Жарықты өткізу заңдары, спектрлік әсері

Жарықтың түзу сызықпен таралуы, оның шағылуы, сынуы Евклидтің еңбектерінде кездеседі. Жарықтың мөлдір екі ортаның шекарасында сыну құбылысы Аристотельге мәлім болған. Жарықтың сыну заңын В.Снелиус тағайындады.

ХVII ғасырда жарықтың табиғаты жайында 2 түрлі ғылыми түсінік болды.

1. Жарықтың корпускулалық теориясы.

2. Жарықтың толқындық теориясы.

Жарықтың корпускулалық теориясын тұжырымдаған И. Ньютон.

Бұл теория бойынша:

-Жарық дегеніміз – жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлшектерінің ағыны:

-Жарық бөлшектері инерция заңына лайық, түзу сызық бойымен қозғалады, сондықтан жарық біртекті ортада түзудің бойымен таралады;

- Айнаға түскен жарық бөлшектерінің шағылуы серпімді қабырғаға соғылған кәдімгі серпімді шардың шағылуына ұқсас, яғни шағылу бұрышы түсу бұрышына тең.

- Екі мөлдір ортаның шекарасында жарықтың сыну себебі жарық сындырушы ортаның бөлшектеріне тартылады, соның салдарынан 1-ші () ортадан 2-ші () ортаға өткенде жарық бөлшектерінің жылдамдығы өзгереді. Корпускулярлық теория борйынша жарықтың сыну көрсеткіші (η) жарықтың 2-ші ортадағы жылдамдығының 1-ші ортадағы жылдамдығының қатынасына тең, яғни:

мұндағы (1)

Жарықтың ауадағы таралу жылдамдығы 300000 км/сек, ал судағы таралу жылдамдығы 225000 км/с. Жарық ауадан суға өткендегі сыну көрсеткіші 1,33-ке тең, яғни 1-ден артық. Демек Ньютонның жарық сыну көрсеткіші жағдайындағы көрсеткіші дұрыс емес.

М.Гюгеньс (1678ж) жарықтың толқындық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша жарық дегеніміз ерекше серпімді ортада (эфирде) таралатын толқындық процесс. Гюгеньстің пікірінше жарық та, дыбысқа ұқсас сфералық беттер және толқындар түрінде таралады. Сонда жарық толқындары эфирде таралатын механикалық серпімді тербелістер болып табылады.

«Толқындық бет жеткен әрбір нүкте элементтар толқындардың дербес көзі болады; сол элементтар толқындарды ораушы бет жаңа толқындық беттің орнын көрсетеді» (Гюгеньс принципі). Толқындық беттерге тік жүргізілген түзулер жарық таралатын бағытты көрсетеді.

Гюгеньс осы принципке сүйеніп жарықтың шағылу және сыну заңдарын, сондай-ақ жарықтың қосарланып сынуын да дұрыс түсіндірді.

Толқындық теория бойынша жарықтың сыну себебі жарық бір ортадан екінші ортаға өткенде оның жылдамдығы өзгереді. Мысалы, тығыз емес ортадан (ауадан) тығыздау ортаға (суға) өткенде жарық жылдамдығы кемиді, сонда тығыздау ортаның жарық сыну көрсеткіші (η) жарықтың тығыз емес ортадағы -жылдамдығының тығыздау ортадағы жылдамдығына қатынасына тең, яғни

мұндағы (2)

Сыну көрсеткіші жайындағы бұл қорытындының дұрыс екендігі кейін тәжірибе жүзінде дәлелденді.

Гюгеньстің толқындық теориясы – жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңын түсіндіре алмады.

О.Френель (1815) Гюгеньстің принципіне элементар толқындардың интерференциялау принципін қосты – бұл Гюгеньс-Френель принципі деп аталды, осы принцип жарықтың түзу сызық бойымен таралуын және жарықтың дифракция құбылысын дұрыс түсіндірді.

Д.Максвелл (1895) электормагниттік толқындар мен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық дегеніміз электромагниттік толқындардың дербес түрі деген қорытындыға келді.

Жарықтың осы электромагниттік теориясы көптеген оптикалық мәселелерді дұрыс түсіндіргенмен жарық шығару және жарық жұту құбылыстарын, фотоэффект құбылысын т.б толық түсіндіре алмады.

1900ж М.Планк – атом құрамындағы электрондар тербелгенде сәулелік энергия белгілі мөлшерде үздік-үздік (порция-порция) квант түрінде шығады, ал оның энергиясы жарықтың тербеліс жиілігіне (ν) пропорционал деді.

ε=hν (3)

Мұндағы:

ε – энергия кванты

h – 6,62·10^-34Дж·с – Планк тұрақтысы

ν – жарықтың тербеліс жиілігі.

Осы кванттық теория бойынша А Эинштейн (1905) – жарық дара энергия кванттары түрінде жұтылуға тиіс деп болжап, фотоэффект құбылысының негізгі заңдарын түсіндірді. Эинштейн - жарық дегеніміз кванттар ағыны деді. Жарық кванттары қазір фотондар деп аталады, жарық кванттар – фотондар ағыны деп ұғынатын теория жарықтың фотондық теориясы деп аталады.

Сонымен ХХ-ғасырдың басында жарықтың элнетромагниттік теориясына жарықтың фотондық теориясы қосылды, яғни жарықтың әрі толқындық, әрі корпускулалық қасиеттері бар. Жарықтың табиғаты екі жақтылы. Осындай екі жақтылы қасиеттер кәдімгі заттың элементтер бөлшектеріне де тән. Осындай көзқарасты белгілі француз физигі Луй де – Броиль (1924) ұсынды.

Гюгеньс теориясы бойынша (4)

Ортаның вакуумге қатысты анықталған сыну көрсеткіші оның абсолют сыну көрсеткіші деп аталады (), ол жарықтың вакуумдағы (с) жылдамдығының берілген ортадағы жылдамдығымен қатынасына тең.

(5)

Жарық өтетін екі ортаның абсолют сыну көрсеткіштері ₁ мен ₂ мынаған тең , (6)

Бұларды бір-біріне мүшелеп бөлсек, онда

(7)

Сөйтіп 2-ші ортаның 1-ші ортаға қатысты сыну көрсеткіші олардың абсолют сыну көрсеткіштерінің қатынасына тең.

Жарықтың сыну заңы: (8)

Электромагниттік теория бойынша, оның ортадағы таралу жылдамдығы мынаған тең:

(9)

Ал ортаның абсолют жарық сындыру көрсеткіші (η) мынаған тең:

(10)

Мұндағы: η – ортаның сыну көрсеткіші

ε – ортаның диэлектрлік өтімділігі.

μ – ортаның магниттік өтімділігі.

Жарық сапектрлері. Максвельдің теориясы бойынша жарық электромагниттік толқындардың бір түрі. Электромагниттік толқындардың ұзындығы бірнеше мың километрден, сантиметрдің миллиардтық үлестеріне дейін болады.

Өте қысқа толқындар ұзындығын өлшеу үшін микрометр (мкм), нанометр (нм), ангестрем (А⁰) деген бірліктер қолданылады.

1мкм=10^-6м, 1нм=10^-9м, 1А⁰=10^-10м

Көзге әсер етіп көру сезімін оятатын электромагниттік толқындарды – жарық толқындары деп аталады, олардың толқын ұзындықтарының мәні 0,76 мкм мен 0,4мкм аралығында жатады.

Ең алғаш (1666) күннің жарығын шыны призмадан өткізіп спектрге жіктеген Ньютон болды. Оның тәжірибесінде жарық S – тесігінен өтіп АВС шыны призмадан өткенде 2-ші жақтағы қағаз бетінде түрлі түспен боялған ұзынша RV-жолақша кескіні пайда болады. Жолақтың R-шеті қызыл түсті, V-шеті күлгін түсті болып, олардың аралығында бірімен-бірі тұтасып жатқан бірнеше түс байқалады. Ньютон осы түрлі түсті жолақты спектр деп атаған. Ньютон бұл спектрде байқалатын мынандай жеті түстерді атап көрсетті: қызыл (0,76-0,64 мкм), қызғылт сары (0,64-0,595 мкм), сары (0,595-0,565 мкм), жасыл (0,565-0,592 мкм), көгілдір (0,492-0,455 мкм), көк (0,455-0,424 мкм) және күлгін (0,424-0,4мкм).

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.

Көрінетін спектрдің қысқа толқынды шетінен, 0,4 мкм-ден басталатын спектрдің алқабы ультракүлгін спектр деп аталады. Ультракүлгін спектр көрінбейді: (λ=0,4 мкм-1нм). Ультракүлгін спектрге жататын жарық толқындары шыныдан өтпейді, олар кварцтан флюориттен, тастұздан және шынының арнаулы сорттарынан өте алады. Ультракүлгін сәулелерді неміс физигі Риттер (1801) олардың AgCl-ға өтетін химиялық әсерін зерттеу арқылы ашқан. Спектрдің ультракүлгін бөлігінің фотосуретін түсіріп алуға болады.

Көрінетін спектрдің ұзын толқынды қызыл шетінен басталатын спектр алқабы инфрақызыл спектр деп аталады. Спектрдің бұл бөлігінің толқын ұзындығы λ =0,76 мкм-1мм аралығында. Инфрақызыл сәулелер шыныдан, кварцтан, флюориттен, тас тұздан, сильвиннен өте алады. Инфрақызыл сәулелерді ағылшын астрономы В.Гершель (1800) күн жарығы спектрінің түрлі бөліктерінің жылулық әсерін зерттей келіп ашқан.

Сонымен көрінетін спектрдің қызыл шетінен инфрақызыл спектр алқабы, күлгін шетінен ультракүлгін спектр алқабы басталады. Бұларды оптикалық спектрлер деп атайды.

Жарық толқындары тасымалдайтын энергия жарық энергиясы немесе сәулелік энергия деп аталады. Сәулелік энергия ағынның көзге әсер етіп, көру сезімін туғызатын бөлігі жарық ағыны (φ) деп аталады.

Электромагниттік толқындардың бәрі бірдей көру сезімін оята бермейді, тек толқын ұзындықтары шамамен 0,4 мкм-ден 0,76 мкм-ге дейінгі (400 нм – 760 нм) түсті сәулелер ғана көру сезімін туғызады.

Адам көзінің түрліше түсті сәулелерді сезу дәрежесі бірдей емес. Көз толқынының ұзындығы 555 нм-ге тең жасыл сәулені өте сезгіш. Сөйтіп көздің түрлі түсті сәулелерді сезгіштігі сәулелердің толқын ұзындығына тәуелді.

Адам көзінің толқынының ұзындықтары әртүрлі жарық сәулелерін «орташа» салыстырмалы сезгіштігін сипаттайтын шама көріну функциясы () – деп аталады. Бұл функцияның сан мәні түрлі сәулелер үшін әр түрлі болады. Адамның көзі өте жақсы сезетін толқын ұзындығы 555 нм-ге тең жасыл сәулеге тән көріну функциясы =1 деп саналады, сонда басқа түсті сәулелерге тән мәндері бірден кем () болады. Көрінбейтін жарық үшін =0. Жарық күшінің бірлігі – Кандела (кд). Кандела дегеніміз платинаның қату температурасында 2046,6 ⁰К-да, абсолют қара дененің 1 квадрат сантиметр бетінің оған жүргізілген нормаль бағыты бойынша шығаратын жарық күшінің үлесі болады.

1) Жарық ағынының бірлігі – Люмен (лм). Люмен дегеніміз жарық күші 1 кд-ға тең жарық көзінен шығып 1 стерадианға тең денелік бұрыш ішінде таралатын жарық ағыны ()

1 лм= 1кд· 1стер.

2) Жарықталыну бірлігі – Люкс (Лк). Люкс дегеніміз 1 квадрат метр бетке 1 люмен жарық ағыны келген беттің жарықталынуы ().

1лк=

Төмендегі кестеде жиі кездесетін жарықталыну шамалары келтірілген.

1-кесте. Жарық түрлері мен олардың жарықталыну өлшемі

 

№	Жарықтың түрлері	Люкс
	Күн жарығы тік түскендегі жарықталыну	105
	Күндіз бөлмедегі жарықталыну	102
	Оқуға қажет жарықталыну	30-50
	Нәзік жұмысқа қажет жарықталыну	102-2 · 102
	Ай толғандағы жарықталыну	0,2