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

Е.А.Бӛкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті

Физика-техникалық факультеті

Физика және нанотехнологиялар кафедрасы

6В01504-«Физика-информатика» мамандығы үшін

Оптика-физика ғылымының дербес салаларының бірі. Оптикада жарық пен рентген сәулелерінің табиғаты мен қасиеттері және олардың затқа ететін әсерлері қарастырылады.

Оптикалық құбылыстардың кейбіреулері ерте заманнан-ақ мәлім, мысалы, жарықтың түзу сызықпен таралуы, оның шағылуы сынуы ежелден белгілі. Жарықтың біртекті ортада түзу сызық бойымен таралу заңы мен жарықтың айнада шағылу заңы біздің эрамыздан бұрынғы ІІІ ғасырда ӛткен ертедегі грек ғалымы Евклидтің еңбектерінде кездеседі. Жарықтың мӛлдір екі ортаның шекараснда сыну құбылысы ертедегі грек ғалымы Аристотельге (б.э.д. 384-322ж.) мәлім болған. Жарықтың сыну заңын біздің эрамыздың бас кезінде ӛмір сүрген-Александриялық астроном К. Птолемей (70-147ж.) дәлелдемек болып талаптанған, бірақ оны ХVІІ ғасырдың басында Голландия физигі В. Снеллиус тағайындады. Оптиканың негізгі заңдарын (жарықтың түзу сызықпен таралу заңын, оның шағылу және сыну заңдарын т.т) ұғыну үшін және оптикалық құбылыстардытүсіну үшін жарықтың табиғаты туралы белгілі пікір болуы тиіс. Ондай пікірлерді кезінде ерте заман ғалымдары да ұсынды, бірақ ғылымның дамуымен қабат жарықтың табиғаты жайындағы ой-пікір ӛзгеріп дамып отырды. Біз ондай пікірлердің тым кӛнелеріне тоқталмай; тек ғылымның дамуына себепші болған беріректе шыққан жарық теорияларын ғана шолып ӛтеміз.

ХVІІ ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты жайында екі түрлі ғылыми түсінік болды. Олардың біреуі жарықтың корпускулалық теориясы, екіншісі-жарықтың толқындық теориясы.

Жарықтың корпускулалық теориясын тұжырымды етіп баяндаған–ағылшынның атақты ғалымы И. Ньютон (1672ж.). Бұл теория бойынша, жарық дегеніміз-жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бӛлшектерінің (корпускулалардың) ағыны. Ньютонша, жарық бӛлшектері инерция заңына лайық, түзу сызық бойымен қозғалады, сондықтан жарық біртекті ортада түзудің бойымен таралады; айнаға түскен жарық бӛлшектерінің шағылуы серпімді қабырғаға соғылған кәдімгі серпімді шардың шағылуына ұқсас, яғни шағылу бұрышы түсу бұрышына тең; екі мӛлдір ортаның шекарасында жарықтың сыну себебі жарық бӛлшектері сындырушы ортаның бӛлшектеріне тартылады, соның салдарынан бірінші ортадан екінші ортаға ӛткенде жарық бӛлшектерінің жылдамдығы ӛзгереді, сонда бірінші ортадан гӛрі екінші орта тығыздау болса, жарық бӛлшектерінің жылдамдығы артады. Демек, бірінші ортадағы жарық жылдамдығы ( υ₁ ) екінші ортадағы жарық жылдамдығынан ( υ₂ ) кем болады.

Корпускулалық теория бойынша жарықтың сыну кӛрсеткіші (n) жарықтың екінші ортадағы жылдамдығының бірінші ортадағы жылдамдығының қатынасына тең, яғни

14. 
     ^υ2 , мұндағы υ₁< υ₂ .
    

ӛйткені ол кезде жарықтың тек планеталар аралығында таралу жылдамдығы шамамен 300000 км/с екенігі ғана мәлім болатын (О. Ремер, 1676ж.). Жарықтың суда таралу жылдамдығы шамамен 225000 км/с екндігі 1850 жылы табылды (Л. Фуко). Демек, жарықтың судағы жылдамдығы ауадағы жылдамдығынан кем. Жарық ауадан суға ӛткендегі сыну кӛрсеткіші 1,33-ке тең, яғни 1-ден артық екендігі тәжірибеден мәлім. Демек, Ньютонның жарық сыну кӛрсеткіші жайындағы қорытындысы емес. Бұл теорияның бұдан да басқа кемшіліктері бар. Сондықтан бұл теория кезінде жарықтың бірден-бір теориясы бола алмады. Сол кездің ӛзінде-ақ Голландия ғалымы Х.Гюйгенс

Толқындық бет жеткен әрбір нүкте толқындардың дербес кӛзі болады; сол элементар толқындарды ораушы бет жаңа толқындық беттің орнын кӛрсетеді (Гюйгненс принципі). Толқындық беттерге тік жүргізілген түзуңлер жарық таралатын бағытты кӛрсетеді.

Жарықтың табиғаты жайындағы осы пікірді орыстың атақты ғалымы М.В. Ломоносов та жақтады. Гюйгенс 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 ӛткенде оның жылдамдығы ӛзгереді. Мысалы тығыз емес ортадан (ауадан) тығыздау ортаға (суға) ӛткенде жарық жылдамдығы кемиді, сонда тығыздау ортаның жарық сыну кӛрсеткіші

14. 
    жарықтың тығыз емес ортадағы υ₁ жылдамдығының тығыздау ортадағы
    

жылдамдығына қатынасына тең, яғни n 	υ1	, мұндағы υ	1	> υ	2	. Сыну кӛрсеткіші
	υ2

• 
  ) қатынасының квадрат түбіріне тең, яғни υ  ^Ν_ρ , сонда бұл жылдамдық жарық
  

жылдамдығындай (300000 км/с) ӛте үлкен шама болуы үшін ρ ӛте-мӛте аз, N тым ӛте

үлкен болуға тиіс, демек эфир тығыздығы ӛте аз, ығысу модулі ӛте үлкен серпімді тұтас орта болуы керек, осындай тұтас ортаның болуы мүмкін емес, ӛйткені бұл қасиеттер біріне-бірі қайшы. Сондықтан кезінде жарықтың серпімді тоқындық теориясына да қарсы пікірлер болды. Екінші жағынан, бұл теорияның кӛлемінде жарық құбылыстары басқа физикалық құбылыстармен байланыссыз жеке қарастырылды. Дұрысында, табиғат құбылыстары бір-біріне тығыз байланысты. Сӛйтіп, серпімді толқындық теорияда бірден-бір жрық теориясы бола алмады.

ХІХ ғасырдың алпысыншы жылдарында ағылшынның атақты физигі Дж. Максвелл электромагниттік құбылыстардың теориясын дамыта келіп, айымалы электромагниттік ӛріс кеңістікте бір орында тұрмай, барлық жаққа таралатындығын, оның вакуумда таралу жылдамдығы токтың электромагниттік ӛлшеу бірілігінің электростатикалық бірлігіне қатынасына тең екендігін дәлеледі; ал бұл қатынастың шамасы жарықтың вакуумдағы жылдамдығына (310¹⁰ см/с-ке) тең екендігі бұрыннан мәлім болатын (Вебер мен Кольрауш, 1856 ж.). Сӛйтіп, электромагниттік ӛрістің таралу жылдамдығы жарықтың таралу жылдамдығына тең болып шықты. Максвелл бұдан (1865 ж.) электромагниттік толқынмен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық дегеніміз электромагниттік толқындардың дербес түрі деген қорытынды жасады. Кӛп ұзамай-ақ неміс физигі Г. Герц (1888 ж.) тәжірибе жасап электромагниттік толқындармен жарықтың негізгі қасиеттерінің ұқсас екндігін дәлелдеді. Жарықтың электромагниттік теориясы заттың оптикалық, электрлік, магниттік тұрақтыларының арасындағы айланыс бар екендігін тағайындады. Бірақ бұл теория жарықтың затта таралу ерекшеліктерін, атап айтқанда, заттың жарық сыну кӛрсеткішінің жарық толқынының ұзындығына тәуелділігін (жарық дисперсиясын) түсіндіре алмады. Бұл мәселелерді электрондық теорияға сүйене отырып дұрыс түсіндіруге болады (Г. Лоренц, 1896 ж.).

Жарықтың электромагниттік толқын екендігі тағайындалуы мен қабат «серпімді эфир» гипотезасы кәдеге аспай қалып, оның орнына жарық таралатын, «электромагниттік эфир» болуға тиіс дейтін гипотеза шықты. Бірақ салыстырмалылық теория шыққаннан кейін (А. Эйнштейн, 1905 ж.) жарық таралатын эфир бар деуде ешбір мағына жоқ екндігі айқын болды.

Жарықтың электромагниттік теориясы ХІХ ғасырдың аяғымен ХХ ғасырдың бас кезінде оптиканың кӛптеген мәселелрін дұрыс түсіндіргенімен, бірқатар құбылыстарды, мысалы,. жарық шығару және жұту құбылыстарын, фотоэлектрлік құбылысты т.т толық түсіндіре алмады.

Неміс физигі М. Планк 1900 жылы абсолют қара дененің сәуле шығару заңын қорытып шығарды, сонда ол жарық шығаратын осцилляторлар (атом құрамындағы электрондар) тербелгенде сәулелік энергия белгілі мӛлшерде үздік-үздік, порция-порция болып шығуға тиіс деп ұйғарды. Ол энергияның осындай порциясын (бір шӛкім мӛлшерін) квант деп атады. Планктың айтуы бойынша энергия кванты ( ε ) жарықтың тербеліс жиілігіне ( ν -ге) пропорционал: ε  hν , мұндағы h=6.6210^-27 эрг.с=6.6210^-34 Джс, бұл шама Планк тұрақтысы деп аталады. Энергия кванттары жайындағы идея физикаға үлкен ӛзгеріс енгізді, кванттық теорияға негізделіп бұрын түсініксіз құбылыстар түсіндірілді. Мысалы, 1905 жылы атақты физик А. Эйнштейн жарық дара энергия кванттары түрінде жұтылуға тиіс деп болжап, фотоэлектрлік құбылыстың негізгі заңдарын түсіндірді. Эйнштейн кейін жарық дегеніміз кванттар ағыны, әрбір жарық квантының энергиясы ε  hν деп жорыды. Жарық кванттары қазір фотондар деп аталады да, жарықты кванттар – фотондар ағыны деп ұғынатын теория жарықтың

Сӛйтіп, ХХ ғасырдың басында жарықтың электромагниттік теориясына жарықтың фотондық теориясы қосылды. Сонымен, жарықтың әрі толқындық, әрі корпускулалық қасиеттері бар; жарықтың табиғаты екі жақтылы. Осындай екі жақтылы қасиеттер кәдімгі заттың элементар бӛлшектеріне де тән. Осындай кӛзқарасты белгілі француз физигі Л. де-Бройль (1924 ж.) ұсынды. Бұл пікір кейін (1928-30 ж.) тәжірибе жасалып дәлелденді. Үстірт қарағанда жарықтың фотондық теориясы бұрынғы Ньютон ӛрбіткенкорпускулалық теорияға ұқсас сияқты. Бірақ, ол тұрпайы ұқсастық, ӛйткені сапа жағынан алғанда фотон заттың кәдімгі бӛлшектерінен ӛзгеше, ерекше «бӛлшек»; салыстырмалық теориясы бойынша, фотонның белгілі массасы болғанмен, оның «тыныштықтағы массасы» нольге тең, барлық фотондардың жылдамдығы бірдей (с=31010см/c). Атомдар ядролар ӛрісінде болған кейбір процестер нәтижесінде жарық кванты (фотон) жойылып, оның орнына екі элементар бӛлшек-электрон және позитрон (оң зарядты бӛлшек, массасы мен зарядының мӛлшері электрондікіндей) пайда болады. Бұған кері процесс те мәлім: электрон мен позитрон бірігіп жойылып кетіп, оның есесіне екі фотон пайда болады. Сӛйтіп фотонның, заттың кәдімгі бӛлшектері сияқты, массасы, импульсі, энергиясы бар; фотон электрон мен позитронға айнала алады, фотон электрон мен позитроннан түзіле алады. Демек жарық-материяның бір формасы, онда материяның барлық негізгі қасиеттері бар. Бірақ жарық материя болғанда оның материяның басқа формаларынан (электрондардан, позитрондардан, атомдардан т.т) ерекшелігі сол-жарықтың тыныштықтағы массасы жоқ.