Физическая оптика

Представления о природе световых явлений на протяже­нии истории развития физики менялись не один раз. Давно было отмечено, что свет в каких-то случаях ведет себя как вол­на, а в каких-то — как поток частиц (кор­пускул). В пользу волновой картины свидетельствуют интерференция и диф­ракция, в пользу корпускулярной — фото­эффект и эффект Комптона.

После созда­ния квантовой механики свет перестал быть единственным странным объектом в физике — не то волна, не то частица. Ока­залось, что корпускулярно-волновой дуа­лизм (двойственность поведения в разных «житейских» ситуациях) присущ всем объектам, просто эта двойственность не всегда заметна. Сейчас мы знаем, что все световые явления, а точнее, все электромагнитные явления можно описать в рамках квантовой электродина­мики. В ней утверждается, что свет — это поток частиц ве­щества — фотонов — с очень интересными свойствами: они не могут покоиться ни в одной системе отсчета и их спин всегда направлен либо вдоль, либо против их импуль­са.

Первое свойство на языке релятивистской механики оз­начает, что масса фотона равна нулю. Именно этот факт оп­ределяет постоянство скорости света. Второе свойство правильнее было бы сформулировать так: спиральность фотона может принимать только два значения — + 1 и -1. На языке квантовой механики это говорит о том, что фотон, как частица со спином равным единице, почему-то потерял одну из возможных его проекций, а именно нулевую. На языке классической электродинамики это свойство фотонов определяет поперечность электро­магнитных волн. На самом деле второе свойство фотонов тесно связано с пер­вым. Именно потому, что масса фотона равна нулю, его спиральность не может быть нулевой.

Когда же проявляются волновые, а когда корпускулярные свойства света? Если мы изучаем свет с помощью очень чув­ствительного прибора, способного за­фиксировать энергию отдельного кванта, то мы обязательно увидим корпускуляр­ную картинку. Если же наш прибор не может «отделить» отдельный квант, то мы будем воспринимать свет как волну.

Но чтобы зарегистрировать волну, необ­ходимо, чтобы ее длина была сравнима с размерами регистрирующего прибора. Теперь нам должно быть понятно, почему многие световые явления хорошо опи­сываются в рамках геометрической оптики. Это те случаи, ко­гда длина волны фотонов много меньше размеров регистри­рующего их прибора, а энергия фотонов слишком мала, чтобы эти приборы могли ее зафиксировать. Волновые свой­ства электромагнитного излучения проще всего изучать в ра­диодиапазоне.

Гигантский радиотелескоп

Радиотелескоп — устрой­ство для приема и реги­страции радиоизлучения космических объектов. При помощи радиотеле­скопа исследуются ин­тенсивность радиоизлу­чения, его спектральная плотность, поляризация, определяются координа­ты источника радиоизлу­чения на небесной сфере. Радиотелескоп состоит из направленной антенны и радиометра. Радиотеле­скоп, который имеет две или более антенны, рабо­тающие как единая систе­ма, называется радиоин­терферометром. Материал с сайта http://worldof.school

Изготовление антенны для приема самых ко­ротких — миллиметровых — радиоволн не слишком сложная задача. Гораздо сложнее изготовить антенну для дальней кос­мической связи, осуществляемой с помощью длинных много­метровых радиоволн. Чаши таких антенн достигают размеров футбольного поля. Правда, есть современные компактные аналоги таких антенн — фазированные антенные решетки.

А вот создание прибора для регистрации световых волн, дли­на которых составляет десятые доли микрона, уже требует особых ухищрений (хотя наш глаз прекрасно справляется с этой задачей). То, что электромагнитное излучение — это по­ток фотонов (их еще называют γ-квантами), четче всего про­является в рентгеновской и γ-лучевой области спектра, где длина волны меньше сотой доли микрона. Оптические фото­ны, энергия которых ~2 — 3 эВ, проявляют свою корпускуляр­ную сущность в таком хорошо изученном явлении, как фото­эффект.

В связи с двойственной природой света физическая оптика разделяется на волновую и квантовую.

На этой странице материал по темам:

• Физика оптика кратко

• Доклад по физике оптика