Предмет оптики
Оптика как раздел физики посвящена изучению законов, свойств, и принципов взаимодействия с веществом электромагнитного поля в оптическом диапазоне длин волн (света). Оптику как дисциплину иногда условно делят на геометрическую, физическую и физиологическую оптику.
Геометрическая оптика -- наука о законах, по которым свет распространяется в оптических системах, происходит формирование изображения. Данный раздел оптики не интересуется природой света, делает выводы из эмпирических законов, пользуется представлением о луче света (прямолинейном в однородной среде), который может отражаться и преломляться на границах разделах веществ, обладающих разными оптическими свойствами.
Еще до установления природы света были известны оптические законы:
- закон прямолинейного распространения света в оптически однородной среде,
- закон независимости световых пучков (для линейной оптики);
- закон отражения и преломления света.
Физическая оптика -- наука, которая исследует проблемы испускания света, природу света и световых явлений.
Под светом понимают не только видимый свет, но и достаточно широкие области электромагнитного излучения, такие как инфракрасная и ультрафиолетовая области спектра. Разные участки спектра излучения отличны друг от друга длинной волны ($\lambda $) и, соответственно, частотой ($\nu$). Данные величины характеризуют не только волновые, а также квантовые свойства света. Электромагнитный спектр делят на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Данные участки спектра отличаются не физической природой, а способом их получения и приема. Между данными видами волн не существует резких переходов, участки могут перекрываться, границы являются условными.
Физиологическая оптика -- наука изучающая строение и функционирование аппарата зрения (от глаза до коры головного мозга), разрабатывающая теорию зрения, восприятия света и цвета.
Видимое и инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют оптическую область спектра. Выделение данной области определено близким расположением их участков спектров, а также однотипностью методов, приемов и средств их исследования. Оптический спектр лежит в диапазоне от границы (условной) инфракрасного излучения ($\lambda =2мм,\ \nu =1,5\cdot {10}^{11}Гц$) до условной границы ультрафиолетового излучения ($\lambda =10нм,\ \nu =3\cdot {10}^{16}Гц$). Видимое излучение находится в диапазоне $\lambda =400-760нм$. В оптической области спектра частоты уже нельзя считать малыми в сравнении с собственными частотами атомов и молекул. Из-за чего в области видимого спектра проявляются свойства связанные со строением вещества. В совокупности с волновыми свойствами, выявляются квантовые. Энергия светового кванта при этом равна:
где $h$=$6,63\cdot {10}^{-34}Дж\cdot с$ -- постоянная Планка.
Для рентгеновского и гама -- излучения квантовые свойства излучения становятся более значимыми, чем волновые.
Необходимо отметить, что волновые и квантовые свойства имеются у всего спектра электромагнитного излучения, но в зависимости от длины волны один вид свойств превалирует по значимости над другим, соответственно, применяются различные в методы их исследования. В зависимости от длины волны разные группы волн имеют различные виды практического применения. Следовательно, оптику не следует рассматривать как замкнутую дисциплину, которая изучает только оптическую часть спектра, отделяя другие области четкими границами. Результаты и законы, полученные в других областях, иногда оказываются применимы в оптической области спектра и наоборот.
Итак, предмет изучения оптики: свойства оптического излучения, которые проявляются в процессах его генерации, распространения и взаимодействия с веществом.
Практическое значение оптики, ее влияние
Значение оптики для практики и ее влияние на другие области знания весьма существенны. Так, создание телескопа и спектроскопа значительно расширила возможности человека в познании окружающего его мира. Изобретение микроскопа принципиально изменило биологию. Фотография помогает почти всем отраслям науки. Отсутствие очков ухудшило бы качество жизни многих людей.
Явления, которые изучаются физической оптикой, составляют большой перечень. Оптические явления связаны со многими эффектами, исследуемыми в других разделах физики, при этом оптические методы их исследования относят к наиболее тонким и точным. Из-за этого оптика очень долгое время играла ведущую роль во многих фундаментальных физических разработках, была основой для основных физических воззрений. Так, например, теория относительности и квантовая теория зародились и начали свое развитие на почве оптических исследований. Создание лазеров открыло новые возможности не только в оптике, но и многих отраслях науки и техники.
Оптика -- одна из древнейших наук, по настоящее время она продолжает интенсивно развиваться.
Задачи оптики
Наиболее важными задачами оптики являются:
- открытие законов, которые определяют взаимовлияние оптического излучения и вещества, в котором происходит данный процесс;
- создание методов и методик управления параметрами излучения;
- поиск новых способов записи и передачи информации с использованием света.
Перспективными задачам оптики на сегодняшний день являются:
- создание высокоэнергетических областей и плазменных каналов в мощных лазерах;
- исследования нелинейной оптики фотонных кристаллов;
- изучение лазерного возбуждения внутриядерных переходов;
- исследования в области нелинейной поляризационной оптики;
- разработки в области квантовой теории информации;
- Исследование эффектов нелинейной поляризационной оптики и т.д.
Задание: Длины волн видимого диапазона заключен в пределах $0,38 -- 0,76 мкм$, почему мы видим именно в этом диапазоне?
Решение:
Интенсивность излучения, отражения и поглощения зависит от частоты излучения, температуры, свойств веществ. Температура поверхности Солнца равна примерно $6000К$. Спектр его излучения подобен спектру излучения абсолютно черного тела. Максимум интенсивности излучения по длинам волн приходится на $\lambda \approx 0,5\ мк\ м.$
Решающее значения для хорошего видения имеет соотношение между потоком фотонов, которые несут информацию о предмете, и потоком тепловых фотонов, которые информации не несут, но создают фоновый шум. Чем больше превышение потока информационных фотонов, тем лучше зрение.
Видение предметов происходит посредством отраженного света. Так, для зрения больше всего подходит интервал около длины волны, на которую приходит максимальная интенсивность излучения, то есть $\lambda \approx 0,5\ мк\ м$, при этом необходимо, чтобы интервал был таким, что на него приходится существенная доля полной энергии излучения. Именно таким условиям удовлетворяет видимый диапазон электромагнитных волн. Поэтому в результате эволюции именно в таком диапазоне развивалась возможность человека видеть. На более короткие волны приходится слишком малая доля энергии, а на более длинных волнах большой объем тепловых шумов.
Ответ: Итак, видимый диапазон является наиболее подходящим для зрения, так как на меньшие длины волн днем около поверхности Земли приходится слишком малая доля энергии, тогда как на больших длинах волн возникают шумы, которые мешают зрению.
Задание: Каковы изменения спектра солнечного света при прохождении сквозь атмосферу?
Решение:
Самым интенсивным источником электромагнитного излучения на Земле является Солнце. Спектр его излучения такой же, как у абсолютно черного тела с температурой в $6000 К$. При прохождении света через атмосферу Земли из-за рассеяния и поглощения состав солнечного спектра сильно изменяется, причём изменение его зависит от толщины слоя воздуха, который он преодолевает, его запыленности. В конечном итоге спектр у поверхности Земли заканчивается на длине волны равной $\lambda $$\approx 0,3\ мкм.$ Волны с меньшей длиной волны от Солнца до Земли не доходят, так как они поглощаются азотным слоем в верхних слоях атмосферы Земли. Ослабление волн зависит от высоты Солнца над уровнем горизонта. При прохождении атмосферы сильнее всего ослабляются короткие волны. Из-за поглощения в атмосфере доля энергии ультрафиолетовой части спектра уменьшается, соответственно инфракрасной и микроволновой растет.
