Меню

Дифракция глаза света это



Дифракция глаза света это

Явление дифракции ставит предел для разрешающей способности многих оптических инструментов и человеческого глаза.

При дневном освещении диаметр зрачка, т. е. диаметр D отверстия, на котором происходит дифракция света, равен примерно 2 мм; длину волны света примем равной Тогда угловой радиус а центрального светлого дифракционного пятна при попадании на зрачок глаза параллельного пучка света может быть определен по формуле (15.3):

Таким образом, в результате дифракции бесконечно удаленный точечный источник воспринимается глазом как светлое пятно

с угловым радиусом, равным примерно одной угловой минуте. Две светящиеся точки могут восприниматься глазом как отдельные источники света при условии, если угловое расстояние между ними превышает угловой радиус центрального дифракционного светлого пятна от одного точечного источника (рис. 66). Следовательно, разрешающая способность человеческого глаза равна примерно одной угловой минуте.

При фотографирований звезд с помощью телескопа изображение звезд на фотопластинке получается не точечным. Это является следствием дифракции света на отверстии объектива телескопа (рис. 67). Радиус центрального светлого дифракционного пятна на фотопластинке можно определить из условия (15.3):

где — фокусное расстояние. Но, с другой стороны,

Выражение (15.4) показывает, что изображения звезд, на фотопластинке тем ближе к точечным, чем больше диаметр D объектива телескопа и чем меньше его фокусное расстояние F.

Оценим разрешающую способность крупнейшего в мире советского телескопа с диаметром объектива 6 м:

Следовательно, с помощью самого большого в мире оптического телескопа можно различить на небе светящиеся объекты: звезды, детали на поверхности планет, отстоящие друг от друга не менее чем на две сотые угловой секунды.

Явление дифракции ограничивает и разрешающую способность микроскопа. Очевидно, что если в изображении, построенном объективом микроскопа, две светящиеся точки становятся неразличимыми в результате наложения их дифракционных изображений, то дальнейшее увеличение изображения с помощью окуляра не может сделать их различимыми. Следовательно, как и в случае определения разрешающей способности глаза и телескопа, минимальное угловое расстояние между точками, которые могут быть разрешены как отдельные источники света, приблизительно равно угловому радиусу а центрального светлого дифракционного пятна. Согласно выражению (15.3), угол выражается через диаметр объектива D и длину световой волны :

Обозначив расстояние от предмета до объектива микроскопа через (рис. 68), получим для минимального линейного расстояния у между двумя светящимися точками и В, на котором они могут быть разрешены при наблюдении в микроскоп, следующее выражение:

Отсюда видно, что разрешающая способность микроскопа возрастает с увеличением диаметра объектива микроскопа, с уменьшением длины световой волны и расстояния от объектива до объекта.

Так как объектив микроскопа должен построить действительное изображение, то

Следовательно, для уменьшения расстояния необходимо использовать возможно более короткофокусные линзы. Увеличение разрешающей способности объектива микроскопа при заданном фокусном расстоянии путем увеличения диаметра D объектива ограничено естественным пределом:

где — радиус кривизны линзы. Это означает, что плоско-выпуклая линза, обычно применяемая в качестве первой линзы объектива микроскопа, должна быть полушаровой.

Так как фокусное расстояние плосковыпуклой линзы определяется формулой

то для объектива микроскопа можно записать соотношение:

Учитывая это, можно минимальное расстояние, на котором могут находиться две светящиеся точки, различимые с помощью микроскопа, выразить так:

Принимая показатель преломления стекла, из которого сделана линза объектива, получаем:

Таким образом, минимальное расстояние, на котором с помощью микроскопа могут быть разрешены две светящиеся точки при оптимальной конструкции объектива, равно приблизительно длине световой волны.

Один из возможных путей увеличения разрешающей способности оптического микроскопа заключается в использовании коротковолнового ультрафиолетового излучения. Так как ультрафиолетовое излучение не воспринимается человеческим глазом, но сильно действует на фотопластинку, изображение фотографируется, проявляется и потом рассматривается.

Источник

Дифракция света

3. Дифракцией света называют те видоизменения, которым он подвергается, проходя около края тел. Если через отверстие с очень маленьким диаметром впустить в темную комнату солнечные лучи, то замечают, что тени тел, вместо того чтобы быть ясно и резко ограниченными – как это должно было бы быть, если бы свет распространялся всегда по прямой линии, расщепляются на своих контурах и оказываются ограниченными тремя хорошо различимыми цветными полосами, ширина которых неодинакова и идет, уменьшаясь от первой к третьей; когда промежуточное тело достаточно узко, то полосы видны даже в тени, которая кажется разделенной на отдельные темные полоски и более светлые полоски, расположенные на равных расстояниях друг от друга. Последние второго вида полосы мы назовем внутренними полосами, а первые внешними полосами.

4. Гримальди был первым физиком, тщательно их наблюдавшим и изучавшим. Ньютон, тоже занимавшийся дифракцией и даже посвятивший ей последнюю главу своей «Оптики», по-видимому, не заметил внутренних полос, хотя его исследования более поздние, чем исследования Гримальди. В самом деле, в двадцать восьмом вопросе третьей книги своей «Оптики», возражая против волнового принципа, по которому световые волны должны были бы распространяться и внутри тени тела, он говорит: «Правда, лучи, проходящие вдоль тела, несколько изгибаются, как это мною и было показано выше, но это изгибание не совершается в сторону тени; оно совершается в противоположную сторону, и только тогда, когда лучи проходят на очень близком расстоянии от тела; после этого они опять распространяются по прямой линии». Трудно понять, каким образом изгиб света во внутреннюю часть тени мог ускользнуть от столь опытного наблюдателя, в особенности если принять в расчет, что он производил опыты с самыми узкими телами, так как он пользовался даже волосами. Можно даже подумать, что этим он был обязан своим теоретическим предубеждениям, до некоторой степени закрывавшим ему глаза на многозначащие явления, сильно ослаблявшие то главное возражение, на котором он основывал превосходство своего принципа.

Ввиду того что изгиб света во внутреннюю сторону тени является фактом основной важности, мы считаем особенно нужным указать на детали опыта, с помощью которого он устанавливается. Чтобы у вас при производстве его не оставалось на этот счет никаких сомнений, впустите в темную комнату луч солнца через дырочку, проделанную в ставне и покрытую вами листом оловянной бумаги, с проколотым в ней булавкой отверстием, не превосходящим одной десятой миллиметра; вместо того чтобы заставить падать косые солнечные лучи непосредственно на отверстие, что не позволило бы проследить за их ходом в темной комнате на достаточно большом расстоянии, заставьте их падать на расположенное вне комнаты зеркало, наклонив его так, чтобы лучи отражались приблизительно в горизонтальном направлении. Затем поместите в конус лучей, образованный впущенными таким образом лучами, железную или стальную, или сделанную из какого-нибудь другого совершенно не прозрачного вещества, нить, диаметр которой был бы, например, один миллиметр. Для большей определенности я предположу, что нить находится на расстоянии одного метра от маленького отверстия и что белый картон, на котором вы получаете ее тень, помещен еще на два метра дальше, т. е. на расстоянии трех метров от ставен. Очевидно, что если бы маленькое отверстие было бесконечно узким, если бы светящаяся точка была математической точкой, то геометрическая тень, очерченная на картоне, должна была бы иметь три миллиметра в ширину, причем под этим названием я понимаю тень, границы которой были бы очерчены лучами, не претерпевшими никакого изгиба.

5. Вычислим теперь, насколько ширина абсолютной геометрической тени должна уменьшиться вследствие размеров освещающего отверстия. Ввиду того что последнее, по предположению, имеет диаметр в одну десятую миллиметра, крайние лучи будут исходить из точек, удаленных от центра на одну двадцатую миллиметра, а принимая во внимание, что картон находится от железной нити на расстоянии вдвое большем, чем расстояние нити от светящейся точки, геометрическая тень должна иметь в ширину одну десятую миллиметра. Таким образом, абсолютная геометрическая тень с каждой стороны не может уменьшиться больше, чем на одну десятую миллиметра, и, следовательно, будет иметь в ширину 2,8 миллиметра. Значит, если бы лучи не испытывали никакого изгиба во внутреннюю часть тени, то это пространство должно было бы быть в полной темноте. Но, внимательно его наблюдая, вы обнаружите слегка освещенные полосы, благодаря которым будут вырисовываться темные разделяющие их линии, и вы заметите, что даже в самом центре тени[22] находится блестящая полоса. Из этого опыта, который так легко проверить, следует, как это было замечено Гримальди, что свет изгибается во внутренней части тени тел. Нужно сказать, что по мере того, как угол загиба увеличивается, свет очень быстро уменьшается в силе; но это быстрое уменьшение не находится ни в каком противоречии с теорией колебаний, которая очень просто объясняет его малыми размерами световых волн и которая дает даже закон, по которому это уменьшение происходит. Таким образом, Ньютон ошибался, предполагая, что свет не проникает за непрозрачные тела, и то возражение, которое он выводил отсюда против волновой теории, покоилось на неверном предположении.

6. Так как мы только что говорили о внутренних полосах, то поэтому сейчас же и опишем один остроумный опыт, произведенный по этому вопросу господином Юнгом, и приведем то важное следствие, которое он из него вывел.

Прикрыв с помощью экрана весь свет, приходивший от одной из сторон узкого тела, он заметил, что все полосы, расположенные во внутренней части тени, совершенно исчезли, несмотря на то, что таким образом им устранялась только одна половина отклоненных лучей. Отсюда он вывел, что для образования полос необходимо совместное действие обоих пучков лучей и что оно являлось результатом их действия друг на друга; в самом деле, каждый из этих двух пучков, взятый по отдельности, давал в тени один лишь непрерывный свет; и если бы они просто смешивались и не оказывали бы друг на друга никакого влияния, то их соединение тоже должно было бы дать непрерывный свет.

7. Если сделать предположение – естественное с точки зрения принципа истечения, – что различные отклонения световых лучей вблизи тел происходят вследствие возбуждаемого телами некоторого притягательного или отталкивающего действия на световые молекулы, то можно было бы думать, что в этом опыте действие свободного края узкого тела изменялось экраном, касавшимся другого края таким образом, что утрачивалась способность образовывать внутренние полосы. Это возражение должно казаться весьма слабым уже потому, что внешние полосы, образованные свободным краем узкого тела, вовсе не меняются от соседства экрана, но господин Юнг, кроме того, и совсем устранил его, удалив экран от узкого тела настолько, что уже не могло быть основания предполагать, что он может сколько-нибудь изменить притягательные или отталкивающие силы узкого тела. Экран помещался на пути одного из двух световых пучков, или как раз перед тем, как он касался края тела, или сейчас же после этого, – в том и другом случае внутренние полосы всегда исчезали.

8. Кроме того, он доказал существование взаимодействия световых лучей, пропуская свет через два маленьких достаточно друг от друга близких отверстия; он заметил, что в тени промежуточной части находятся темные и блестящие линии, происходившие, очевидно, от действия этих двух пучков друг на друга, так как они немедленно исчезали, как только одно из отверстий закрывалось.

Полосы становятся более ясными, если вместо того, чтобы сделать два маленьких отверстия в экране, проделать в нем на расстоянии одного или двух миллиметров две параллельные щели; и в этом случае, закрыв одну из щелей, можно уничтожить внутренние полосы, хотя свет, получающийся в тени промежуточной части от другой щели, все еще будет весьма значителен. Если щели недостаточно узки или если тень рассматривается достаточно близко от экрана, то часто можно видеть полосы и после того, как один из световых пучков был загорожен; но это не те полосы, которые мы имеем в виду, и их легко отличить, если только щели значительно уже, чем отделяющий их промежуток; ибо в этом случае полосы, получающиеся от совместного действия двух световых пучков и исчезающие при уничтожении одного из них, оказываются гораздо более тонкими, чем те другие. Эти последние, значительно более широкие, получаются от действия каждой щели в отдельности, причем можно заметить, что узкие полосы возникают в средней части пространства там, где обе группы широких полос начинают смешиваться.

Мы всегда предполагали, что весь свет, которым в этих опытах пользуются, получается от одной и той же светящейся точки; если бы это было иначе, если бы два смешиваемых световых пучка не испускались бы одним и тем же источником, то только что описанные явления не имели бы больше места; с помощью волновой теории мы вскоре покажем причину этого. В настоящий момент ограничимся изучением фактов, которые с наибольшей очевидностью показывают, что в некоторых случаях световые лучи оказывают друг на друга заметное действие.

Чтобы дополнить только что нами по этому поводу сказанное, нам остается еще остановиться на другом опыте, в котором это действие обнаруживается с большею отчетливостью и который имеет то преимущество, что отделяет его от явлений чистой дифракции. В этом опыте лучи, полученные от одного и того же источника света, заставляют отразиться от двух слегка наклоненных друг к другу зеркал. Но прежде чем объяснить детально все те предосторожности, которые нужно принять, чтобы обеспечить успех опыта, необходимо указать на возможные усовершенствования в способах наблюдения.

Читайте также:  Если конец света не будет 21 декабря

9. Вместо того чтобы получать светящуюся точку с помощью отверстия, проколотого булавкой в оловянной бумаге или в картоне, закрывающих дырочку в ставнях темной комнаты, гораздо удобнее вставить в эту дырочку стеклянную чечевицу с очень коротким фокусом и на нее направить солнечные лучи, отраженные горизонтально зеркалом, помещенным вне темной комнаты. Известно, что действие чечевицы состоит в том, что она соединяет параллельные лучи, падающие на ее поверхность, приблизительно в одной точке, называемой фокусом, и что этот фокус, находящийся на прямой, проходящей через середину чечевицы, оказывается тем ближе к поверхности чечевицы, чем больше ее выпуклость. Для большей определенности я предположу, что это расстояние фокуса будет равно 1 см, или 10 мм. Если солнце, подобно неподвижным звездам, не являло бы для наших глаз никакой угловой протяженности, то все его лучи, преломившись в чечевице, соединялись бы приблизительно в одной точке; но солнце охватывает собой угол приблизительно в 32 минуты, т. е. лучи, приходящие от двух взаимно противоположных точек его окружности, образуют между собой угол в 32 минуты. Но для того, чтобы определить местонахождение изображений таких двух точек в фокусе чечевицы, нужно взять те из испускаемых ими лучей, которые проходят через центр чечевицы, и, в соответствии со сделанным нами предположением о фокусном расстоянии, изображения будут находиться на продолжении этих двух лучей на расстоянии 10 мм от чечевицы. Таким образом, промежуток, их отделяющий, будет равняться хорде небольшой дуги в 32 минуты, описанной радиусом в 10 мм; это дает по вычислении 93 тысячных миллиметра, или, приблизительно, одну одиннадцатую миллиметра.

Таков, значит, будет диаметр маленького изображения солнца, образованного в фокусе чечевицы направленными на ее поверхность лучами,[23] которые, после пересечения в фокусе, разойдутся светящимся конусом; последний значительно пространнее, чем тот, который получается, если вводить лучи с помощью маленького отверстия. Большая величина светового конуса как раз и делает этот способ более удобным. Он мне был указан господином Араго, и с тех пор я всегда пользовался им в моих опытах.

Если необходимо, чтобы светящаяся точка была особенно неподвижна, как, например, в том случае, когда желательно измерением определить относительные положения полос, то нужно пользоваться вместо простого зеркала гелиостатом – прибором, который так называется, потому что сохраняет отраженные лучи в одном и том же постоянном направлении, несмотря на суточное движение солнца. В самом деле, ясно, что без этой предосторожности лучи отраженные, меняя направление вместе с лучами падающими, заставят слегка переместиться светящуюся точку, образованную их пересечением. Но, как мы только что сказали, абсолютная неподвижность светящейся точки необходима только тогда, когда желательно измерять полосы; строго говоря, можно было бы и тут обойтись без гелиостата, если не делать слишком много измерений сразу, не производить слишком длительных наблюдений, пользуясь при этом чечевицей с очень коротким фокусом.

10. Указав, каким образом лучше всего получить светящуюся точку, я изложу теперь, каким образом лучше всего наблюдать полосы, следуя при этом по пути, который привел меня к моему способу наблюдения.

Желая наблюдать внешние полосы на очень близком расстоянии от непрозрачного тела, я стал отбрасывать тень тела на матовое стекло, а полосы рассматривал сзади с помощью лупы. Но я заметил, что, переводя мой глаз, вооруженный лупой, за пределы матового стекла, я продолжал видеть полосы, и даже со значительно большей ясностью, и что они оставались совершенно сходными с теми, которые обрисовывались на матовом стекле. Отсюда я вывел, что в матовом стекле не было надобности и что было достаточно отбрасывать свет непосредственно на лупу и рассматривать светящуюся точку, поместившись за дающим тень телом.[24] Причина этого весьма проста; с помощью выпуклого стекла в глубине глаза обрисовывается то, что находится в его фокусе, независимо от того, будет ли это какой-нибудь вещественный предмет или изображение, образованное некоторой комбинацией световых лучей, лишь бы эти лучи доходили без изменения до поверхности выпуклого стекла. Окуляр телескопа действует таким же способом, когда с его помощью мы рассматриваем воздушное изображение предметов, получающееся в фокусе объектива, которое заметно также, хотя и значительно менее ясно, при рассматривании на белом картоне или на матовом стекле. Таким образом, простым рассуждением мы могли бы прийти к этому же методу наблюдения, который следует предпочесть применявшемуся до тех пор, так как он имеет преимущество увеличивать размеры полосы и в то же время усиливать их яркость; это позволяет обнаружить их во многих случаях, когда, вследствие их тонкости или слабости света, это оказалось бы невозможным, получая их на белый картон.

Чтобы дать понятие о превосходстве этого метода, достаточно сказать, что с его помощью легко можно обнаружить полосы в свете всякой сколько-нибудь яркой звезды, если поместить на пути ее лучей непрозрачное тело, и что при этом можно даже сделать заметными темные и блестящие полосы внутри тени тела, если оно достаточно узко и достаточно удалено от наблюдателя, в то время как даже самый зоркий глаз не мог бы различить даже тени этого тела, отброшенной на белый картон. Чтобы заметить полосы в свете звезды, нужно пользоваться лупой с большим фокусным расстоянием, как, например, у стекол обыкновенных очков с фокусом в один или два фута, так как при более выпуклом стекле свет оказывается слишком ослабленным. Отсюда следует, что увеличение будет меньше и что в этом случае нельзя наблюдать столь же тонкие полосы, как в случае более яркого света; вообще говоря, чем свет слабее, тем меньше должно быть увеличение. Если в этом опыте, который всякий легко может повторить, желают добиться успеха, то, как мы уже советовали, нужно позаботиться, чтобы световой фокус выпуклого стекла попадал в середину зрачка, что можно сделать, если держать его на расстоянии, при котором вся поверхность стекла кажется освещенной, и если затем, сохраняя относительное положение глаза и лупы, исследовать тень непрозрачного тела, полосы которого желают наблюдать.

Я счел долгом несколько распространиться об этом способе наблюдений, вследствие той легкости, с которой он позволяет изучать все дифракционные явления и с точностью их измерять. В самом деле ясно, что для измерения ширины полос, т. е. расстояний между центрами темных или блестящих полос, достаточно пользоваться небольшой подвижной лупой, в фокусе которой находится очень тонкая нить, на которую производится установка и перемещение которой можно определить с помощью нониуса или микрометрического винта; этот аппарат представляет тогда собою то, что называют микрометром. Тот, которым я пользовался во всех моих опытах и который был сконструирован господином Фортеном, несет на себе медную пластинку, которая с небольшим трением скользит между двумя неподвижными выемками; в середине ее проделано отверстие шириною в один сантиметр; на краях отверстия с одной стороны закреплена нить сурового шелка, которая должна служить для установки, а с другой стороны – небольшая трубка, несущая лупу, которую можно приближать или удалять от нити до тех пор, пока она не будет находиться в ее фокусе. Пластинка, на которой закреплена вся эта система, приводится в движение микрометрическим винтом, выработанным с большою точностью. Ширина его хода точно известна, подразделения же их определяются с помощью круга, разделенного на сто частей и по которому пробегает стрелка, прикрепленная к винту. Перемещение чечевицы и нити при вращении винта может быть таким способом определено с точностью до одной сотой миллиметра. Установив это, легко понять, каким образом можно, например, измерить расстояние между центрами двух темных полос; нить последовательно приводят к центру первой полосы и затем к центру второй, каждый раз отмечая на круге деления, на которых останавливается стрелка, и считая число полных оборотов, которое, кроме того, еще указывается нониусом, разделенным на части, равные ходу винта. Так как величина хода винта известна, то легко вычислить смещение нити или интервал, заключенный между центрами двух темных полос.

11. Я бы мог указать на способ наблюдения с лупой с самого начала, прежде чем описывать первоначальные опыты с дифракцией; но я боялся, что даваемые ими важные результаты останутся под некоторым сомнением, если их опытное обоснование ставить некоторым образом в зависимость от большего или меньшего доверия, с которым можно было бы вначале относиться к новому способу наблюдений; поэтому я описал эти опыты так, как их производили Гримальди и господин Юнг, получая полосы на белый картон. Дело здесь не в какой-либо трудности убедиться рассуждением, что пользование лупой ничего не меняет в этих явлениях; для того чтобы убедиться в этом и на опыте, достаточно даже просто сравнить полосы, обрисовавшиеся на экране, с полосами, видными через лупу, фокус которой находится на том же расстоянии от непрозрачного тела, как и картон; окажется, что они совершенно подобны друг другу, с одной лишь разницей в увеличении и яркости, даваемых лупой; и если их измерить, то ширина их будет одинакова. Но было полезно a priori и неоспоримым образом доказать существование проникновения света в тень и взаимодействие лучей друг на друга; и я счел поэтому нужным изложить новый способ наблюдений лишь после того, как он оказался необходимым для новых опытов, о которых мне нужно было говорить.

12. Мы можем объяснить теперь опыт с двумя зеркалами, в котором при соединении двух пучков, правильно отраженных от зеркальных поверхностей, получаются поразительнейшие явления, свидетельствующие о взаимодействии световых лучей. Чтобы избежать вторичных отражений, усложняющих явления, не следует употреблять стекол, покрытых с обратной стороны зеркальным слоем, но следует пользоваться стеклами, зачерненными с обратной стороны; металлические зеркала еще более удобны. Поместив сначала оба зеркала рядом друг с другом так, чтобы их края точно соприкасались между собою, их вращают затем до тех пор, пока они не окажутся почти в одной и той же плоскости, но все же еще образуют между собой слегка входящий угол, так что дают сразу два изображения одной светящейся точки. О величине этого угла можно судить по расстоянию, которое разделяет изображения; для того, чтобы полосы имели достаточную ширину, нужно, чтобы это расстояние было маленьким. Но больше всего внимания нужно обратить на то, чтобы зеркала не выступали по линии контакта одно над другим, ибо если одно из них выступало на одну или две сотых миллиметра, то это часто бывало достаточным для того, чтобы помешать появлению полос. Выполнение этого условия достигается постепенными пробами, причем то из двух зеркал, которое кажется наиболее выступающим, понемногу вдавливают в мягкий воск, с помощью которого оба зеркала прикреплены к общей подставке; ощупыванием или, еще лучше, пытаясь обнаружить полосы с помощью лупы, можно судить о том, выполнено ли условие или нет. Конечно, можно придумать механизм, с помощью которого можно было бы по желанию менять угол между обоими зеркалами, избегая при этом всякого выступания одного над другим; но для этого нужно было бы, чтобы этот механизм был построен с большой тщательностью. Если указанный мною способ, вследствие требуемой им работы ощупью, оказывается более длинным, то он имеет, по крайней мере, то преимущество, что не требует других аппаратов, кроме двух маленьких металлических зеркал или черного стекла, благодаря чему он является доступным всякому.

13. В этом опыте, так же как и в опытах с дифракцией, следует пользоваться светом только одной светящейся точки; для того, чтобы полосы были достаточно четкими, нужно, чтобы светящаяся точка была тем дальше и тем тоньше, чем у?же оказываются полосы. Наклон системы соединенных зеркал по отношению к падающим лучам не имеет никакого значения. Чтобы обнаружить полосы, нужно немного отойти от зеркал, а отраженные от них лучи направить на короткофокусную лупу, за которой должен находиться глаз, помещенный таким образом, чтобы вся поверхность лупы казалась освещенной. Затем полосы ищутся в той части пространства, в которой соединяются лучи, отраженные от обоих зеркал, и которую легко отличить от остального светлого пространства, так как оно кажется более ярким.

Эти полосы представляют собой ряд блестящих и темных полос, параллельных между собой и на равных расстояниях друг от друга. В белом свете они оказываются окрашенными в самые яркие цвета,[25] в особенности же те из них, которые ближе к середине; по мере того как расстояние от центра их увеличивается, они становятся постепенно все слабее и, наконец, в восьмом порядке исчезают. В более однородном свете, как, например, в свете, полученном с помощью призмы или с помощью окрашенного в красный цвет стекла, замечается значительно большее число полос, представляющих собой простое чередование темных и светлых полос, окрашенных в один и тот же цвет. Если пользоваться по возможности более однородным светом, то явление сводится к своему наиболее простому виду. Мы сначала разберем этот частный случай. После этого нам будет легко объяснить наблюдаемые в белом свете явления, если мы наложим друг на друга блестящие и темные полосы, получаемые в отдельности для каждого рода цветных лучей, входящих в состав белого света.

Читайте также:  Как узнать оплачено за свет или нет

Направление этих полос всегда перпендикулярно к прямой линии, соединяющей два изображения светящейся точки, во всяком случае в той части пространства, которая освещается правильно отраженным светом, причем направление этой прямой линии по отношению к краям соприкасающихся зеркал может быть каким угодно. Этим вполне доказывается, что полосы не являются результатом действия крайних частей зеркал на проходящие близ них световые лучи. Кроме того, можно, увеличив угол между зеркалами, настолько удалить оба изображения светящейся точки друг от друга, что образующие полосы лучи будут находиться на таком расстоянии от соприкасающихся частей зеркал, что уже не может оставаться оснований предполагать какого-нибудь действия со стороны этих крайних частей.

Центральная полоса – полоса блестящая – такая же, как для полос, пересекающих тень узкого тела, или для тех полос, которые получаются с помощью экрана с проделанными в нем двумя параллельными, очень тонкими и достаточно близкими друг к другу, щелями. Если, как мы предполагаем, пользоваться светом приблизительно однородным, то эта блестящая полоса оказывается помещенной между двумя самыми темными полосами; за каждой из последних следует блестящая полоса, за которой следует опять темная, и так далее. В полосах второго и третьего порядка темные полосы все еще очень темны; но, по мере того как расстояние от центра увеличивается, они становятся все менее резкими, что происходит вследствие того, что употребляемый свет никогда не бывает вполне однороден.

Достаточно сравнить темные полосы первого, второго и третьего порядка со светом, даваемым одним зеркалом, чтобы убедиться в том, что их освещение значительно слабее и что в тех местах, которые они занимают, прибавление лучей, отраженных от одного зеркала, к лучам другого, вместо того, чтобы дать более интенсивный свет, производит темноту. Это сравнение легко сделать, если по очереди смотреть на темные полосы и на те части светового поля, которые находятся по левую и правую сторону от части, вдвойне освещенной и вмещающей полосы. Если опасаться, что контраст блестящих полос с примыкающими к ним темными полосами может в этом отношении ввести в некоторое заблуждение, то будет достаточно поместить нить микрометра сначала в середину одной из самых темных полос, а затем в часть светового поля, освещенную одним только зеркалом; в самом деле, эту нить можно будет различить значительно легче в ее втором положении, чем тогда, когда она будет по середине темных полос первого и второго порядка, в особенности если темная комната хорошо закрыта и если были приняты все необходимые предосторожности для того, чтобы на нить попадал свет только от двух зеркал.

Таким образом, вполне доказано, что в некоторых случаях свет, прибавленный к свету, производит темноту. Этот основной факт, который не ускользнул от Гримальди, но который, по-видимому, все же был неизвестен Ньютону, был за это последнее время в достаточной степени доказан опытами господина Юнга; но тот опыт, который я только что описал, выдвигает его, быть может, еще в большей степени, так как наблюдаемые в нем темные полосы, вообще говоря, более темны, чем полосы в чисто дифракционных явлениях, и так как этот опыт исключает всякую возможность дифрактивного действия, которое могло бы расширить световые пучки в одном месте, сжав их в другом, ибо наблюдаемое здесь явление получается с помощью правильно отраженных лучей.

В этом случае, так же как и в опытах господина Юнга, легко видеть, что полосы возникают вследствие взаимодействия встречающихся лучей. В самом деле, если экраном, помещенным у одного из зеркал, закрыть все лучи, отраженные зеркалом или на него падающие, то эти полосы исчезнут совершенно, хотя пространство, ими занимаемое, будет по-прежнему освещено другим зеркалом; останутся заметными только бледные и неравномерно размещенные полосы, ограничивающие тень экрана. Если экраном закрыть только половину зеркала, с тем чтобы полосы исчезли лишь на половину их длины, можно будет очень удобно сравнить оставшуюся часть наиболее темных полос со смежною частью пространства, в которой свет от одного из зеркал загражден экраном, и таким образом еще раз убедиться, что эта часть освещена сильнее, чем середина каждой из темных полос, в которой все же сходятся лучи, отраженные от двух зеркал. Значит, в ней эти лучи, в силу некоторого действия их друг на друга, взаимно нейтрализуются.

14. Взаимодействие световых лучей, которое мы только что установили с помощью нескольких опытов, подтверждается также большим числом других оптических явлений и представляется теперь одним из наиболее доказанных принципов физики. Мы выбрали сначала те факты, которые ставили его вне всякого сомнения; мы вернемся затем к тем из них, которые представляют собой его самое важное подтверждение. Но сначала нам необходимо изучить закон, по которому действует это замечательное свойство света.

Если вычислить разности путей, проходимых лучами, которые дают каждую из темных и блестящих полос, то прежде всего окажется, что середина блестящей центральной полосы соответствует равным путям, и что если обозначить через d разность путей, пройденных лучами тех пучков, которые соединяются в середине следующей, расположенной или слева или справа, светлой полосы, то середины других блестящих полос будут соответствовать разностям пройденных путей, равным 2d, 3d, 4d, 5d, 6d и т. д., в то время как середины темных полос, начиная с тех, которые граничат с центральной блестящей полосой, и до самых отдаленных, будут последовательно соответствовать разностям пройденных путей, равным 1/2d, 3/2d, 5/2d, 7/2d и т. д.

Отсюда следует, что соединение лучей производит максимум света, если разность пройденных ими путей равна 0, d, 2d, 3d, 4d, 5d и т. д., и что, напротив того, они взаимно нейтрализуют друг друга и производят темноту, когда эта разность равна 1/2d, 3/2d, 5/2d, 7/2d, 9/2d, 11/2d и т. д. Таков общий закон периодических действий, возбуждаемых световыми лучами друг на друга.

Если оба световых луча имеют одинаковую интенсивность, как в только что описанном опыте, то в середине темных полос оказывается полное отсутствие света, во всяком случае для полос первого, второго и даже третьего порядка, если только употребляемый свет в достаточной степени однороден. Но так как он никогда не бывает совершенно однородным, то и оказывается, что эта, столь резкая для первых полос, разница в освещении светлых и блестящих полос постепенно уменьшается по мере удаления от центра и в конце концов, на некотором расстоянии, всегда становится незаметной. Причину этого легко найти; применяемый свет, как бы он ни был упрощен разложением в призме или прохождением через окрашенное стекло, всегда будет состоять из разнородных лучей, цвет и физические свойства которых всегда будут хоть и мало различны, но для которых период d все же не будет иметь в точности одну и ту же длину. Но отсюда следует, что темные и блестящие полосы, положение которых этим периодом определяется, не будут разделены одинаковыми промежутками. Правда, ширины полос, образованных разнородными лучами, будут тем менее отличаться друг от друга, чем более применяемый свет будет приближаться к полной однородности; но, как бы эта разность ни была мала, легко понять, что, повторенная большое число раз, она в конце концов изменит положение полос настолько, что блестящие полосы одного рода лучей совпадут с темными полосами другого рода лучей; таким образом, на достаточном расстоянии от средней линии, «соответствующей равным путям», темные и блестящие полосы различного рода лучей применяемого света, смешавшись, сгладят друг друга и дадут однообразную окраску.

Чем более будет упрощен свет, тем дальше от центра будет находиться точка, в которой имеет место эта полная компенсация, и тем большее число полос будет, следовательно, заметно. Если пользоваться белым светом, т. е. самым сложным, то число видимых полос будет самым маленьким, и их будет видно только по семи с каждой стороны от центра. Они представляются окрашенными так же, как цветные кольца, и причина их окраски точно такая же. Если бы длина d была одинакова для лучей различных цветов, то ширина их полос (т. е. расстояние между серединами двух последовательных блестящих или темных полос) была бы также одинакова и наблюдалось бы полное совпадение между их точками, как самыми темными, так и самыми светлыми. Различные лучи, составляющие белый свет, находясь тогда повсюду в одинаковом соотношении, дали бы ряд черных и белых полос, не имеющих и следа какой-нибудь окраски. Но это не так: d сильно меняется для лучей, различным образом окрашенных, и почти удваивается от одного конца солнечного спектра к другому; поэтому и длина их полос меняется в таком же отношении, и их темные и блестящие полосы не могут больше накладываться друг на друга; местоположение их будет тем более различно, чем дальше они будут от средней линии. Итак, должно оказаться, что блестящая полоса лучей некоторого определенного цвета будет соответствовать темной полосе лучей другого рода; отсюда следует, что первые лучи будут преобладать над вторыми. Мы видим, что полосы представляют собою последовательность оттенков, которые будут меняться в соответствии с теми количествами, в которых будут смешиваться лучи, входящие в состав белого света.

Средняя линия центральной полосы всегда белая, так как ей всегда соответствует разность пройденных путей, равная нулю; она соответствует максимуму блеска для всех родов лучей, какова бы ни была длина d. С каждой стороны этой светлой полосы свет начинает постепенно окрашиваться; начиная от второй полосы и далее, в третьей и в четвертой полосах цвета становятся очень яркими; но затем они ослабевают, и за восьмой полосой, вследствие более полного смешивания темных и блестящих полос всех цветов, они совершенно исчезают, что дает однообразную белую окраску.

Если только что нами описанный опыт произвести с семью главными цветами, которые Ньютон различает в солнечном спектре, и если с помощью микрометра, о котором было сказано выше, измерить ширину полос, то легко понять, что отсюда можно вычислить соответствующие значения d; но этот опыт был проделан тщательно с одним только в достаточной степени однородным красным светом, который пропускается некоторыми стеклами, вставляемыми в церквах. Для преобладающих лучей этого света, которые находятся в конце солнечного спектра, длина d равна 0,000638 мм, если взять за единицу одну тысячную часть метра. Отсюда можно вывести значение d для лучей семи главных родов, если воспользоваться опытами Ньютона над цветными кольцами. Для этого достаточно помножить на 4 длины того, что Ньютон называет приступами легкого отражения или легкого прохождения световых молекул.

Таким способом была вычислена следующая таблица:

Только что нами сказанное о небольшом числе полос, даваемых белым светом, и о весьма ограниченном числе тех из них, которые можно различать в возможно более упрощенном свете, объясняет нам, почему во многих случаях, когда лучи, исходящие из одного источника, пересекаются под направлениями, почти параллельными друг другу, все же не наблюдается полос. Это происходит оттого, что разность пройденных путей слишком значительна и содержит во всех точках пространства, освещенных обоими пучками вместе, слишком большое число раз d, ибо таким образом центральная полоса и другие, которые к ней достаточно близко примыкают, чтобы быть видными, оказываются расположенными вне поля, общего обоим световым пучкам. Вот почему в опыте с двумя зеркалами так важно, чтобы зеркала не выступали одно над другим; в самом деле, вследствие крайней малости величины d, которая для желтых лучей составляет всего лишь одну полутысячную миллиметра, самый небольшой выступ, создающий для пройденных путей разность, равную его удвоенной величине, может отбросить группу видимых полос за пределы поля, общего обоим зеркалам.[26]

15. Рассуждение, которое мы только что привели для объяснения окрашивания полос, получаемых вследствие взаимодействия двух белых пучков, приложимо ко всем явлениям дифракции в белом свете. Эти явления всегда происходят оттого, что лучи различной окраски не дают темных и блестящих полос одной и той же ширины и что поэтому для каждой точки они не будут больше находиться в том соотношении, которое составляет белый свет.

Читайте также:  Головной свет через реле ваз

Если известны положения этих полос для каждого рода лучей, равно как и законы изменения их интенсивностей от точки к точке, то можно вычислить отношения, в которых они смешиваются, и определить затем получающиеся отсюда окраски, воспользовавшись для этого эмпирической формулой Ньютона, с помощью которой находится окраска, соответствующая какой-нибудь смеси цветных лучей. Таким образом, достаточно изучать явления оптики в однородном свете, что приводит их к наибольшей степени простоты, и из полученных результатов всегда, и с легкостью, можно будет вывести то, что они должны представлять собой в белом свете. В соответствии с этим во всем том, что мы скажем дальше, мы всегда станем предполагать, что применяемый свет однороден, исключая те случаи, когда мы будем специально касаться результатов, полученных с белым светом.

16. Из только что изложенного очень простого закона о взаимодействии световых лучей легко заключить, что ширина полос, всегда пропорциональная длине d, должна быть, кроме того, обратно пропорциональна расстоянию, которое разделяет оба изображения светящейся точки, и прямо пропорциональна их расстоянию от микрометра, или, другими словами, обратно пропорциональна углу, под которым наблюдатель увидел бы оба изображения, если бы поместил свой глаз в точке, в которой он измеряет полосы.

Тот же простой геометрический закон приложим к полосам, полученным с двумя очень тонкими щелями, проделанными в экране. Ширина этих полос всегда пропорциональна расстоянию от экрана и обратно пропорциональна промежутку, заключенному между двумя щелями.

Этот закон оказывается еще приблизительно верным и для полос, наблюдаемых в тени узкого тела, – по крайней мере до тех пор, пока они не оказываются слишком близкими к границе тени; ибо в последнем случае они следуют другому, более сложному закону, который хотя и покоится на весьма простых основаниях, но может быть изображен только трансцендентной функцией, в которую входит, кроме ширины тела и его расстояния от микрометра, также и его расстояние от светящейся точки.

Что касается до внешних, окаймляющих тени, полос, то их ширина зависит всегда сразу от этих двух расстояний. Если первое из них остается постоянным, то они будут тем шире, чем второе из них меньше.

17. Если относительные положения светящейся точки и экрана не меняются и если изменять одно лишь расстояние между микрометром и экраном, то оказывается, что ширина внешних полос не будет ему пропорциональна, как это имело место для полос внутренних. Этот же факт можно высказать в более геометрической форме, если представить себе, что через светящуюся точку, касательно к краю непрозрачного тела, проведена прямая линия (определяющая пределы того, что мы назвали геометрическою тенью), и если, следуя в пространстве за средней точкой одной и той же темной или блестящей полосы и опуская из каждого ее положения перпендикуляр на касательную, сказать, что этот коротенький перпендикуляр возрастает по мере удаления от непрозрачного тела, но в отношении меньшем, чем расстояние от него. Отсюда следует, что одна и та же точка темной или блестящей внешней полосы описывает не прямую линию, но кривую, выпуклость которой обращена наружу. Это можно показать точными измерениями, если пользоваться описанным мною микрометром. Так как этот результат весьма замечателен, то я считаю нужным привести здесь один из опытов, который послужил мне для его доказательства; этот опыт был произведен в приблизительно однородном свете, пропускаемом тем сортом красного стекла, о котором я уже говорил.

Непрозрачное тело находилось на расстоянии 3018 мм от светящейся точки, и я измерял последовательно промежуток, заключающийся между краем геометрической тени[27] и наиболее темной точкой темной полосы третьего порядка; я делал это последовательно, сначала на расстоянии 1,7 мм от непрозрачного тела, затем на расстоянии 1003 мм и, наконец, 3995 мм; в первом случае я нашел 0,08 мм, во втором случае 2,20 мм и в третьем 5,83 мм. Но если соединить обе крайние точка прямой линии, то ордината этой прямой, соответствующая средней точке, окажется равной 1,52 мм. Это означает, что если бы темная полоса третьего порядка пробегала по прямой линии, то ее расстояние от края геометрической тени было бы в этой точке 1,52 мм вместо даваемых наблюдением 2,20 мм. Разность 0,68 мм приблизительно в полтора раза больше промежутка между серединами полос третьего и второго порядка; в самом деле, последний промежуток на расстоянии 1003 мм от непрозрачного тела составлял всего лишь 0,42 мм. Таким образом, совершенно ясно, что разность 0,68 мм не может быть приписана неточности, возникающей вследствие трудности правильно оценить наиболее темные точки темной полосы, так как для того, чтобы ошибиться на эту величину, было бы нужно перейти через соседнюю блестящую полосу и даже за следующую темную полосу.

Эту разность нельзя было бы объяснить более удовлетворительно при предположении, что неточность лежит в третьем наблюдении на расстоянии 3995 мм от непрозрачного тела. Правда, измерения, вследствие большей ширины полос, должны были иметь меньшую точность; но, проделав их несколько раз, я заметил лишь изменения, не превосходившие трех или четырех сотых миллиметра. Кроме того, если предположить даже и при этом измерении ошибку в полмиллиметра (ошибка невозможная), то отсюда получилась бы разность всего лишь в 0,13 мм для точки, расположенной на 103 мм от непрозрачного тела. Таким образом, этот опыт вполне доказывает, что внешние полосы расположены на пути своего распространения по кривым линиям, выпуклость которых обращена наружу.

Я сделал много других наблюдений в том же роде, и все они подтверждают этот замечательный результат. Но только что приведенного опыта достаточно, чтобы поставить вне сомнения заметную кривизну траекторий, по которым распространяются внешние полосы.

18. Этот замечательный результат представляется весьма трудно совместимым с принципом испускания; в самом деле, самое естественное объяснение внешних полос с точки зрения этого принципа состояло бы в предположении, что световой пучок, коснувшись края экрана, испытывает в его близости попеременно расширения и сжатия, которые и порождают темные и светлые полосы. Но тогда эти различные пучки – сжатые или расширенные – должны были бы, перейдя за экран, идти по прямой линии, ибо если в теории Ньютона допускается, что тела могут производить на световые молекулы сильные притяжения или отталкивания, то все же никогда не предполагается, что действия этих сил могут распространяться на расстояния столь значительные, как размеры тех траекторий, которые обладают заметной кривизной на протяжении многих метров. Подобное предположение имело бы следствием многочисленные трудности, еще более непреодолимые, чем та трудность, о которой идет здесь речь. Какова бы ни была принимаемая теория, криволинейный ход лучей может быть удовлетворительным образом объяснен только взаимодействием световых лучей между собой; это единственный способ понять, каким образом наклоненные или подвергшиеся дифракции в соседстве с телом лучи могут, продолжая распространяться по прямой линии, дать место образованию кривых траекторий для темных и блестящих полос; в самом деле, для этого достаточно, чтобы различные точки, в которых они, встретившись, усиливаются или ослабляются, лежали бы не на прямых линиях, а на кривых. Это произошло бы, например, если бы внешние полосы получались от совместного действия прямых лучей и лучей, отраженных краем экрана; в самом деле, в этом случае точки с максимумом и минимумом света, соответствующие различным расстояниям от экрана, были бы расположены на гиперболах с фокусами в светящейся точке и на краю экрана, как это легко вывести из очень простого закона о взаимодействии между световыми лучами. Правда, как мы увидим, внешние полосы образуются не одними прямыми и отраженными от края экрана лучами; бесконечное количество других лучей, рассеянных около непрозрачного тела, также содействует их образованию; все же пути их расположения представляют собой кривые такого же точно характера, и темные и светлые полосы получаются всегда как результат взаимодействия световых лучей, без которого понимание криволинейного хода расположения полос было бы немыслимо. Таким образом, какие бы основные положения мы ни приняли, необходимо допустить существование взаимодействия между световыми лучами, которое, помимо всего прочего, с такою полностью доказано вышеприведенными опытами, что на него можно смотреть как на одно из наиболее достоверных начал оптики.

19. Подобное явление трудно представить себе с точки зрения теории испускания, в которой, не вступая в противоречие с основной гипотезой, нельзя предполагать какой-нибудь зависимости между движениями различных световых молекул. Нужно было бы, значит, допустить, что это действие одних лучей на другие не является реальным, а только кажущимся. Другими словами, нужно допустить, что явление происходит исключительно в одном глазу, в котором последовательные удары световых молекул об оптический нерв увеличивают или уменьшают уже начавшиеся колебания, смотря по тому, препятствуют ли они или способствуют их движению. Точно таким же образом, если желают привести в движение тяжелый колокол, то недостаточно увеличивать число ударов, но нужно оставлять между ними некоторые соответствующие и правильные промежутки времени, определяемые продолжительностью колебаний колокола, чтобы удары действовали совместно с уже приобретенным движением.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Области Нового Света

Области Нового Света В западном полушарии мы прежде всего должны заняться рассмотрением Неарктической области, или умеренной части Северной Америки, современные и древние зоологические отношения которой к прочим частям света представляют чрезвычайный интерес. Если

Необыкновенные млекопитающие Нового Света

Необыкновенные млекопитающие Нового Света Неотропическое царство, или Неотропики, охватывает почти весь Южно-Американский материк и большой участок Центральной Америки. С юга она ограничена Патагонией, которая вместе с Огненной Землей и Мальвинскими островами

СВИДАНИЕ 5. ОБЕЗЬЯНЫ СТАРОГО СВЕТА

СВИДАНИЕ 5. ОБЕЗЬЯНЫ СТАРОГО СВЕТА Поскольку мы достигли этого свидания и готовы приветствовать Копредка 5, нашего прародителя в приблизительно 1.5-милионном поколении, мы пересекаем важную (хотя и несколько произвольную) границу. Впервые в нашем путешествии мы покидаем

СВИДАНИЕ 6. ОБЕЗЬЯНЫ НОВОГО СВЕТА

СВИДАНИЕ 6. ОБЕЗЬЯНЫ НОВОГО СВЕТА Свидание 6, где широконосые обезьяны Нового света встречают нас и нашего прародителя в приблизительно 3-миллионном поколении, Копредка 6, первого антропоида, происходит около 40 миллионов лет назад. Это было время пышных тропических лесов

2.14. Слепящая яркость света

2.14. Слепящая яркость света Слишком яркий свет вызывает неприятное ощущение ослепления. Верхняя граница слепящей яркости зависит от адаптации глаза: чем дольше была темновая адаптация, тем меньшая яркость света вызывает ослепление. Если в поле зрения попадают очень

Как распределяются части света по площади?

Как распределяются части света по площади? Самая большая часть света – Азия, ее площадь равна 44,4 миллиона квадратных километров, что составляет 29,8 процента от общей площади всей земной суши. Совсем немного уступает ей Америка, площадь которой равна 42,1 миллиона

Как распределяются части света по высоте?

Как распределяются части света по высоте? По средней высоте части света распределяются в следующем порядке (в скобках указана средняя высота над уровнем океана в метрах): Антарктида (2200), Азия (950), Африка (750), Америка (650), Австралия и Океания (340) и Европа (300). Если же

Глава 3. ЧЕЛОВЕКООБРАЗНАЯ ОБЕЗЬЯНА НОВОГО СВЕТА

Глава 3. ЧЕЛОВЕКООБРАЗНАЯ ОБЕЗЬЯНА НОВОГО СВЕТА Помните ли вы странную историю, происшедшую с Кандидом и его верным другом Какамбо, когда они заблудились, путешествуя по Амазонии?Услышав крики, которые должны были принадлежать испуганным женщинам, они устремились,

УМЕНЬШЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ВАКУУМЕ С 1928 по 1945 ГГ

УМЕНЬШЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ВАКУУМЕ С 1928 по 1945 ГГ В соответствии с теорией относительности Эйнштейна скорость света в вакууме инвариантна: она является абсолютной константой. Большинство современных физических теорий основывается именно на этом постулате. Поэтому

4. На южном материке Нового Света

4. На южном материке Нового Света

Природа света

Природа света 1. Между физиками уже давно существует разногласие о природе света. Одни полагают, что свет выбрасывается светящимися телами, тогда как другие думают, что он происходит от колебаний бесконечно тонкой упругой жидкости, распространенной во всем пространстве,

Рандеву № 5 Обезьяны Старого Света

Рандеву № 5 Обезьяны Старого Света Приближаясь к рандеву № 5 и готовясь к встрече с сопредком № 5 (нашим прародителем приблизительно в полуторамиллионном поколении), мы пересекаем важный (хотя и произвольно выбранный) рубеж. Впервые с начала путешествия мы вступаем в

Рандеву № 6 Обезьяны Нового Света

Рандеву № 6 Обезьяны Нового Света Рандеву № 6 назначено около 40 млн лет назад. Здесь широконосые обезьяны Нового Света (Platyrrhini) встречаются с нами, людьми, и с первым антропоидом – сопредком № 6, нашим прародителем примерно в трехмиллионном поколении. Землю покрывали

Источник