом сравнительно небольших расстояний, на которые можно было бы отдалить пункты А и В, было значительно меньше указанных ошибок. Поэтому принципиально правильный опыт не дал удовлетворительных результатов. Необходимые возможные усовершенствования – значительное увеличение расстояния L или сильное повышение точности измерения – были внесены впоследствии и дали благоприятные результаты.

В методе датского астронома Олафа  Рёмера (1644-1710), предложенном в 1675 г., были использованы огромные расстояния, с  которыми имеет дело астроном. Световым сигналом, исходящим из пункта А, служили затмения спутника Юпитера, наблюдатель на Земле регистрировал момент затмения. Обращение ближайшего к Юпитеру спутника происходит за 1³/₄ дня, т.е. затмения его весьма часты. Рёмер установил, что наблюдаются затмения не вполне регулярно. Если, например, начиная с положения Земли З₁, предвычислить моменты ожидаемых затмений и произвести наблюдения при положении Земли примерно через ½ года (Период обращения Юпитера почти в 12 раз больше периода обращения Земли. Поэтому Ю₁, Ю₂, Ю₃ разделены промежутками около полугода), то момент затмения оказывается запоздавшим против вычисленного почти на 16 мин. Однако те же вычисления дают правильный результат, если вновь провести наблюдения к моменту положения Земли З₃, т.е. ещё через полгода.

Рёмер дал простое объяснение этим явлениям: надо учитывать время, необходимое  для того, чтобы свет прошёл добавочное расстояние, равное поперечнику земной орбиты. Это добавочное расстояние по современным измерениям равно 2,99х10⁸ км, добавочное время – 966,4 с, отсюда скорость света С равна приблизительно 300 000 км/с. Сам Рёмер нашёл для скорости света С значение 215 000 км/с.

Другой, во много раз более точный способ определить скорость света, не прибегая к огромным расстояниям  между пунктами А и В, предложил французский физик Леон Фуко (1819-1868). Его метод назван методом вращающегося зеркала. Скорость света, определённая Фуко с помощью этого зеркала, равна 296 000 км/с. А также, помещая на пути движения света трубу с водой, он смог измерить скорость распространения света в воде и получил значение, в ⁴/₃ раза меньшее, чем в воздухе, в соответствии с представлениями Х.Гюйгенса.

Введя ряд остроумных усовершенствований в метод вращающегося зеркала, американский физик Альберт Майкельсон (1852-1931) значительно повысил точность определения скорости света. По его определениям (1927) С=299 796 км/с.

И в дальнейшем это число уточнялось. Так, в 1973 г. решением Генеральной ассамблеи  Международного комитета по численным  данным науки и техники, обобщившим все известные экспериментальные данные, скорость света в вакууме принято считать равной 299 792 458±1,2 м/с.

Однако в масштабах астрономических  эта скорость не так уж и велика. Так, свет идёт от Солнца до Земли около 8 мин., а от ближайшей звезды – около 4 лет. За год свет проходит расстояние примерно в 10¹³ км. Эта величина оказывается удобной в качестве единицы длины для огромных астрономических расстояний; она названа световым годом.

Наряду с этой единицей астрономы  используют парсек. Парсек (т.е. параллакс-секунда) – это расстояние, с которого радиус земной орбиты (150 млн.км) виден под углом 1². Парсек равен примерно 3¹/₄ светового года.

Огромная скорость света  выделяла оптические явления из всех других, известных в первой четверти 19 в. Примерно полвека спустя Дж. Максвелл установил, исходя из теоретических соображений, что с такой именно скоростью должно распространяться всякое электромагнитное возмущение (см. Главу 3). Через некоторое время Г.Герц на опыте осуществил электромагнитные волны, скорость распространения которых действительно оказалась равной скорости распространения света.

Дальнейшими исследованиями и в первую очередь опытами  П.Н.Лебедева, получившего самые  короткие по тому времени электромагнитные волны (6 мм), было установлено, что все основные свойства электромагнитных волн (см. Главу 3) совпадают со свойствами волн световых. Все эти важные факты привели к мысли, что световые волны представляют собой электромагнитные волны, отличающиеся от волн, обычно применяемых в радиотехнике, своей очень малой длиной, меньше микрометра (см. Главу 4).

Электромагнитной природой световых волн объясняется испускание электронов освещёнными металлами, т.е. фотоэлектрический эффект, Существует и ряд других явлений, обнаруживающих связь между светом и электромагнитными процессами. Светящиеся тела (например, Солнце) испускают электромагнитные (первичные) волны. Попадая на какое-нибудь тело, такая первичная волна вызывает вынужденные колебания его электронов, которые становятся источниками вторичных электромагнитных волн. Всё многообразие световых явлений, все видимые нами окраски и очертания предметов представляют собой суперпозицию (наложение) первичных и вторичных волн. Многие черты световых волновых явлений оказываются сходными для волновых процессов самой разнообразной природы, поэтому знакомясь в дальнейшем с некоторыми основными понятиями геометрической, а также физической оптики, мы будем пользоваться сведениями о волнах, изложенных в Главе 1.

Накопление новых экспериментальных  данных привело в 20 веке к заключению, что свет наряду с волновыми обладает и корпускулярными свойствами (кванты света, или фотоны), о которых см. в Главе 7.

В настоящее время  квантовая теория объединяет волновые и корпускулярные представления  о свете в единое целое, так  же как она объединяет волновые и корпускулярные представления об электронах, атомах и других частицах.

Глава 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

3.1. Понятие явления

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) – это распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (т.е. взаимодействующих друг с другом элек-трического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порож-денных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников – движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-)излучение (см. схему справа).

Электромагнитное излучение  способно рас-пространяться в вакууме, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, запол-ненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

3.2. Характеристики  электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнит-ного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо  связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения  электромагнит-ного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света. В большинстве случаев (обычно) скорость – и групповая, и фазовая – распространения электромагнитного излучения в веществе отличается от таковых в вакууме очень незначительно.

Описанием свойств и  параметров электромагнитного излучения  в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных  областей спектра занимаются определенные более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и ее разделы) и радиофизика. Жестким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями (Стандартная модель) при высоких энергиях электродинамика перестает быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем – при еще более высоких энергиях – как ожидается – со всеми остальными калибровочными полями.

Существуют различающиеся  в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершенных и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику – предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других – медицинских и биологических – позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей – фундаментальных и прикладных – таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего – определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности  электромагнитных волн с точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики: