Разпространение на светлината

1. Видима светлина

    Видимата светлина представлява електромагнитни вълни с дължини на вълната от около 400 nm  до около 700 nm (фиг.1-1 и табл.1).

Фиг.1-1. Видима светлина Таблица 1. Спектър на видимата светлина

   

    Цветното зрение е възможно благодарение на  реципторните  клетки в ретината на човешкото око, съдържащи фоточувствителни молекули. Има три вида рецепторни клетки, които поглъщат  предимно синята, зелената  или  червената светлина. Всеки спектрален цвят може да се получи чрез подходяща комбинация от основните цветове - син, зелен и червен. Например зрително възприятие за жълт цвят се създава, когато зелените и червените рецептори  поглъщат еднакво светлината, а сините почти не поглъщат. Въздействието върху рецепторите на попадналата  в окото монохроматична жълта светлина или смес от зелена и червена светлина  е едно и също. И в двата случая окото възприема светлината като жълта.

2. Разпространение на светлината

    Закон за праволинейното разпространение на светлината: В прозрачна еднородна среда светлината се разпространява по права линия. (Евклид, 300 г. пр.н.е.)

    Закон за независимостта на светлинните снопове (лъчи): Разпространението на всеки светлинен сноп в дадена среда не зависи от това дали в тази среда се разпространяват или не други светлинни снопове.

3. Скорост на разпространение на светлината

    Правени са различни опити за измерване на скоростта на светлината. Галилео Галилей с помощта на негов сътрудник прави опит за измерване на скоростта на светлината през 17 век (фиг.1-3).
Фиг. 1-3.
Снимка: https://www.colorado.edu

   

    Те застават на върховете на отдалечени хълмове, като всеки носи фенер с капак. Галилей отваря своя капак, а когато сътрудникът види светлина, той отваря своя. При разстояние около километър Галилей не успява да забележи по-съществено забавяне, отколкото при разстояние от едва няколко метра. Той не стига до заключение, дали светлината се разпространява мигновено, тъй като допуска, че разстоянието между хълмовете може да е прекалено малко за точно измерване.

През 1849 г. става възможно измерването на скоростта на светлината чрез използване на две точки от земната повърхност. Френският учен Физо прави експеримент, пропускайки светлина към отдалечено огледало и измервал времето за връщането на лъча. Лъчът се разбива на импулси, като се пропуска между зъбите на бързовъртящо се зъбно колело (фиг.1-4). 






 

Фиг.1-4.
Снимка: Уикипедия


    При достатъчно голяма скорост на въртене на колелото светлината достига до огледалото и се връща за време, за което диска се завърта на малък ъгъл, колкото е промеждутъка между два зъба. Тогава в окуляра не се наблюдава светлина.  

    На диска на Физо има 720 зъба, а диска се върти със скорост 25 оборота в секунда. Знаейки разстоянието от източника на светлината до огледалото и обратно, което е 17,32 км., Физо успява да определи, че скоростта на светлината е 313 000 км/с. Слабост на метода е, че момента с най-висока яркост се определя на око, което е недостатъчно точно.

    Когато Физо обявява своя резултат, учените се усъмняват в достоверността на това число, според което светлината би трябвало да идва от Слънцето до Земята за 8 минути и може да обиколи земното кълбо за 1/8 от секундата. Според тях е невъзможно човек да успее да измери подобна скорост с такива примитивни инструменти. Възможно ли е светлината да измине 8-те километра между огледата за 1/36000 от секундата? Повечето не били съгласни, но в същото време това число било много близко с резултата на Рьомер. Може би е просто съвпадение....

Тринадесет години по-късно, Леон Фуко, син на парижки издател, също успял да измери скоростта на светлината. След няколко години работа заедно с Физо, той търсил начини да усъвършенства неговия опит. Вместо зъбно колело Фуко използва въртящо се плоско огледало. При този експеримент светлината от въртящото се огледало се връща обратно, но под малко по-различен ъгъл, заради завъртането на огледалото. С измерването на този ъгъл е възможно да се определи и скоростта на светлината. Фуко продължавал да увеличава прецизността на този метод през следващите 50 години. Последното му измерване през 1926 г. показвало, че светлината се движи със скорост 296 796 км/с. 

    Във физиката от края на XIX век се е считало, че светлината се разпространява в неподвижна среда наречена етер (или ефир) подобно на разпространението на звука във въздуха. Предполагало се е, че скоростта на светлината зависи от посоката на разпространение и скоростта на източника по аналогия с механиката на Нютон. Очакванията са били светлинният интерферометър на Майкълсън да регистрира две съвсем различни скорости на светлината. Резултатът от експеримента е отрицателен:скоростта на светлината изобщо не зависи от скоростта на движението на Земята и от направлението на измерваната скорост.

 Устройството, което проектирали Майкелсън и Морли, по-късно наречено интерферометър (фиг.1-5), изпраща единствен лъч светлина през полуотражателно огледало (разпределител), което разделяло светлината на два лъча, перпендикулярни един на друг. След като преминат през разпределителя те се отразявали обратно от средата на малки огледала. Когато достигат отново разпределителя се сливат в окуляр, представящ модел на конструктивна и деструктивна интерференция, базиран на изминалото време, за което светлината се движи до огледалата и обратно.
    Всякаква малка промяна във времето, нужно за изминаване на този път би била видяна като промяна в позицията на интерференчните пръстени. Ако ефирът влияеше на светлината, то тогава въртенето на Земята би предизвикало отместване на интерференчните пръстени 1/25 от големината на един пръстен. 

 

Фиг.1-5. Интерферометър на Майкелсън
А - Източник на монохроматична светлина
В - полуотражателно огледало
С - огледала
D- регистриране на фазова разлик
а
   
Снимка: Уикипедия
 

    Измерената скорост на светлината от Майкелсън била 299 796 m/s.

 

    Според Международната система скоростта на светлината във вакуум е:

4. Показател на пречупване

  В прозрачна среда (например вода или стъкло) видимата светлина се разпространява със скорост u, която зависи от физичните свойства на средата и е по-малка от скоростта на светлината във вакуум  c.Отношението на скоростта на светлината  във вакуум c към скоростта на светлината в материалната среда u, се нарича показател на пречупване на средата.

    От определението следва, че показателят на пречупване n е безразмерна величина, която показва колко пъти скоростта на светлината във вакуум е по-голяма от скоростта на светлината в дадената среда. За повечето прозрачни среди показателят на пречупване n има стойности между 1 и 2 (табл.2).
   

    В табл.2 са показане стойности на показателя на пречупване на   някои прозрачни среди за жълтата светлина ( λ0  = 589 nm) при температура 20 ° С.

     
 

 

Таблица 2.

    Честотата v на светлинните вълни се определя от източника на светлина и не зависи от свойствата на средата, в която светлината се разпространява.

    Дължината на вълната   λ  зависи от показателя на пречупване на средата: когато светлината  навлиза в среда с по-голям показател на пречупване, дължината на вълната й намалява. Тъй като показателят на пречупване на въздуха е приблизително единица, във въздуха светлинните вълни имат практически същата дължина както във вакуум.

Връзка между дължината на вълната, честотата и скоростта на вълната
 

където λ0 е дължината на вълната във вакуум, ν - честотата, а c е скоростта на светлината във вакуум.

5. Светлинни вълни

    Подобно на механичните вълни, светлинните вълни също се представят геометрично с вълнови фронтове и лъчи. Ще припомним, че вълновите фронтове са повърхности, които показват положението на гребените на вълните в даден момент: разстоянието между два съседни вълнови фронта е равно на дължината на вълната λ. Посоката на разпространение на вълните се представя чрез лъчи, които са перпендикулярни на вълновите фронтове . По посока на лъчите става пренасянето на енергия от вълните. Точков източник на светлина излъчва сферични вълни - вълновите фронтове са концентрични сфери, в чийто общ център е разположен източникът, а лъчите са радиални линии, излизащи от източника (фиг.1-6). Далеч от източника малки части от вълновите фронтове могат с приближение да се разглеждат като плоски, т.е. като части от успоредни равнини. Такива вълни се наричат плоски. Лъчите на плоските вълни са успоредни прави (фиг.1-7).

                 

                      Фиг.1-6. Сферични вълни                                                    Фиг.1-7.  Плоски вълни

 

    Редица оптични явления, например получаването на образ от огледало или леща, се обясняват със законите на геометричната (лъчева) оптика. Геометричната  оптика не отчита вълновата природа на светлината, а описва разпространението й само с лъчи- математически линии, в направлеието на които се пренася светлинната енергия. Според геометричната оптика лъчите от различните източници на светлина не влияят един на друг и се разпространяват независимо. В еднородна среда лъчите са прави линии, а на границата на две среди те се пречупват и отразяват.