Оптичне випромінювання (або світло в широкому сенсі слова) - це електромагнітні хвилі, довжини яких знаходяться в діапазоні від 10 -11 до 10 -2 м (від одиниць до десятих часток мм) або діапазон частот яких приблизно дорівнює 3 * 10 11 ... 3 * 10 17 Гц.
У 17-му столітті були висловлені перші наукові гіпотези про природу світла. Світло має енергію і переносить її в просторі. Переносити енергію можуть або тіла, або хвилі, тому про природу світла всунути дві теорії.
Корпускулярна теорія світла (від латинського corpusculum - частка) була запропонована в 1672 році англійським вченим Ісааком Ньютоном (1643 - 1727). Відповідно до цієї теорії, світло - це потік частинок, які в різні боки випускає джерело світла. За допомогою цієї теорії пояснювалися такі оптичні явища, як, наприклад, різні кольори випромінювання.
Голландським вченим Християном Гюйгенсом (1629 - 1695) також в 17-му столітті була створена хвильова теорія світла. згідно з якою світло має хвильову природу. За допомогою цієї теорії добре пояснюються такі явища, як інтерференція. дифракція світла і т.д.
Обидві ці теорії тривалий час існували паралельно, так як жодна з них окремо не могла повністю пояснити всі оптичні явища. До початку 19-го століття після досліджень французького фізика Огюстена Жана Френеля (1788 - 1827), англійського фізика Роберта Гука (1635 - 1703) та інших вчених з'ясувалося, що хвильова теорія світла має перевагу перед корпускулярної. У 1801 році англійський фізик Томас Юнг (1773 - 1829) сформулював принцип інтерференції (посилення або ослаблення освітленості при накладенні світлових хвиль один на одного), що дозволило йому пояснити кольору тонких плівок. Френель пояснив, що таке дифракція світла (огибание світлом перешкод) і прямолінійність поширення світла.
І все ж хвильова теорія світла мала один суттєвий недолік. У ній передбачалося, що світлове випромінювання являє собою поперечні механічні хвилі, які можуть виникати тільки в пружною середовищі. Тому була створена гіпотеза про невидимий світовому ефірі, який являє собою гіпотетичну середу, що заповнює весь Всесвіт (весь простір між тілами і молекулами). Світовий ефір повинен був мати цілу низку суперечливих властивостей: повинен володіти пружними властивостями твердих тіл і бути одночасно невагомим. Ці труднощі були дозволені у 2-й половині 19-го століття при послідовному розвитку вчення англійським фізиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 - 1879) про електромагнітне поле. Максвелл прийшов до введення, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль.
Однак на початку 20-го століття були виявлені переривчасті, або квантові властивості світла. Цим властивостям давала пояснення корпускулярна теорія. Таким чином, світло має корпускулярно-хвильовим дуалізмом (подвійністю властивостей). У процесі поширення світло виявляє хвильові властивості (тобто поводиться як хвиля), а при випромінюванні і поглинанні - корпускулярні властивості (тобто поводиться як потік частинок).
Закони поширення світла в прозорих середовищах на основі уявлень про світловому промені розглядаються в розділі оптики, який називається Геометрична оптика. Мається на увазі, сто світловий промінь - це лінія, уздовж якої поширюється енергія світлових електромагнітних хвиль.
Закон прямолінійного поширення світла
На практиці світло поширюється прямолінійно всередині обмеженого конуса, який представляє собою світловий пучок. Діаметр цього світлового пучка перевершує довжину світлової хвилі.
Якщо показник заломлення середовища скрізь однаковий, то таке середовище називається оптично однорідне середовище.
У прозорій однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно. У цьому полягає закон прямолінійного поширення світла.
Прямолінійність поширення світла підтверджується багатьма явищами, наприклад, появою тіні від непрозорих тел. Якщо S - дуже маленький за розміром джерело світла, а М - непрозоре тіло, перешкодила доїхати падаючому на нього світла S, то за тілом М утворюється конус тіні. Світло, що йде від джерела, затримується тілом М, і на екрані, який поміщений під прямим кутом до осі конуса, виходить добре окреслена тінь тіла М (див. Рис. 1.1).
Мал. 1.1. Прямолінійність поширення світла.
Джерела світла великих розмірів (в порівнянні з відстанню від джерел світла до перешкоди) утворюють півтінь. Освіта півтіні можна розглянути за допомогою двох джерел малих розмірів, які знаходяться один від одного на відстані, що дорівнює розміру великого джерела світла. На рис. 1.2 показано перетин конусів тіні, які утворюються світлом за тілом М. Повна тінь утворюється позаду непрозорого тіла М в тій області, куди не потрапляє світло ні від одного джерела світла.
Півтінь (частково освітлене простір) утворюється в області, де проходять промені тільки від одного з джерел світла. Наприклад, в області, де проходять промені тільки джерела S1, а інше джерело світла S2 заслоненних тілом М. Якщо джерело світла великий, то кожна його точка може розглядатися як точкове джерело світла. У цьому випадку буде відбуватися складання випромінювання від окремих частин поверхні, що випромінює. Також утворюються області тіні і півтіні.
Мал. 1.2. Півтінь, утворена великим джерелом світла.
Утворення тіні при падінні променів від джерела світла на непрозорий предмет пояснює такі явища, як сонячні і місячні затемнення.
Така властивість, як прямолінійність поширення світла. використовується при визначенні відстаней на землі, на морі і в повітрі, а також у виробництві при контролі за променем зору прямолінійності виробів і інструментів.
Прямолінійність поширення світла пояснює можливість отримання зображень за допомогою малого отвору. Простий пристрій, що дозволяє спостерігати перевернуте зображення предметів, називається камера-обскура і являє собою ящик з невеликим отвором в передній стінці. Промінь світла, який поширюється прямолінійно, потрапляє на задню стінку камери-обскура, де з'являється світлове пляма з відповідною інтенсивністю. Сукупність світлових плям від усіх точок предмета і створює зображення цього предмета на задній стінці камери-обскура.