Основные положения корпускулярной теории Ньютона
Исаак Ньютон (25.11. 1642 – 31.03.1726)
Великий Исаак Ньютон был первым, кто начал основательно исследовать природу света. В 1666 году он произвел в Кембридже замечательный опыт с призмой.
Через маленькое круглое отверстие в ставне окна (1) в затемненную комнату проникал луч света. На пути луча ученый установил стеклянную трехгранную призму (2). Пучок белого света неожиданно распался на множество разноцветных лучей. На экране (3), стоявшем за призмой, появилась разноцветная радуга, которую экспериментатор назвал спектром
В 1704 году вышла в свет монография Исаака Ньютона «Оптика», определившая развитие этой науки до начала XIX века. В своем труде Ньютон сделал очень важные выводы:
- Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям или лучам светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник.
- Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие – фиолетового. Белый цвет – смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового.
- Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.
- Явление преломления света он объяснял тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения. С точки зрения механической теории, преломление обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул.
- Со стороны стекла на частицы фиолетового света действуют наибольшие силы, а наименьшие – для красного. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по-своему, поэтому белый луч расщепится на цветные составляющие.
- Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразных корпускул.
Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и вскоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. Но, как часто бывает, даже великий Ньютон в своих опытах кое–что не разглядел.
Опыт Юнга
Томас Юнг (13.06.1773 – 10.05.1829)
Эксперимент, проведенный Томасом Юнгом в начале XIX века, стал неоспоримым доказательством волновой природы света. Он рассмотрел весьма скрупулезно явления, связанные с прохождением света сквозь малые отверстия. Результаты одного из экспериментов были опубликованы автором в 1803 году.
Рассмотрим схему эксперимента Юнга.
Свет от удаленного источника (S) проходил через узкую щель (S0) в экране (А), затем попадал на экран (В) с двумя щелями (S1) и (S2), расположенными достаточно близко друг к другу на расстоянии (d). Экран (Sk) располагался на расстоянии (L) от щелей, причем L >>d.
Если бы свет представлял собой поток частиц, то на экране (Sk) можно было увидеть только два световых пятна на расстоянии (L) от экрана (В). Однако Юнг увидел периодическую картину светлых и темных полос. Самая яркая полоса располагалась на оси оптической схемы как раз посередине, между щелями (S1) и (S2). На основании увиденного, Юнг сделал вывод, что свет представляет собой волну, а не поток частиц, как до этого эксперимента со всей авторитетностью утверждал гениальный Исаак Ньютон.
Исследования волновой природы света Френелем
Огюстен Френель (10.05.1788 – 14.07.1827)
Молодого дорожного инженера Огюстена Френеля, присоединившегося волонтером к роялистским войскам, которые должны были преградить дорогу Наполеону во время его возвращения с острова Эльба, уволили со службы, и он вынужден был уехать домой и посвятить свободное время исследованию дифракции, имея в своем распоряжении лишь случайное и примитивное экспериментальное оборудование. Два доклада, представленных им 15 октября 1815 года Парижской Академии наук, были первым результатом этих трудов. Френель был приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благоприятных условиях.
Френель начал исследовать тени, отбрасываемые небольшими препятствиями на пути лучей, и обнаружил образование полос не только снаружи, но и внутри тени, что до него уже наблюдал ученый Гримальди (1618–1663) и о чем лукаво умолчал Ньютон. Исследование тени, образуемой тонкой проволокой, привело Френеля к повторному открытию принципа интерференции после Томаса Юнга. «Внутренние каемки не могут образовываться от простого смешения этих лучей, потому что каждая сторона проволоки в отдельности направляет тень только на непрерывный поток света; следовательно, каемки образуются в результате перекрещивания этих лучей», – писал в своем докладе молодой ученый. Этот вывод, который представляет собой, так сказать, перевод явления на понятный язык, полностью противоречит гипотезе Ньютона и подтверждает теорию световых колебаний. Легко можно догадаться, что колебания двух лучей, которые скрещиваются под очень малым углом, могут взаимодействовать, образуя картину интерференции.
В Париже Френель узнал об опытах Юнга с двумя отверстиями, которые, по его мнению, были вполне подходящими для иллюстрации волновой природы света. Для исключения всякой возможности истолкования этого явления, как действия краев отверстий, Френель придумал известный «опыт с двумя зеркалами», о котором он сообщает в 1816г., а затем в 1819 году «опыт с бипризмой», ставший с тех пор классическим методом демонстрации принципа интерференции.
Свет направляется на симметричную бипризму (2) от яркого источника через узкую щель (1), которая собирает два пучка света на экране (3). В результате сложения этих пучков возникает периодическая картина интерференции
Взяв на вооружение явление интерференции, Френель располагал теперь тремя принципами: принципом элементарных волн, принципом огибающей и принципом интерференции. Это были три отдельных принципа, которые Френель гениально решил слить воедино. Таким образом, для Френеля «огибающая» волн в явлении преломления света не просто геометрическое понятие, как для Гюйгенса, а представляет собой алгебраическую сумму импульсов, создаваемых каждой элементарной волной. Полная сумма всех этих импульсов складывается согласно принципу интерференции и в частном случае может быть равна нулю. Другими словами, световые волны одинаковой длины могут складываться и вычитаться в зависимости от значения их фаз в некоторой точке пространства.
График зависимости смещения волны от времени
Благодаря опытам Юнга и Френеля, монохроматическую плоскую световую волну в общем случае можно описать функцией вида:
ξ(x,t) = A*cos(ωt – kx + φ0), где:
ξ (x,t) – смещение частицы среды, находящейся на расстоянии (х) от источника колебаний в момент времени (t);
A – амплитуда колебаний;
ω – круговая (циклическая) частота, ω= kν;
ν = 1/Т – частота электромагнитных колебаний;
k – волновое число, k=2π/λ;
λ – длина волны;
υ – скорость распространения волны, υ = λ/T;
Т – период колебаний;
φ0 – начальная фаза колебаний.
Таким образом, описание интерференции монохроматических волн сводится к вычислению амплитуды (при необходимости и фазы) результирующей волны.
После нескольких лет перерыва в исследованиях, Френель вновь излагает свою теорию в обширном докладе о дифракции, представленном в 1818 году на конкурс Парижской Академии наук. Этот доклад рассматривался комиссией, состоявшей из Лапласа, Био, Пуассона, Араго и Гей–Люссака. Трое первых были убежденные ньютонианцы, Араго был настроен в пользу Френеля, а Гей–Люссак, по существу, не был компетентен в рассматриваемом вопросе, но был известен своей честностью. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствия, находящиеся как будто в явном противоречии со здравым смыслом, поскольку из расчета следует, что в центре геометрической тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно наблюдаться светлое пятно, а в центре конической проекции небольшого круглого отверстия, на определенном расстоянии должно наблюдаться темное пятно. Комиссия предложила Френелю доказать экспериментально выводы из его теории, и Френель блестяще это выполнил, доказав, что «здравый смысл» в этом случае ошибается. После этого по единодушному предложению комиссии Академия наук присудила ему премию, а в 1823 году он был избран ее членом. Но для того, чтобы доказать, что дифракция и интерференция когерентных волн являются двумя сторонами одного и того же явления, должно было пройти целое столетие.
Метод цветной фотографии Габриэля Липпмана
Габриэль Липпман (16.08.1845 – 12.07.1921)
В 1892 году Габриэль Липпман опубликовал результаты собственных опытов, связанных с регистрацией цветного изображения на черно–белых фотоматериалах. Как выяснилось 70 лет спустя, талантливым ученым–изобретателем был сделан огромный вклад в развитие голографии.
Принцип записи цветных изображений Липпмана заключался в том, что картина интерференции стоячих световых волн ограниченной когерентности записывалась на фоточувствительной эмульсии в виде сфокусированного изображения. За эту работу Габриэль Липпман был удостоен Нобелевской премии. Постараемся разобраться, как он это делал.
Представьте себе бассейн, наполненный водой. В бассейне с помощью широкой доски мы создаем волны. Когерентные волны, с постоянным периодом и фазой. Волны достигают противоположной стенки бассейна, отражаются и бегут обратно. В результате наложения друг на друга бегущих по поверхности бассейна волн мы получим удивительную картину. Гребни будут подниматься и опускаться, но бега их мы не увидим. И самое интересное, между гребнями окажутся точки, которые не будут ни подниматься, ни опускаться относительно уровня воды в спокойном бассейне. Это явление называют стоячими волнами, а эффект, вызывающий это явление, – интерференцией.
Свет – это тоже волна, только электромагнитная. И в случае со светом будет наблюдаться аналогичная картина.
Допустим, что световая волна прошла сквозь прозрачную фотоэмульсию, затем отразилась от некоторой поверхности и направилась обратно. Должна возникнуть та же картина, что и в бассейне. Там, где расположены неподвижные узлы стоячей волны, будет всегда темнота, а там, где «эфир» колеблется – будет свет. И самое главное, если электромагнитная «зебра» останется неподвижной, картину стоячих световых волн можно зафиксировать в фоточувствительной эмульсии.
После химической обработки фотопластинка, по мнению Липпмана, должна была восстанавливать отраженную волну той же частоты, какая использовалась при записи интерферограммы. Так, если в некоторую область фотоэмульсии попадает зеленый свет, то «зеркальце», записанное в этой точке, должно отражать только зеленую длину волны. Получается, что каждая точка сфокусированного изображения отражала световую волну той длины, посредством которой была записана картина стоячих волн. Липпман успешно получил прогнозируемый результат.
Невзрачные в пасмурную погоду, но вспыхивающие радугой на открытом солнце крылья тропических бабочек, хитиновые пластинки насекомых и яркие перья некоторых птиц не содержат красителей. Здесь цвет создается за счет дифракции Брэгга на многослойных биологически воспроизведенных структурах
Чешуйки крыльев бабочек увеличенные электронным микроскопом. На фотографиях хорошо видны трехмерные дифракционные структуры, которые и "окрашивают" насекомое.
Свет солнца или электрической лампочки, отраженный от объектов, имеет очень малую когерентность, а точнее, длину когерентности. Область интерференции для такого излучения ограничится разностью хода лучей порядка нескольких микрометров. Другими словами, стоячие световые волны, отраженные от какой–либо поверхности, будут наблюдаться в области, сравнимой с толщиной фотоэмульсии. Липпман, понимая это, придумал в 1892 году оригинальную схему записи интерференционной картины световых волн с ограниченной когерентностью.
Устройство кассеты с ртутным зеркалом в методе цветной фотографии Липпмана
Для создания цветного изображения гениальным изобретателем использовалась фотографическая камера со светосильным объективом (3). Липпман сконструировал оригинальную кассету для стеклянных фотопластинок (1) с эмульсией очень высокого разрешения. Фотопластинка прижималась к задней стенке кассеты через тонкую резиновую прокладку (2), образуя герметичную полость, в которую из небольшого резервуара (4) перед съемкой заливалась ртуть. Фотоэмульсия во время регистрации соприкасается с жидкой ртутью, которая является идеально прилегающим зеркалом.
После экспозиции, которая длилась 3 – 5 минут, ртуть снова выливалась в резервуар, а фотопластинка заменялась на новую.
Ртутное зеркало отражало падающие лучи разной длины волны, создавая в объеме фотографической эмульсии картину стоячих волн соответствующей частоты.
Надо заметить, что использование ртути и ее солей в методе Липпмана создавало серьезную угрозу здоровью экспериментаторов в силу губительного воздействия паров ртути на человеческий организм.
При рассматривании фотографий Липпмана в свете точечного источника «белого» света наблюдатель мог видеть действительное изображение объектива в виде яркого пятна, скользящего по темной эмульсионной поверхности. В рассеянном же свете, действительное изображение диафрагмы «расплывалось» до размеров всего фотоснимка, что позволяло зрителю рассматривать цветную интерференционную фотографию достаточно комфортно.
Для удобства демонстрации своих фотоснимков, Липпман наклеивал со стороны эмульсии тонкую стеклянную призму, которая убирала блик от источника света, восстанавливавшего цветное изображение, и предохраняла фотографию от механических повреждений. На заводе Цейса по чертежам изобретателя изготовили несколько оригинальных приборов для рассматривания его фотографий. Тем не менее, метод был вскоре забыт.
Этот Липпмановский снимок, хранящийся в Московском Политехническом музее, сделал не автор изобретения, а его коллега немец Нейгауз в 1901 году. Качество передачи цветов раритета не хуже, чем на современных цветных фотографиях, которые через сто лет уже наверняка поблекли бы и выцвели
Современники часто критиковали Липпмана за несусветную сложность предложенного метода. Его фотоснимки было невозможно рассматривать нескольким зрителям одновременно, а также производить копирование, как в обычной фотографии. Тем не менее, технология изготовления высокоразрешающих эмульсий, рецепты физических проявителей и тонкости фотохимической обработки голограмм мало изменились с 1892 года.
Габриэль Липпман, сам того не подозревая, создал первую в мире цветную отражательную голограмму сфокусированного изображения задолго до изобретения голографического метода. До сих пор технологии, предложенные Габриэлем Липпманом, используются в производстве и обработке голографических высокоразрешающих фотоматериалов.
