> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Собирательных линз Др Д- >
Собирательных линз Др Д- >
Собирательных линз Д—р Д- > О,
Ки Rj
для рассеивающих 0. На
Кл Rj
фигура 14 указано построение изображений в собирательной и рассеивающей линзе, оно основано на следующемъ правиле: луч, проходящий черезъопти-ческий центр, идет без преломления, а луч, параллельный главной оптической оси, проходит через фокусъ для собирательных линз, а для разсеивающих — продолжение преломленного проходит через фокус. Разсмотренная приближенная теория приложима для тонких линз; при разсчетах оптических стекол необходимо считаться с влиянием толщины стекол; вообще более строгая теория, знание которой необходимо для конструктора, значительно сложнее.
Оптические стекла и зеркала обладают целым рядом недостатков.
а. Сферическая аберрация. Лучи, выходящие из одной точки, не собираются, строго говоря, в одну точку, как мы предполагали, и этот недостаток тем сильнее, чем меньше радиус кривизны, и он уменьшается по мере уменьшения угла в конусе падающих лучей. Устранить этот недостаток—неясность изображения—можно с помощью экрана с небольшимъ отверстием (диафрагма): при этомъ устраняются крайние лучи, падающие под большим углом. А лучше всего недостаток этот устраняется комбинацией двух линз, причем одновременно устраняется и хроматическая аберрация. Если сферическая аберрация устранена не только для точек, лежащих на оптической оси, но и длятой поверхности, так как фокусное расстояние для побочных лучей несколько иное, чем для центральных; кроме того, получаются 2) искривления, обусловленные различным увеличением для точек близких и далеких от оси; эти недостатки устраняются надлежащим выбором линз и надлежащим положением и размерами диафрагмы.
О преломлении в призме (смотрите дисперсия и спектроскоп). Все вообще оптические инструменты получаются комбинациями простых и сложныхъ линз (смотрите астрономическая труба, лупа, микроскоп) и могут быть разобраны на основании изложенной приближен-
целых площадок, перпендикулярных к оси, то такая комбинация линз называется апланатической.
Ь. Хроматическая аберрация (смотрите ахроматизм). Фоку сы—= (п12—1) г
различны для лучей различной преломляемости (цветности) вследствие различия показателя преломления для различной цветности (смотрите дисперсия).
c. Астигматизм—лучи, выходящие из точки, лежащей на побочной оптической оси, не дают сферической волны и образуют волну, не симметричную относительно этой оси; комбинации линз, свободные от этого недостатка, называются анастигматы.
d. Искривления. 1) Плоский предметъ дает изображение, лежащее на вогнуной теория. Двойное преломление см. поляризация.
5. Интерференция С. При объяснении прямолинейного распространения С. с точки зрения волнообразной теории, мы уже пользовались представлениемъ об интерференции; мы уже указывали, что С. от двух одинаковых вторичных источников света можетъ производить в данном месте различные действия в зависимости отъ разстояний, отделяющих место наблюдения от этих источников; если разность расстояний такова, что С. отъ одного источника)придет в данное место наблюдения, опоздав на целое число волн, то мы будем получать гребень волны одного источника вместе с гребнем волны другого; еслиже опоздание окажется равным нечетному числу полуволн, то гребень будет совпадать с долиной и наоборот; оба источника, следовательно, в данном месте погасят другъ друга—мы будем наблюдать темноту. В этом и состоит явление интерференции. Разсмотрим, как оно наблюдается, и как воспользовались этим явлением для дальнейшаго изучения природы С.
Наблюдать явление интерференции всего проще с помощью расположения
Фигура 15.
Томаса Юнга (фигура 15). В непрозрачном экране, лучше всего в металлическом листе, делается при помощи иглы отверстие, которое освещается (слева на фигуре 15) ярким источником С., причем необходимо, чтобы С. не проникал иначе, какъ через отверстие; на расстоянии приполе зрения окуляра получаются полосы темные и светлыя, если освещение было одноцветное, и цветные, если С. был белый, т. е. состоящий из смеси всех цввтов спектра (смотрите спектральный анализ).
Расположение темных и светлых полос определяется следующим образом; если А и В (фигура 16) будут два отверстия, играющия роль двух источников С., то на экране в точке О, отстоящей на одинаковом расстоянии от А и В, будет усиление С.
Для любой же точки cjr С. будет усилениеили ослабление, смотря по тому, на сколько запоздаетъ С. от более удаленного от С. источника, т.е. сколько световых волн или их частей уложатся на отрезке AD. Из чертежа следует (принимая малую дугу BD за прямую), что AD=asina (1) и sino ~ α=
d сL
= у (2), откуда AD=у- d. Если
Фигура 16.
близительно в 30 см. устанавливается второй экран с двумя отверстиями (проколами иглы), отстоящими на разстоянии менее полумнллимфтра друг от друга (А, В); на расстоянии 30 см. от второго экрана помещается лист белой бумаги, а еще лучше,— окуляр от какого - либо оптического инструмента; тогда на экране или в
AD=целому числу волн, то в С. будет усиление—светлая полоса; если
AD=(2 n -f 1) у (п-целое число), т. е.
нечетному числу полуволн, то в С. всегда будет встречаться гребенъ волны одного источника с долиной другого. Итак, положение светлыхъ полос определяется условием AD «=
а
= id =у d(3), где к целое число,
а d расстояние полосы относительно центра картины, т. е. о фигура 16. Темные полосы определяются условием
(2k + 1)y=rd-
Для удачи опыта необходимо, чтобы оба отверстия А и В освещались однимъ источником, так как мы предполагаем, что изъ А и В одновременно выходит гребень или долипа, что при хаотичности движений центров колебаний в светящихся телах не может произойти, если А и В освещены различными источниками С. В опыте Юнга два отверстия освещены светом, идущим от одного отверстия, следовательно, первоначальный источник один.
Вместо окуляра можно поставить фотографическую пластинку, и тогда можно показать объективно явление интерференции. Образчики подобныхъ снимков можно видеть- на таб. 1. Снимки (а также снимки табл. M, смотрите ниже) сделаны по мысли В. К. Аркадьева въ городском университете Шанявского слушателями А. Беркманом и Н. Яковлевым.
На снимках 14а, 14b и 14с освещение производилось непеременно отверстием А, потом В; результатъ представляет собой то, что происходит при освещении двумя различными источниками, на фигуре 15а, b и с оба отверстия были открыты разомъ (освещались одним общим источником, как на фигуре 15);на 15b и 15с ясно видны полосы темноты. Приводим числовия данныя: диаметр отверстий 0,094 миллиметра расстояния между центрами отверстий в снимках, а 19,5 м/м. в b—4 м/м. и в с 1,2 м/м. расстояние между экраном с одним отверстием и экраном с двумя отверстиями 16 метров, между экраном с двумя отверстиями и фото графической пластинкой 12 мфтровт. Выдержка на пластинках средней чувствительности 5 минут, освещении первого отверстия — вольтова дуга.
Для получения более яркой картины пользуются зеркалами Френеля; получают два изображения одного и того же источника с помощью двухзеркал или, наконец, би-призмой Френеля: два изображения получаются при пропускании С. через пару призм.
Явления интерференции наблюдаютси при встрече волн падающих и отраженных (смотрите волны и звук); всего проще это явление наблюдается на веревке, резиновой трубке или свер
Л
нутой в спираль проволоке, если закрепить один конец и раскачивать ритмически другой. При этом получаются узлы неподвижные места ft пучности в промежутках, где дви жение наиболее сильно. Винер получал стоячия волны С., заставляя пучок параллельных лучей отражаться от зеркала. Если вблизи зеркала под углом поставить фотографическую -пластинку (фигура 17), то в
14 с 5 с
Опыт Юнга (принцип интерференции).
Опыт Френеля (тень прямого края).
ЛТВЬРГГКИb
ДИСКb-
ОТВЬРСТКИИЬ.
циск.
п=8,0
Диффракция от кр>илого отверстия и диска (п— число выделяемых зонь).
некоторых местах чувствительный слой попадет в узел, в других— в пучность (чувствительный слой у Винера был очень тонок), в пучностях пластинка чернеет, в узлах остается неизмененной. В опыте Винера по расстоянию между черными полосами можно судить о расстоянии между узлами и, следовательно, о длине волны и показать, что красный цвет соответствует более длиннымъ волнам, а фиолетовый—наиболее коротким из волн видимого С.
В опыте Винера кроется объяснение цветной фотографии по способу Лимпана. Если взять прозрачную чувствительную пластинку, прилегающую чувствительной стороной къ ртути, и поставить в фотографическую камеру, то при съемке въ толще чувствительного слоя получаются пленки на расстояниях, соответствующих длинам волн данного цвета. Если проявленную пластинку рассматривать в отраженномъ С., то в части а (фигура 18) отравятся те волны, у которых длина волны в два раза больше расстояот передней и задней поверхности фигура 19, например, в явлении так называемых Ньютоновых колец, получающихся при наложении линзы на плоское стекло, в промежутке между которыми остается слой воздуха, представляющий тонкую пластинку, толщина которой возрастает от центра (место соприкосновения линзы со стеклом) во все стороны одинаково (при условии верности шлифовки линзы и плоского стекла). Так как при значительной по сравнению с длинами световыхъ волн толщине пластинки условия максимального отражения могут совпадать для нескольких спектральных цветов (смотрите спектр), то цвета тонких пластинок будут цветами смешанными. Явлениями интерференции в настоящее время пользуются при исследовании спектров.
6. Диффракция. Диффракцией света называется отступление от прямолинейного распространения С., или явление, состоящее в загибании С. внутрь
ния между слоями; луч, отразившийся от 2, пройдет на одну длину волны×больше, чем отразившийся от 1 (на двойное расстояние между 1 и 2), точно так же, как в b будет отражен по преимуществу С. с волной более короткой; ясно, что это условие не будет соблюдено в а для волн другой длины, и лучи, идущие от слоев 1, 2, 3, не будутъ усиливать друг друга, почему изъ белого С.в при отражении от а получится С. той волны, которая,ы-авала появление отражающих слоев. Подобным образом объясняются цвета тонких пластинок, тамъ только речь идет об отражении
Фигура 20.
области тени; явление это впервые наблюдал Grimaldi в 1665 г. Обыкновенно к явлению диффракции примешивается явление интерференции.Правильное объяснение этого сложного явления было дано френелем. Представим себе пучок С., идущий изъ узкой щели в О (фигура 20) и падающий на экран PQ; на пути света находится непрозрачный экран EEj. Если бы С. распространялся в точности по прямым линиям, то в Р прошла быграница тени. Применим для данного случая то же построение, каким мы пользовались для объяснения прямолинейности распространения С. с точки зрения теории волн. Разобьем фронт волны, касающейся въ К края непрозрачного экрана, на пояса Гёйгенса, соответствующие точке Q,
т. е. опишем из Q сферы с радиусами QC1, QC2 и так далее, отличающимися на В2Х—половину длины волны. Все части поясов, лежащия от С к А и дальше, окажут свое действие так, как будто экрана не было, но къ этому еще присоединится действие частей двух первых поясов, лежащих между С и Е; действие ССХ противоположно действию СзСи, потому в сумме освещения в Q=половине полного. Для другой точки Q, экрана (фигура 21), лежащей ближе к Р, между полюсом волны С и краемъ экрана помещается только один пояс Гёйгенса СС, эта часть действует полностью, она не ослабляется действием соседнихъпоясов. освещение, даваемое ею, больше, чемъ освещения всех частей поясов, лежащих от С к А и дальше. Следовательно, точка Q, будет освещена ярче, чем если бы экрана ЕЕ1 не было; так как длина волн, определяющая пояса Гёйгенса, зависит отъ цвета, то места максимального освещения Qt фигура 21 и наименьшого Q фигура 20 будут различны для различнаго цвета, почему при освещении края экрана белым С. мы получим явление окрашенных полос. ______
На таб. I фигура 16а—16d приведены снимки диффракционных явлений, происходящих на краю экрана; на 16а экраном служил край бритвы, на 16d С. шел по касательной к цилиндру, сделанному из согну гого картона съ радиусом в 40 метров; такая кривизна не играет роли (цифры R обозначают радиусы кривизны), как это видно из снимков. Кривая, расположенная под снимками, изображаетъ теоретическое вычисленное изменение яркости С.вблизи края экрана. Эти же снимки показывают в согласии съ теоретической кривой, что яркость непрерывно убывает внутрь тени, никаких полос не получается. Но если наш экран ограничен и съ другой стороны, если на пути С. мы помещаем маленькую полоску, то и внутри тени, как показывает рассуждение, /подобное приведенному выше, будут полосы. На таб. II показаны снимки, получающиеся при прохождении С. сквозь отверстия или мимо небольших дисков. На таб. II ясно видны полосы внутри области тени и яркое пятнышко посредине ея; цифры и дают числа поясов Гёйгенса, занятых экраном или отверстием. Кольца, подобныя изображенным натабл., получаются при прохождении С. мимо ряда одинаковых препятствий, например, круги вокруг солнца и луны, наблюдаемые в те дни, когда в атмосфере взвешены кристаллики льда. Подобные круги существуют во всякомъ изображении, даваемом микроскопомъ или вообще каким-либо оптическимъ инструментом, и налагают пределъ на увеличение этих инструментов; если изображения колец, соответствующих двум близким точкамъ изображения, налегают друг на друга, то мы уже не можем различать эти точки, как раздельные. На принципе диффракции основанъ очень важный инструмент, так называемая диффракционная решетка— важный потому, что он дает возможность измерять длину световыхъ волн с большой точностью.
Представим себе решетку, состоящую из ряда непрозрачных полосок BAj, BjA2 и так далее, чередующихся с прозрачными промежутками (фигура 22), освещенную (слева) пучком параллельных лучей. Пусть за решеткой находится линза L. Из чертежа видно, что в Р все лучи, идущие от решетки, пройдут одинаковые пути, гребни и долины будут приходить согласно, для точки же Q лучи будут запаздывать на величины Aj Dt, A2DZ и так далее, они будут усиливать друг друга или ослаблять, смотря по тому, уложится ли на А и так далее целое число волн или нечетное число полуволн. Таким образом, если |
ра картины Р в обе стороны: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный; дальнейшие спектры от Р после второго отчасти налегают друг на друга, если решетка частая. На современных решеткахъ число полосок на дюйме доходит до
40.000! Чем больше полосок наедини-це длины, тем менее а-)-Ь и тем больше отличаются друг от друга после. . пХ
дователыиия значения sme=-
п=1, п=2 и так далее, т. е. тем реже спектры и тем дисперсия
>
>
>
>
Фиг 22.
для QAjDi — (а —(- b) sin®=пХ (1), где и любое целое число, а×длина волны, то в Q будет максимум С.; если же
AiDt=(a-f- b) sina=- — -J—×(2) (n любое целое число), го будет minimum. В поле зрения линзы получается ряда, полос темных и светлых, если светъ монохроматический одноцветный, тогда, изм еряя углы а и „периодъ“ решетки, т. е. a-f- b, ширину полосы -)- промежуток, по формуле (I), можно определить длину волны×— эго самый лучший способ определения длины волн. Если С. белый,то темные и светлия полосы получаются в разныхъ местах поля зрения для разных цветов, в зависимости от величины×получаются так называемые днф-фракционные или „нормальные“ спектры. Цвета располагаются в следующем порядке, если считать от центбольше; при большой величине-га -f b
малия различия в×при одном и том же и дают большия различия в sina и а, т. е. отдельные цвета сильнее разделяются.
7) Определение силы света ем. фотометр.
8) Поляризация света, поляризатор, анализатор, см. поляризация.
9) Принцип Допплера, см. Допплеря явление.
10) Давление С., см. световое давление.
11) Поглощение С., см. спектр, теплота, цвета.
12) Электромагнитная природа С. Разсмотренные в 1, 2, 3, 4 явления могут быть объяснены одинаково какъ с точки зрения прежней Френелфвой волнообразной теории, так и с точки зрения новой волнообразной электромагнитной, так как для объясненияне обходим был только самый волно-об разный характер движения, природа же его совершенно не играла роли.
Впервыф электромагнитная природа С. была выяснена теоретически Мак-суэлом. Он указал, что из законов электромагнетизма и электромагнитной индукции в соединении с гипотезой диэлектрического тока или тока смещения в непроводникахъ (смотрите электрические колебания; эта гипотеза была впоследствии непосредственно проверена опытами А. А. Эй-хенвальда в Москве) следует, что всякое электрическое возмущение распространяется со скоростью V, равной отношению единиц по электростатической системе единиц и электромагнитной (смотрите электрические измерения и единицы). Отношение этих единицъ V равно некоторой скорости, и съ этой скоростью, как оказывается, передается по Максуэлу всякое электромагнитное возмущение. Точные измерения отношения V показали, что V =
300.000 км. в секунду, т. е. скорости С.! Отсюда Максуэл вывел заключение, что и С. должен быть электромагнитным явлением. С этого времени и вплоть до настоящого момента учение Максуэла продолжает развиваться и, можно сказать, каждый день приносит все новия и новия доказательства, подтверждающия теорию Максуэла. Общее признание теория получила после опытов Герца (смотрите электрические колебания), в которых удалось показать распространение электромагнитных волн, испускаемых источником электромагнитных колебаний, и которые во всех отношенияхъ сходны со С., т. е. преломляются, отражаются, поляризуются, интерферируют и так далее и отличаются только отсутствием действия на глаз, а физически—размерами: волны у Герца 30 — 40 см., позднее у Лебедева 0,6—0,3 см., а световия 0,00007 до 0,00004 см. При дальнейшем развитии теории оказалось возможнымъ объяснить явления поляризации (ом.) при отражении, вывести, вполне строго так называемия Френелевы формулы, определяющия поляризацию, а также интенсивность отраженныхъ лучей, которые Френелем были выведены с некоторыми натяжками из его старой теории. Далее были объяснены особенности металлического отражения, и установлена связь между показателями преломления и диэлектри-ческой постоянной (смотрите электричество), между коэффициентом отражения С., т. е. долей всего падающого С., которая отражается, и электропроводностью отражающого свет зеркала, т. е. установлены были соотношения между оптическими свойствами тел и электрическими, позволяющия по даннымъ измеренным величинам предсказывать другия. Можно ли, идя по пути Герца и позднейших исследователей, получить волны световия и получить синтез С.е Простой рассчет показывает, что прибор Герца для этого пришлось бы сделать величиной с молекулу и даже меньше! Таким образом для непосредственного доказательства электромагнитной природы С. надо, оставивъ попытки синтеза света, исследовать готовые источники С. Результаты этих исследований составляют обширную главу, содержащую учение о так называемых магнито-и электрооптических явлениях. К этой категории явлений относится прежде всего открытое Фарадеем 1) явление вращения плоскости поляризации в магнитном поле. Если между полюсами сильного электромагнита поместить какое-нибудь прозрачное некристаллическое тело и пропускать через него плоско-поляризованный пучок С. по направлению магнитных линий сил, то при замыкании тока в электромагните, т. е. при возбуждении магнитного поля, плоскость поляризации поворачивается так, что если до замыкания тока С. былъ погашен николем (смотрите поляризация), при замыкании появляется свет, и для затемнения надо повернуть николь на угол, равный величине магнитнаго вращения плоскости поляризации. Отъ естественного вращения магнитное отличается тем, что направление вращения зависит от направления луча, т. е. от того, идет ри луч оть северного полюса къ’ южному или наоборот. Поэтому, если луч пройдет два раза через данное полетуда и назад, то вращение удваивается, тогда как в естественно вращающем теле, как, например, в кварце, при подобном расположении получается вращение, равное нулю. Теория этого явления основана на так называемой электронной теории (смотрите) и охватывает собой и более сложные виды явления, наблюдаемые в лучах, близких к тем, какие поглощаются испытуемым телом.
2) Земаново явление (с.м.).
-3) Явление Керра состоит в том, что плоско-поляризованный луч становится эллиптически поляризованным при отражении от полированной поверхности электромагнита.
4) К электрооптическим явлениям относится явление двойного преломления, вызываемого электрическим полем в жидкостях, открытое Керром, и недавно открытая Штарком электрическая аналогия явления Земана.
Теория магнито - и электро-оптиче-ских явлений, еще невполне законченная, основывается на современном представлении о строении вещества, по которому каждый атом содержит въ себе положительно - заряженное ядро и несколько отрицательно-заряженных частиц — электронов. Вследствие этих зарядов расположение и движение частиц находится под влиянием внешнего электрического поля. А если частицы находятся в движении, то, проявляя все признаки электрического тока, оне, как электрический ток, подвергаются влиянию магнитнаго поля, изменяющого их движение подобно подвижному проводнику в магнитном ноле. Особенно наглядно объяснение Земанова явления, данное Ло-ренцом (смотрите Земаново явление и электронная теория), а самый факт влияния магнитного поля на светящийся газ ясно указывает, что колеблющияся частицы, вызывающия С., должны быть электрически заряжены.