1- дәріс. Кіріспе жарықтың табиғаты жайындағы ілімнің дамуы. ХVІІ ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты жайында екі түрлі ғылыми түсінік болды: жарықтың корпускулалық теориясы мен-жарықтың толқындық теориясы

x 

S  f t 			
	

		x 
E  f t 				(4)
	

Сонымен электромагниттік толқынның диэлектрик ортада таралу жылдамдығы мынаған тең:



1



1



c

(5)



00



мұндағы

c 

1

, вакуумның

 1,  1 олай болса   c , сӛйтіп с –

00

электромагниттік толқынның вакуумдағы жылдамдығы болады. Халықаралық система (СИ) бойынша:

ε0		1		Ô/ì ,					μ0  4π 107 Ãí / ì
		4π9	109
Сонда
			ñ 	1				 3	108 ì /ñ
						ε0μ0

Сӛйтіп, электромагниттік толқынның вакуумда таралу жылдамдығы жарықтың жыламдығына тең. Демек, жарық пен электормагниттік толқынның табиғаты бір. Кейін бұдан басқа деректер де жарықтың электромагниттік табиғатын растады. 1947 жылы электрондар бетатрон ішінде ӛте зор жылдамдықпен үдей қозғалғанда кӛрінетін жарық шығатындығы тағайындалды (совет физиктері Д.Д. Иваненко, И.Я. Померанчук, американ физиктері Блюит, Поллок т.б.). Осылай бетатрон ішінде үдей қозғалған шапшаң электондардың жарық шығаруы жарықтың ақиқат электромагниттік толқын екендігін кӛрсетті.

Жарықтың электромагниттік теориясы заттың электрлік, магниттік және оптикалық қасиеттерінің бір-бірімен байланысты екендігін тағайындады. Расында (5) теңдеу бойынша ортаның абсолют жарық сындыру кӛрсеткіші (п) мынаған тең:

n 	c			(6)
			εμ
	υ

Бұл теңдіктен ортаның оптикалық, электрлік және магниттік тұрақтылары ӛзара байланысты екендігі кӛрініп тұр. Сутегі, азот сияқты газдар, бензол, толуол сияқты сұйықтардың ғана осы (6) формула бойынша есептеліп шығарылған сыну кӛресткіштері олардың тікелей тәжірибе жасап табылған сыну кӛрсеткіші мәніне дәл келеді. Ӛзге заттардікі дәл келмейді.

Электр ӛрісі кернеулігі мен магнит ӛрісі кернеулігі ӛзара байланысты, олардың шамалрының арсында байланысты Максвеллдің теңдеулерінің кӛмегімен табуға болады. Біз оның дәлелдеуіне тоқталмай, тек нәтижесін келтіреміз:

εε 0

E 

μ 0μ

H

(7)

Бұл теңдікке қарағанда Е мен Н бір-біріне пропорционал, бұлар берілген нүктеде ӛздерінің максимум мәндеріне бір мезгілде жетеді жән бір мезгілде нольге айналады. Толқынның электр және магнит ӛрістерінің тербелу фазалары бір. Е мен Н векторларының бағыттары бір-біріне перпендикуляр және олар толқын жылдамдығы (х) бағытына да перпендикуляр (1-сурет)

Электромагниттік толқынның кернеулігі уақытқа байланысты периодты түрде ӛзгеретін болып, мысалы толқын х осінің бойымен таралсын да (7) теңдеудің шешуі болатын f функция синусоидалық (не косинусоидалық) функция болсын. Сонда толқынның электр ӛрісі керенулігін (4) формулға сәйкес былай ӛрнектеуге болады:

	2π 		x 			x 
E  E 0 sin		t 			 E 0 sin 2πνt 			(8)
	T
			υ 			υ 

Электромагниттік толқын ӛрісінің энергиясы болады. Электромагниттік толқын таралғанда оған қосыла энергия таралады. Сонда толқын жылдмдығына перпендикуляр 1м² беттен 1 секундта электромагниттік толқын алып ӛтетін энергия мӛлшері яғни энергия ағынының тығыздығы Умов-Пойтинг векторымен кескінделеді, оның сан мәні (S) энергияның кӛлемдік тығыздығы (u) мен толқынның таралу жылдамдығы () кӛбейтіндісіне тең, яғни

S  u  υ

(11)

21. 
     ¹₂ εε₀E ²  μμ₀H ² 
    

21. 
     εε₀E ²  μμ₀H ²  εε₀μμ₀ E  H
    

Ал электромагниттік толқынның таралу жылдамдығы

υ 		1
		εε0μμ0

Егер u мен  мәндерін (11) формуладағы орындарына қойсақ, Умов-Пойтинг

Умов-Пойтинг векторының орташа мәні (s) электромагниттік толқын интенсивтілігі деп аталады. Егер жазық монохромат толқын ӛрісінің кернеулгі (8) формула арқылы ӛрнектелсе, (7) ӛрнекті еске ала отырып (12) формула бойынша мәнін табуға болады, сонда

		εε 0	E 2
S				(14)
		0
		μμ 0

мұндағы Е₀ –электр ӛрісі кернеулігінің амплитудасы. Сӛйтіп электромагниттік толқын интенсивтігі электр ӛрісі кернеуліәгінің амплитудасының квадратына тура пропорционал болады. Бұл анықтама жарық толқыны интенсивтігіне де қолданылады.

Максвеллдің теориясы бойынша жарық электромагниттік толқындардың бір түрі электромагниттік толқындардың ұзындығы бірнеше мың километрге, сантиметрге, миллиардтық үлестерге дейін болады. Радио хабар беру үшін пайдаланылатын электромагниттік толқындар ұзындығы бірнеше километрден бірнеше сантиметрге дейін болса, ал оптикада қарастырылатын толқындар ұзындығы бірер миллиметрден миллиметрдің миллиардтық үлестеріне тең болады. Толқындардың ұзындығы миллиметрдің он мыңнан жетпіс алты үлесінен, миллиметрдің он мыңнан тӛрт үлесіне тең болып келген электромагниттік толқындар кӛзге әсер етіп кӛру сезімін оятады, осындай толқындар көрінетін жарық толқындары деп аталады. Ӛте қысқа толқындар ұзындығын ӛлеу үшін әдетте микрометр (қысқаша мкм), нанометр (нм) және ангстрем (Å) деген бірліктер қолданылады; 1 мкм=10^-6м, нм=10^-9 м, Å=10 ^-10м. Кӛзге кӛрінетін жарық толқындарының ұзындығының мәні шамада, 0,76 мкм мен 0,4 мкм аралығында жатады. Адамға ежелден мәлім қызыл, сары, жасыл, кӛк түсті жарықтардың толқындарының ұзындығы () осы шектен аспайды. Қызыл жарықтың ең ұзын =0,76 мкм, күлгін жарықтың ең қысқа =0,4 мкм деп саналады. Бұларға қосымша толқындарының ұзындығы, шамада 1мм мен 0,76 мкм аралығында жататын электромагниттік сәулелер инфрақызыл сәулелер деп аталады, ал толқындарының ұзындығы 0,4 мкм мен 1 нм аралығында жататын сәулелер ультракүлгін сәулелер деп аталады. Инфрақызыл және ультракүлгін сәулелер кӛру сезімін оятпайды, кӛзге кӛрінбейді. Кӛрінетін жарық, кӛрінбейтін инфрақызыл және ультракүлгін жарық бір сӛзбен тек жарық деп аталады.

Қызған қатты және сұйық денелер, электрразряды ӛткен газдар шығаратын ждарықтың және бұлардан басқа табиғи жарық кӛздерінен таралатын жарықтың құрамында толқынының ұзындықтары әр түрлі, сан алуан сәулелелер болады. Сондай құрамы күрделі жарықты толқындарының ұзындығы немесе тербеліс жиілігі бойынша аййырып жіктеуге болады. Белгілі жүйме мен кеңістікте орналасқан жарық толқындарының немесе тербеліс жиіліктерінің жиынтығы оптикалық спекр деп аталады.

Мысалы, лаборатория жағдайында жарықты спектрге жіктегенде 3 жақыт призма немесе дифракциялық

тор делінетін құралдар пайдаланылады. Ең алғаш (1666

Толқын ұзындықтары 0,4 мкм ден 0,76 мкм-ге дейінгі жарық сәулелер кӛзге кӛрінетін болғандықтан спектрдің осы сәулелелерге тән бӛлігі кӛрінетін спектр деп аталады. Спектрдің осы бӛлігіне жататын жарық сәулелері шыныдан ӛте алады. Спектр бұл бӛлігін тікелей кӛзбен кӛріп бақылаумен қатар, оның фотосуретін түсіріп алуға болады. Кӛрінетін спектрдің қысқа толқында шетінен, шамада, 0,4 мкм ден , басталатын спектрдің алқабы ульракүлгін спектр деп аталады, бұл спектрдің шеті 1 нм –ге дейін созылады. Ультракүлгін спектр алқабының ӛзі де бірнеше бӛлікке бӛлінеді: жуықтап алғанда оның толқын ұзындығы 0,4-0,29 мкм аралығындағы бӛлігін жақын ультра күлгін; 0,29-0,19 мкм аралығындағы бӛлігін орта ультра күлгін, 0,19 мкм –1 нм аралығындағы алыс ультра күлгін деп аталады. Ультракүлгін спектр кӛрінбейді. Ультракүлгін спектрге жақын жарық толқындары шыныдан ӛтпейді олар кварцтан флюориттен, тас тұздан және шынының аранулы сорттарынан ӛте алады. Бірақ бұл аталған заттардың мӛлдірліктері бірдей емес. Мысалы, кварцтың толқынының ұзындығы 0,185 мкм –нен қысқа ультракүлгін сәулелелер ӛте алмайды; флюориттен толқынының ұзындығы 0,125 мкм нен кем ультракүлгін сәулелер ӛтпейді. Ульракүлгін сәулелер неміс физигі Риттер (1801) олардың

AgCl –ға ететін химиялық әсерін зерттеу арқылы ашқан болатынды. Спектрдің ультракүлгін бӛлігінің фотосуретін түсііп алуға болады.

Кӛрінетін спектрдің ұзын толқынды ӛызыл шетінен басталатын спектр алқабы инфрақызыл спектрі деп аталады. Спектрдің бұл бӛлігінің ең ұзын толқынды шеті, шамада, 1мм-ге дейін созылады, Инфрақызыл спектр алқабы шартты түрде 3 бӛлікке бӛлінеді. Толқын ұзындығы 0,76 мкм ден басталып 2,5 мкм-ға дейін созылатын бӛлігі жақын инфрақызыл спектр; 2,5 мкм-дан –50 мкм дейінгі бӛлігі орта инфрақызыл спектр; 050 мкм-дан –1 мм ге дейінгі бһлігі алыс инфрақызыл спектр деп аталады. Инфрақызыл сәулелер шыныдан кварцтан, флюориттен, тас тұздан, сильвиннен ӛте алады. Бірақ осы аталаған заттардың мӛлдірліктері бірдей емес. Мысалы, шыныдан толқынның ұзындығы 2,5 мкм –ға дейінгі, кварцтан толқынының ұзындығы 3,5 мкм ға дейінгі, тас тұздан толқынының ұзындығы 17 мкм дейінгі инфрақызыл сәулелер ғана ӛте алады. Инфрақызыл сәулелерді ағылшын астрономы В.Гершель 1800 жыл күн жарыфғы спекрінің түрлі бӛліктерінің жылулық әсерін зерттей келіп ашқан. Инфрақызыл спектрдің толқын ұзындығы 0,76 мкм дан 1,3 мкм дейінгі бӛлігінің фотосуретін түсіріп алып зерттеуге болады, одан гӛрі ұзын толқынды бӛліктерін бақылау үшін жарықтың жылулық әсері пайдаланылатын құралдар қолданылады.

Сонмыен кӛрінетін спектрдің қызыл шетінен инфрақызыл алқабы, күлгін шетінен ульракүлгін спектрі алқабы басталады. Бұлар әдетте оптикалық спектрлер деп аталады.