Понятие о свете. Элементы лучевой оптики

Свет представляет собой поток лучистой энергии, воспринимаемый глазом как зрительное ощущение.

Световая энергия отличается от других видов лучистой энергии только длиной волны. Длина волны определяет собой качество всякого излучения. Лучи, посылаемые радиостанциями, тепловые лучи, видимый глазом свет и невидимые ультрафиолетовые лучи— все они имеют одинаковую природу, распространяются с одинаковой скоростью, подчиняются одним и тем же законам, но различаются между собой длиной волны и производят благодаря этой разнице совершенно различное действие.

Способность действовать на расстоянии присуща всякому источнику лучистой энергии, но в то время, как для приема других видов энергии, например, энергии радиоволн, необходим специальный приемник, световая энергия воспринимается нами непосредственно при помощи органа зрения - глаза. Эта особенность света придает ему исключительное положение среди других видов лучистой энергии, а глазу отводит важнейшее место среди органов чувств.

Наиболее обширные и в большинстве своем вполне достоверные сведения о внешнем мире мы получаем при помощи зрения.

На первых стадиях своего развития человечество довольствовалось только естественным солнечным светом; в дальнейшем человек создал искусственные источники света, что дало ему возможность пользоваться зрением и при отсутствии солнечного света.

На рис. 1 приведен полный спектр лучистой энергии ют самых длинных электрических лучей до самых коротких— космических. Видимый свет занимает здесь очень незначительное место — участок волн длиной от 0,4 до 0,76 микрона (μ) или от 4000 до 7600 ангстрем (А); с точки зрения физики этот участок ничем не примечателен, однако именно он обеспечивает человеку громадные возможности, обладая видимостью. То, что свет воспринимается глазом непосредственно, придает учению о свете особый характер, заставляя рассматривать его не только как раздел физики, но в значительной мере и как раздел физиологии и психологии.

Рис. 1. Спектр электромагнитных колебаний

Различие в длине волны видимого излучения воспринимается глазом как различие в цвете и, таким образом, на маленьком участке волн между 0,4 и 0,76 микрона оказывается расположенным все разнообразное множество цветов, доступное человеческому зрению.

Солнечный свет содержит видимые излучения всех длин волн и, кроме того, лучи, не видимые глазом,—ультрафиолетовые и инфракрасные. Наиболее короткие волны воспринимаются человеком как фиолетовый цвет, наиболее длинные—как красный. Между ними расположены, как это показано на рис. 2, все остальные цвета спектра. Следует указать, что чувствительность глаза не одинакова ко всей области видимого спектра — она имеет максимум в зеленовато-желтой части и быстро спадает к обоим концам спектра.

Рис. 2. Кривая видности А_λ

Световые явления составляли для человека предмет настойчивого изучения задолго до того, как была выяснена настоящая природа света и создана электромагнитная, или волновая теория. Значительно раньше были установлены основные свойства света, и знание законов его распространения использовано для построения оптических приборов.

Природа света очень сложна. Изучение ее во всех подробностях составляет обширный курс физической оптики, где эта природа рассматривается в виде стройной, вполне разработанной и освобожденной за последнее время от внутренних противоречий теории.

Однако огромное большинство практических вопросов прикладной оптики и светотехники решается значительно проще методами лучевой или геометрической оптики. Методы эти чрезвычайно наглядны, а результаты вполне согласуются с наблюдением и полностью удовлетворяют требованиям практики.

В основе лучевой оптики лежит понятие о луче. Лучом называется направление, в котором распространяется свет.

Экспериментально установлено, что в пустоте и однородной прозрачной среде, например, в воздухе при постоянном давлении, в воде, в стекле и т. д., свет распространяется прямолинейно. Поэтому в однородной среде луч может быть представлен в виде прямой линии, начало которой лежит в источнике света.

Скорость распространения света в пустоте, как и других видов лучистой энергии, составляет 300 000 километров в секунду, не зависит от длины волны и превосходит скорость любого известного на земле движения. Достаточно указать, что при такой скорости свет мог бы обогнуть земной шар по экватору в течение 1/7 секунды.

Волновая оптика рассматривает свет как поперечные колебания электромагнитного характера. Всякое колебание характеризуется скоростью распространения _с, длиной волны λ (ламбда) или частотой ν (ню) и амплитудой α.

Между скоростью распространения с, длиной волны λ и частотой колебаний ν существует зависимость:

Иными словами, чем короче длина волны λ, тем больше, или, как принято говорить, тем выше, частота ν.

На рис. 3 схематически показана связь между направлением колебаний и направлением распространения света. Как видно из рисунка, колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, ввиду чего и называются поперечными колебаниями.

Следует иметь в виду, что в обычном свете колебания происходят не в одной плоскости, как показано на рисунке, а во всех плоскостях, проходящих через прямую х—х', которая соответствует, таким образом, лучу в представлении геометрической оптики.

Рис. 3. Направление колебаний и направление распространения света

Следующим понятием геометрической оптики является понятие о светящейся точке. Под светящейся точкой понимают источник света, размерами которого можно совершенно пренебречь.

Практически все источники света обладают определенными конечными размерами, но если сравнить эти размеры с теми расстояниями, на которых наблюдается действие лучистой энергии, то без большой погрешности их легко можно принять за точки. Такое допущение тем более уместно, что большинство искусственных источников света, как, например, спираль электрической лампы накаливания, пламя свечи и т. д., имеют в действительности небольшие размеры, а такие источники, как звезды и солнце, кажутся нам небольшими благодаря огромным расстояниям, отделяющим нас от них.

Когда же размерами источника света нельзя пренебречь, рассматривают его как совокупность отдельных светящихся точек, распространяя на эти точки все те заключения, вывод которых облегчается введением самого понятия о светящейся точке.

Легко представить себе светящуюся точку, от которой во все стороны расходится свет в виде бесконечного множества лучей, заполняющих все окружающее пространство. Такой пучок лучей носит название неограниченного пучка. Если на пути неограниченного пучка поставить диафрагму, то есть преграду из непрозрачного материала с отверстием посередине, то после диафрагмы (рис. 4) свет будет идти уже в виде ограниченного пучка.

Рис. 4. Ограничение пучка

Во всех оптических приборах мы имеем дело только с ограниченными пучками, и лучевая оптика рассматривает только такие пучки.

Ограниченный пучок лучей может состоять из совокупности лучей, расходящихся между собой, идущих параллельно друг другу или, наконец, сходящихся, то есть направленных в одну общую точку (рис. 5).

Рис. 5. Различные формы пучка

Забегая несколько вперед, можно сказать, что оптические инструменты являются как бы трансформаторами световых пучков. Они изменяют характер пучков, их направление и сходимость, причем число превращений, претерпеваемых пучками в оптическом приборе, зависит от степени сложности прибора.

Например, всякий объектив превращает падающие на него пучки расходящихся или параллельных лучей в пучки сходящихся лучей, которые в дальнейшем, например в окуляре, превращаются в пучки параллельных или слегка расходящихся лучей.