Введение в оптику

DjVu

      Настоящая книга является последним томом трёхтомного курса общей физики, принадлежащего профессору Геттингенского университета Р. В. Полю. Первые два тома: «Введение в механику» и «Введение в учение об электричестве» переведены и изданы более десяти лет тому назад и пользуются известностью среди студентов и научных работников, систематически занимающихся различными областями физики. Отличительной особенностью этих книг являются свежесть изложения, своеобразный подход автора к рассматриваемым явлениям, умение отчётливо отделять главное от второстепенного. Кроме того, они содержат большое число оригинальных демонстрационных экспериментов, сопровождающихся подробным описанием их постановки, в связи с чем представляют интерес не только для^студентов, но и для преподавателей высшей школы.
      Всё сказанное в полной мере относится и к «Введению в оптику», впервые выходящему па русском языке.
      Своеобразие книги состоит, например, в том, что в отличие от большинства учебников оптики, Поль в основу начальных глав, касающихся геометрической оптики, интерференции и диффракции, кладёт ограничение световых пучков. Диффракционная теория оптических приборов излагается им уже начиная с § 9.
      В книге подчас не разбираются некоторые вопросы, которые обыкновенно находят место в других учебниках оптики. Зато здесь имеются и такие проблемы, которые трактуются только в специальной литературе, например, молекулярные спектры, фосфоресценция, цвет и блеск и т. д.
      Этот своеобразный характер книги Поля делает её ценным дополнением к имеющейся на русском языке литературе по оптике, хотя вряд ли можно советовать начинать изучение оптики с книги Поля: для этого у нас есть такой превосходный по полноте и глубине курс, как «Оптика» академика Г. С. Ландсберга. Читатель, уже искушённый в оптике, прочтёт книгу Поля с большим интересом.
      Книга переведена без отступлений от текста. Перевод сде-лан Л. Н.гБронштейн (главы I — У и XIV). А. Н. Полянской (главы VII — X) и М. П. Шаскольской (главы VI п XI — XIII) с первого издания под редакцией ныне покойного проф. А. Н. Зильбермана.
      Когда перевод был закончен появилось новое (переработанное) 2-ое и 3-е издание «Оптики»: Я заново пересмотрел перевод и привёл его в соответствие с новым изданием.
      В книге имеются ссылки на предыдущие тома — на «Введение в механику и акустику» и «Введение в учение об электричестве». Эти тома цитируются по изданию ГТТИ 1933 г. — первый под сокращённым названием «Механика» и второй — под названием «Электричество».
      Н. А. Толстой
     
      Настоящий заключительный том Введения в физику должен был содержать оптику и учение о теплоте. Вместо этого в нём излагается только оптика и кое-что из атомной физики. Учение о теплоте будет присоединено к тому, посвящённому механике и акустике. Новое издание этого тома подготовляется.
      Содержание настоящего тома во многом отличается от содержания наших обычных учебников. Поэтому и здесь в заглавии сохранено слово «введение».
      В первых шести главах на первом плане стоит ограничение световых пучков. Решающее значение этого ограничения становится ясным каждому, кто знает эти явления по собственному опыту, а не только из чужих источников. При этом часто принимались во внимание потребности учителей, например, при сравнении различных опытов по интерференции света. В главе об интерференции кое-что публикуется впервые.
      Особое внимание обращено на единообразный подход к рентгеновскому и обыкновенному свету, например, рис. 361 или § 110. Автор не скрывает некоторой пристрастности к оптическим явлениям в твёрдых телах; оправданием этому может служить область его собственных работ.
      В данном томе ещё больше, чем в других, начинающий должен будет сперва кое-что пропустить, особенно в главах IX, X и в конце главы XI; но если он и пропустит мелкий шрифт и вычисления, то всё же сможет уследить за ходом мысли и в более трудных местах. Формулу Вера получить без вычислений нельзя, как нельзя понять и большое отражение света сильно поглощающими телами (металлами) только на основании опыта на модели (§ 87). То же самое относится и к ряду других вопросов, например, к формуле дисперсии. Но основной момент — роль сдвинутых по фазе вторичных волн (§ 104) — поймёт, вероятно, всякий начинающий.
      Р. В. Поль
     
      ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ КО ВТОРОМУ И ТРЕТЬЕМУ НЕМЕЦКОМУ ИЗДАНИЮ
      Несмотря на большой тираж, книга разошлась быстро, что свидетельствует о потребности в курсе современной оптики, изложение которого основано на эксперименте. В текст и рисунки нового издания внесены многочисленные изменения, в особенности в §§ 35, 37, 59, 136, и 165. Пожелания, высказанные при обсуждении книги, я, по возможности, учёл, хотя многое пришлось отложить на будущее. В рецензиях многократно указывалось на то, что заглавие «Оптика» не охватывает полностью содержания книги; большие разделы её относятся к «Атомной физике».
      Р. В. Поль
     
      I. ПРОСТЕЙШИЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
     
      § 1. Введение. Ночью, в тёмной комнате, накроем голову одеялом и надавим глаз в верхней части того уголка его, который обращён к носу. Мы увидим яркий свет — блестящее жёлтое кольцо. Словами, напечатанными курсивом, мы описали наши ощущения. Всякое исследование света и его измерение (фотометрия), равно как и исследование цвета и блеска, принадлежит не к области физики, а скорее к области психологии и физиологии. Имея это в виду, можно заранее избежать многих бесплодных рассуждений.
      Обычно знакомые нам ощущения: свет, яркость, цвет, блеск, возникают вследствие излучения. Нечто, исходящее от излучающих тел — источников света, попадает в наш глаз. На пути к глазу оно не нуждается ни в какой ощутимой передаточной среде. Излучение Солнца и других неподвижных звёзд проникает к нам через пустое мировое пространство. Этo излучение, вызывающее ощущение света, часто называют световым излучением или, ещё короче, светом. Слово «свет» в смысле излучения употребляется также и для невидимых лучей. Это двойное значение слова «свет», как ощущения и как физического излучения, имеет свою аналогию в акустике. Ощущение звука также возникает вследствие излучения. Это вызывающее ощущение звука излучение называют кратко звуком. И здесь слова «звук» применяется также и к звуковым излучениям, которых мы не слышим.
      В акустике физическая сущность излучения нам хорошо известна: это — упругие волны в материальной среде. Что же мы знаем о свете, т. е. о физическом излучении, могущем воздействовать на наш глаз? Так ставится вопрос в этой книге. Мы придём к следующему выводу: относительно светового излучения можно установить много вполне определённых положений, но они не дают нам ещё вполне законченной, всесторонне удовлетворяющей картины.
      Физика была и остаётся наукой экспериментальной. В оптике, как и в других её разделах, отправными точками являются наблюдение и опыт. Учение об оптике, как и другие разделы физики, целесообразно начать с простейших наблюдений повседневной жизни. При этом мы можем пользоваться также и общеизвестными техническими вспомогательными средствами.
      Рис. 1. Видимый след светового пучка в пыльном воздухе. Пунктирные лучи изображены дополнительно.
     
      § 2. Световой пучок и световые лучи. Каждый знает разницу между прозрачным и мутным воздухом, между прозрачной и мутной жидкостью. Мутный воздух содержит множество мельчайших взвешенных частиц (туман, дым или пыль). Жидкости бывают мутными также из-за присутствия мельчайших частиц. Мы можем, например, замутить чистую воду ничтожным количеством китайской туши, т. е. тонко измельчённой сажи, или несколькими каплями молока — микроскопически малыми частицами жира и казеина.
      В комнате воздух всегда мутен: в нём постоянно имеется множество взвешенных частиц, пылинок. Немало способствуют этому и курильщики.
      Проделаем теперь в комнатном воздухе следующий опыт (рис.1). Возьмём дуговую лампу в обычном металлическом кожухе. В передней стенке кожуха имеется выходное круглое отверстие В. Глядя со стороны, мы увидим беловатый светящийся конус, проникающий далеко в окружающее пространство.
      Следовательно, свет распространяется внутри прямолинейно ограниченного конуса, называемого световым пучком. Этот световой пучок имеет большой угол раскрытия «и», определяемый отверстием В — апертурной диафрагмой.
      С явлением распространения в виде прямолинейно ограниченных пучков мы встречались уже раньше, в случае механических волн, например, в водяных и звуковых волнах (рис. 2).
      Опыт, изображённый на рис. 1, показывает нам видимый след света в мутной среде. Освещённые пылинки «рассеивают» небольшую часть света во все стороны, и некоторая доля этого рассеянного света попадает в наш глаз. В механике известно аналогичное явление: рассеяние волн во все стороны мельчайшими препятствиями. Если волны на поверхности воды попадают на палку, то последняя становится источником цуга волн, распространяющихся во все стороны (ср. Механика, рис. 379).