Лучше понять природу света поможет исследование таких явлений, как дифракция и поляризация. Изучением данных явлений занимается такой раздел физики, как волновая оптика. Оптика исследует распространение света и его взаимодействия с веществом.
Понятие и характеристика световой волны
Свет - это электромагнитное излучение, обладающее свойством двойственной природы. Так, в одной ситуации он ведет себя подобно электромагнитной волне, а в другой - потоку особых частиц фотонов (квантов света).
Свет, таким образом, представляет собой определенный поток фотонов. Световая волна, с точки зрения волновой оптики, будет представлять собой процесс колебания магнитных и электрических полей, чье распространение наблюдается в пространстве.
Современные представления о свете дают понять, что он является достаточно сложным в природе явлением. Изменение его поведения то в сторону электромагнитной волны, то в направлении потока особых частиц (фотонов) называется свойством корпускулярно-волнового дуализма (корпускула – это частица, а дуализм означает двойственность).
Оптика занимается изучением световых волн и невидимых человеческому глазу излучений таких, как инфракрасное и ультрафиолетовое. Будучи электромагнитной волной, свет обладает следующими свойствами:
- свойство отражения;
- свойство преломления.
Дифракция света
Дифракция света представляет собой явление, демонстрирующее отклонения света от его прямолинейно направленного распространения в условиях прохождения вблизи препятствий. Согласно результатам опытов, свет при определенных условиях обладает свойством проникновения в область геометрической тени.
Рисунок 1. Дифракция света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Если параллельному световому пучку на пути встретится круглое препятствие в виде шарика или круглого отверстия в непрозрачном экране, на расположенном на довольно существенном расстоянии от препятствия экране возникает дифракционная картина (система темных и светлых колец, чередующихся между собой). Если препятствию свойственен линейный характер в виде нити, щели или края экрана, мы увидим на экране систему параллельных дифракционных полос.
Дифракционные явления были хорошо известны ученым еще во времена И.Ньютона, однако попытки объяснить их посредством корпускулярной теории света оказались невозможными. Впервые качественное объяснение дифракции, согласно волновым представлениям, смог дать английский ученый Т.Юнг.
В 1818 г. французский физик О.Френель смог развить количественную теорию дифракционных явлений. В основу своей новой теории ученый включил принцип Гюйгенса с дополнением его идеей интерференции вторичных волн.
Принцип Гюйгенса в своей первоначальной вариации способствовал нахождению исключительно положений волновых фронтов в следующие моменты времени (иными словами, - определению направления распространяющейся волны). Это, по сути, был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса про огибающие вторичные волны Френель поспешил заменить физически ясным положением о вторичных волнах, на основании которого, они, пребывая в точку наблюдения, начинают интерферировать друг с другом.
Практическое применение явления дифракции наблюдается при разработке оптических приборов, таких как микроскопы, фотоаппараты, телескопы, поскольку у всех них имеется объектив, ограничивающий своей оправой световой пучок. Различают дифракцию следующих типов:
- в ближней зоне (при таком положении точка, на которую падает определенный луч, будет близко располагаться к препятствию) - дифракция Френеля;
- в дальней зоне (взаимодействующие лучи оказываются практически параллельными, при этом при достаточно большом отверстии дифракция продолжит оставаться незаметной), явление называется дифракцией Фраунгофера.
Дифракционная решетка - оптический прибор в форме прозрачной или отражающей пластины с нанесенными на нее параллельными штрихами. При прохождении через нее белого света, становится заметным его разделение на спектр. Решетка при этом окрашивается в радужные цвета.
Сквозь решетку можно пропускать не только белый, но и пропущенный через некоторое вещество свет. Данная процедура носит название спектрального анализа и способствует выявлению состава исследуемых образцов.
Таким образом, дифракция возникает в ситуации, когда происходит встреча лучей с непроницаемым препятствием. При этом лучи, которые будут проходить вблизи самого края, не направляются прямолинейно, а постараются обойти препятствие за счет его огибания. Благодаря такому процессу волна обладает способностью полностью огибать объекты, не превышающие ее длину.
Поляризация света
Современной физике известно, что видимый свет является электромагнитными волнами, обладающими определенной длиной. Опыты, открывшие поляризацию света, указывают на факт поперечности таких волн по причине того, что свойства продольной волны в плоскости, которая перпендикулярна направлению ее распространения, не различимы.
В момент распространения электромагнитной волны, мы наблюдаем колебания в ней векторов двух видов:
- вектор напряжённости электрического поля;
- вектор магнитной индукции.
Такие векторы обладают свойством постоянной взаимной перпендикулярности и располагаются в плоскости, которая перпендикулярна распространению волны. В условиях колебаний первого типа вектора в одной плоскости, свет окажется плоскополяризованным (линейно поляризованным), сама плоскость при этом будет считаться плоскостью поляризации.
Оба вышеуказанных типа вектора обладают способностью вращения по направлению распространения света. Здесь уже имеет место процесс сложной поляризации, которой обладает световая волна. Также такой процесс может называться эллиптической или круговой поляризацией.
Рисунок 2. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В качестве поляризатора может выступить не каждое вещество. При прохождении сквозь поляризатор простой (неполяризованный) свет начинает отдавать его атомам часть энергии электромагнитной волны.
Таким образом, составляющая, направленная поперёк вращения бионов, будет передаваться на атомы, расположенные справа и слева от пути прохождения волны и, соответственно, останется в веществе. Энергия исходной волны при этом начнет уменьшаться.
