Физика және техникалық пәндер кафедрасы
| Барлығы:
|
30 |
15 |
15 |
30 |
|
90 |
Дәріс сабақтарының тезистері
1,2 Дәріс тақырыбы:
Оптика пәні Жарық жөніндегі ілімнің дамуына қысқаша тарихи шолу. Жарықтың электромагниттік табиғаты
Оптиканың негізгі заңдары мен құбылыстары ерте заманнан – ақ мәлім (жарықтың түзу сызықпен таралуы, шағылуы, сынуы). Бірінші, екінші заңдар біздің эрамыздан бұрынғы ІІІ ғасырда өткен ертедегі грек ғалымы Евклидтің еңбектерінде кездеседі, сыну заңы – Аристотельдің еңбегінде кездеседі. Содан кейін біздің эрамыздың бас кезінде өмір сүрген астроном Птоломей осы заңды дәлеледемек болып талаптанған. Осы заңды кейіннен голландия физигі Снеллиус, араб физигі Альгазен сан жағынан дәлелдеген. Бірақ қазіргі заманда пайдаланатын сыну заңының түрін 1630 жылы Декарт берген. Сонымен, оптиканың негізгі заңдары өте ерте заманда айтылғанмен, олардың дамуы бірнеше эпохалар бойына жүргізілген. XVII ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты жайында екі түрлі ғылыми түсінік болды. Біреуі – жарықтың корпускулалық теориясы, екіншісі – жарықтың толқындық теориясы. Жарықтың корпускулалық теориясы бойынша (баяндаған Ньютон) жарық дегеніміз жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлшектерінің (корпускулалардың) ағыны. Бірақ бұл теория бойынша негізгі заңдарды түсіндіруге келгенде кемшіліктері болған. Осы кезде – ақ Голландия ғалымы Гюйгенс 1678 жылы бірқатар дыбыс құбылыстары мен жарық құбылыстарын салыстыра отырып, жарықтың толқындық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша жарық дегеніміз ерекше серпімді ортада (эфирде) таралатын толқындық процесс. Гюйгенстің пікірінше жарық та дыбысқа ұқсас сфералық беттер және толқындар түрінде таралады. Сонда жарық толқындары эфирде таралатын механикалық серпімді тербелістер болып таралады.
Толқындық бет жеткен әрбір нүкте элементар толқындардың дербес көзі болады; сол элементар толқындарды ораушы бет жаңа толқындық беттің орнын көрсетеді (Гюйгенс принципі). Жарықтың табиғаты жайындағы осы пікірді орыстың атақты ғалымы Ломоносов та жақтады. XIX ғасырдың бас кезінен бастап қана толқындық теория үстем бола бастады. Бұл кезде Юнг, Френель жарықтың интерференция құбылысы туралы жаңа идеялар айтты. Француз физигі Френель 1815 жылы Гюйгенстің принципіне элементар толқындардың интерференциялану принципін қосты. Сөйтіп Гюйгенс – Френель принципі шықты. 1865 жылы Максвелл өзінің электромагниттік құбылыстардың теориясын шығарып, элетромагниттік толқын мен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық дегеніміз электромагниттік толқындардың дербес түрі деген қорытынды жасады. Герц (тәжірибеде электромагниттік толқындар мен жарықтың негізгі қасиеттері ұқсас). 1900 жылы Планк (неміс) жарық сәулесі белгілі мөлшерде үздік – үздік, порция – порция болып шығуға тиіс деп ұйғарды, ол жарық порциясын квант деп атаған. 1905 жылы Эйнштейн жарық дара энергия кванттары түрінде тек қана шығуға емес, жұтылуға және таралуға тиіс деген болжам тапты. Жарық кванттары қазір фотондар деп аталады да, жарықты кванттар – фотондар ағыны деп ұғынатын теория жарықтың фотондық теориясы деп аталады. Сөйтіп, ХХ ғасырдың басында жарықтың электромагниттік теориясына жарықтың фотондық теориясы қосылды. Сонымен жарықтың табиғаты екі жақтылы; жарықтың әрі толқындық, әрі корпускулалық теориясы бар. Осындай екі жақтылы қасиеттер кәдімгі заттың элементар бөлшектеріне де тән.
Максвелл теориясы бойынша кеңістіктің бір нүктесінде магнит өрісінің кернеулігі (Н) өзгерсе, сол нүктені қоршаған кеңістікте айнымалы электр өрісі (Е) қозады. Сондай – ақ кеңістіктің бір нүктесінде электр өрісінің кернеулігі өзгерсе, сол нүктені қоршаған кеңістікте айнымалы магнит өрісі пайда болады. Сөйтіп электр және магнит өрістері өзара іліктес, олардың бірі өзгерсе, екіншісі де өзгереді. Кернеуліктері периодты түрде өзгеріп отыратын электр және магнит өрістерінің жиыны әдетте электромагниттік өріс деп аталады. Максвеллдің теориясы бойынша электр өрісі кернеулік векторы мен магнит өрісі кернеулік векторының бағыттары бір – біріне перпендикуляр, сонымен қатар олар электромагниттік толқындардың таралу бағыттарына да перпендикуляр болады ()
(1) с/
(1) теңдеу бойынша электромагниттік толқынның вакуумда таралу жылдамдығы жарықтың жылдамдығына тең. Демек, жарық пен электромагниттік толқынның табиғаты бір.
У
Х
Z
Максвелл теориясы бойынша жарық электромагниттік толқындардың бір түрі. Электромагниттік толқындардың ұзындығы бірнеше мың километрден сантиметрдің миллиардтың үлестеріне дейін болады. Радиохабар беру үшін пайдаланылатын электромагниттік толқындар ұзындығы бірнеше километрден бірнеше сантиметрге дейін болса, ал оптикада қарастырылатын толқындар ұзындығы бірер миллиметрден миллиметрдің миллиардтық үлестеріне тең болады. Толқындардың ұзындығы мм – дің он мыңнан 76 үлесінен мм – дің он мыңнан 4 үлесіне тең болып келген электромагниттік толқындар көзге әсер етіп көру сезімін оятады, осындай толқындар көрінетін жарық толқындары деп аталады. Өте қысқа толқындар ұзындығын өлшеу үшін әдетте микрометр (қысқаша мкм), нанометр (нм) және ангстрем () деген бірліктер қолданылады: 1 мкм = 10м, 1 нм = 10м, 1 = 10м. Көзге көрінетін жарық толқындарының ұзындығының мәні, шамада 0,76 мкм мен 0,4 мкм аралығында жатады. Адамға ежелден мәлім қызыл, жасыл, сары, көк түсті жарықтардың толқындарының ұзындығы () осы шектен аспайды. Қызыл жарықты ең ұзын = 0,76 мкм, күлгін жарықты ең қысқа = 0,4 мкм деп саналады. Бұларға қосымша толқындарының ұзындығы, шамада 1 мм мен 0,76 мкм аралығында жататын электромагниттік сәулелер инфрақызыл сәулелер деп аталады, ал толқындарының ұзындығы 0,4 мкм мен 1 нм аралығында жататын сәулелер ультракүлгін сәулелер деп аталады. Инфрақызыл және ультракүлгін сәулелер көру сезімін оятпайды, көзге көрінбейді.
Көрінетін жарық , көрінбейтін инфрақызыл және ультракүлгін жарық бір сөзбен тек жарық деп аталады. Жарықты толқындарының ұзындығы немесе тербеліс жиілігі бойынша айырып жіктеуге болады.Белгілі жүйемен кеңістікте орналасқан жарық толқындарының немесе тербеліс жиіліктерінің жиыны оптикалық спектр деп аталады. Ең алғаш (1666 ж) күннің жарығын шыны призмадан өткізіп спектрге жіктеген ағылшынның атақты ғалымы Ньютон болды. Толқын ұзындықтары 0,4 мкм – ден 0,76 мкм – ге дейінгі жарық сәулелері көзге көрінетін болғандықтан спектрдің осы сәулелерге тән бөлігі көрінетін спектр деп аталады.
Спектрдің осы бөлігіне жататын жарық сәулелері шыныдан өте алады. Спектрдің бұл бөлігін тікелей көзбен көріп бақылаумен қатар, оның фотосуретін түсіріп алуға да болады. Көрінетін спектрдің қысқа толқынды шетінен, шамада 0,4 мкм – ден басталатын спектрдің алқабы ультракүлгін спектр деп аталады. Бұл спектрдің шеті 1 нм – ге дейін созылады. Ультракүлгін спектрге жататын жарық толқындары шыныдан өтпейді: олар кварцтан, тастұздан және шынының арнаулы сорттарынан өте алады. Көрінетін спектрдің ұзын толқынды қызыл шетінен басталатын спектр алқабы инфрақызыл спектр деп аталады.Спектрдің бұл бөлігінің ең ұзын толқынды шеті шамада 1 мм – ге дейін созылады. Инфрақызыл сәулелер шыныдан, кварцтан, тастұздан өте алады.
Сонымен көрінетін спектрдің қызыл шетінен инфрақызыл спектр алқабы, күлгін шетінен ультракүлгін спектр алқабы басталады. Бұлар әдетте оптикалық спектрлер деп аталады. 1895 жылы Рентген ультракүлгін сәулелерінің ұзындығынан қысқа электромагниттік сәулелерді ашты. Оны рентген сәулелері деп атайды. 1896 жылы радиоактивтік ашылған, сонда ұзындығы өте қысқа сәулелер ашылған . Сонымен, қазіргі заманымызда оптикаға электромагниттік толқындардың бәрі кіреді, радио толқындарынан басқа.
Достарыңызбен бөлісу:
