О чем рассказывает свет - Сергей Суворов

Эти опыты были проделаны в 1667—1668 годах. Они-то и положили начало спектроскопии — науке о составе света, о разложении его на составляющие цветные излучения — спектры.

Познать физические свойства — значит научиться измерять

Попробуйте при случае подсчитать, сколько цветов в радуге. Эту задачу выполнить невозможно. Между полосами красной и оранжевой, синей и голубой, как и между любыми соседними полосами, нет резких границ, между ними имеется много переходных тонов. Не все оттенки цветов способен различать глаз. Часто трудно и определить: то ли цвет «ближе к синему», то ли «ближе к голубому». Цвет — неточная характеристика лучей. Нельзя ли для каждого луча найти характеристику более точную, чем его цвет?

Рис. 2. Общий вид установки Ньютона, с помощью которой он наблюдал разложение белого луча на ряд цветных

Физики нашли такую точную характеристику, когда они научились выражать свойства света через числа, измерять и сравнивать, когда они лучше узнали свойства света, его природу.

Первые споры о природе света

Со времен глубокой древности человека занимал вопрос: что такое свет? Почему человек обладает таким чудесным свойством видеть окружающий мир во всем многообразии его форм, движения, красок?

Ньютон полагал, что свет — это какие-то световые частицы (корпускулы), летящие от источника во все стороны. Они попадают в глаз и создают в нем образ предмета. На что опирался Ньютон, утверждая, что свет — это поток частиц? Сведений о свойствах света в то время было мало. Ньютон рассуждал так. Частицы света распространяются по прямым линиям. Именно поэтому непрозрачные предметы дают тень, и контуры их очерчены этой тенью резко. Потому-то нельзя видеть, что делается за углом дома. А вот если бы свет был волнами, то он огибал бы угол дома. Предметы были бы видны, даже если бы они стояли за углом дома.

В самом деле, возьмем, например, звук. Мы хорошо, слышим разговор людей, стоящих за углом дома. Это потому, что звук — это волны, волны сгущений и разрежений воздуха, идущие от источника звука во все стороны. А волны способны огибать препятствия, менять свое направление.

Итак, Ньютон сделал вывод: поскольку свет распространяется прямолинейно, постольку он состоит из потока частиц (корпускул), а не волн. Эти взгляды Ньютона получили известность под именем корпускулярной гипотезы света.

Однако уже Ньютон открыл явление, толкование которого вызвало много споров о том, какова природа света. Однажды он положил очковое стекло с небольшой выпуклостью на стеклянную пластинку и направил на нее пучок одноцветных лучей: на пластинке вокруг точки прикосновения очкового стекла образовались цветные и темные кольца, вложенные друг в друга (рис. 3). Цветные кольца были очень яркими, в темных кольцах свет пропадал вовсе. Эти кольца были названы кольцами Ньютона.

Рис 3. Темные и цветные кольца, которые Ньютон наблюдал при пропускании лучей сквозь очковые стекла

Отчего возникают такие кольца?

Ньютон объяснял это так. Частицы света иногда проходят сквозь стекла — в этом случае образуются цветные кольца, иногда же они не в состоянии этого сделать — тогда образуются темные кольца. Частицы света обладают попеременно то свойством проходить сквозь стекло, то свойством задерживаться в стекле.

Но были ученые, которые считали объяснение Ньютона очень сложным. Отчего свойства частиц света (то проходить, то задерживаться в стекле) меняются, да еще с очень точной регулярностью? Не проще ли предположить, что свет — это волны? Ведь в самой природе волн есть строгая регулярность — колебание.

По вопросу о природе света среди ученых образовалось два направления. Большинство из них считало воззрения Ньютона на природу света правильными. Но отдельные ученые не соглашались с ними и полагали, что свет—это волны. К ним принадлежали голландский оптик Христиан Гюйгенс (1629—1695), петербургский академик, швейцарец по происхождению, Леонард Эйлер (1707—1783) и великий русский ученый Михаил Ломоносов (1711 —1765).

Почти полтораста лет шли споры о природе света. Появление колец Ньютона толковалось по-разному. Но обе спорящие стороны были вынуждены признать: чем бы ни был свет, он обладает замечательным свойством — свойством периодичности. Об этом говорят кольца Ньютона. И только долго оставалось неясным, как понять эту периодичность.

Лишь в XIX веке было дано правильное объяснение ньютоновых колец. Их происхождение можно понять только в том случае, если предположить, что свет распространяется волнами.

Волны обладают особыми свойствами, которые присущи только им и никаким другим образованиям. Эти особые свойства проявляются в характере их взаимодействия.

Чтобы лучше разобраться в этом, познакомимся с волнами на поверхности воды.

Волны на поверхности воды

Каждый знает, что водяные волны бывают разные. На поверхности пруда едва заметная зыбь слегка качает пробку рыболова, а на морских просторах огромные водяные валы раскачивают океанские пароходы. Чем же отличаются волны друг от друга?

Посмотрим, как возникают водяные волны.

Рис. 4. Прибор для ритмического возбуждения волн на поверхности воды

Для возбуждения волн на воде возьмем прибор, показанный на рис. 4. Когда моторчик А вращает эксцентрик Б, стерженек В движется вверх и вниз, погружаясь в воду на разную глубину. От него разбегаются круговые волны (рис. 5).

Они представляют собой ряд чередующихся гребней и впадин.

Расстояние между соседними гребнями (или впадинами) называется длиной волны и обычно обозначается греческой буквой λ (лямбда) (рис. 6).

Рис. 5. Волны, создаваемые ритмично колеблющимся стерженьком; буквой λ обозначена длина волны

Увеличим число оборотов моторчика, а стало быть, и частоту колебаний стерженька вдвое. Тогда число волн, появившихся за то же время, будет вдвое больше. Но при этом длина волн будет вдвое меньше.

Число волн, образующихся в одну секунду, называется частотой волн. Она обычно обозначается греческой буквой ν (ню).

Рис. 6. Поперечный разрез водяной волны. АБ — амплитуда а, БВ — длина волны λ

Пусть на воде плавает пробка. Под влиянием бегущей волны она будет совершать колебания. Подошедший к пробке гребень поднимет ее вверх, а следующая за ним впадина опустит вниз. За одну секунду пробку поднимет столько гребней (и опустит столько впадин), сколько за это время образуется волн. А это число и есть частота волны ν. Значит, пробка будет колебаться с частотой ν. Так, обнаруживая действие волн в любом месте их распространения, мы можем установить их частоту.

Рис. 7. Схема связи длины волны λ, скорости v и частоты ν. Из рисунка ясно, что v = νλ

Ради простоты мы будем считать, что волны не затухают. Частота и длина незатухающих волн связаны друг с другом простым законом. За секунду образуется ν волн. Все эти волны уложатся на некотором отрезке (рис. 7). Первая волна, образовавшаяся в начале секунды, дойдет до конца этого отрезка; она отстоит от источника на расстоянии, равном длине волны, умноженной на число образовавшихся волн, то есть на частоту ν. Но расстояние, пройденное волной за секунду, есть скорость волны v. Таким образом,

λ × ν = v

Длину волны и скорость распространения волн часто узнают из опыта, но тогда частоту v можно определить из вычисления, а именно:

ν = v / λ

Частота и длина волн являются их существенными характеристиками; по этим характеристикам одни волны отличают от других.

Кроме частоты (или длины волны), волны отличаются еще и высотой гребней (или глубиной впадин). Высота волны измеряется от горизонтального уровня покоящейся поверхности воды. Она называется амплитудой, или размахом колебаний.

Амплитуда колебаний связана с энергией, которую несет волна. Чем больше амплитуда водяной волны (это относится также и к колебаниям струн, почвы, фундамента и т. д.), тем больше энергия, которая передается волнами, причем больше в квадрат раз (если амплитуда больше в два раза, то энергия больше в 4 раза и т. д.).

Теперь мы можем сказать, чем океанская волна отличается от зыби в пруду: длиной волны, частотой колебаний и амплитудой.

А зная, какими величинами характеризуется каждая волна, нетрудно будет понять и характер взаимодействия волн друг с другом.