23-мавзу. Геометрик оптика қонунлари ва ёруғликни тўлқин хоссалари. Режа

23-мавзу. Геометрик оптика қонунлари ва ёруғликни тўлқин хоссалари.
Режа
1. Ёруғликни электромагнит табиати.
2. Ёруғлик нурлари.
3. Толали оптика.
4. Ёруғликни интерференцияси. Когерент тўлқинлар.
5.Ёруғлик интерференциясини ҳосил қилиш усуллари. Интерферометрлар ва уларни кимё фанида қўлланилиши.
§ 1. Ёруғликнинг электромагнит табиати.
Оптика грекча "optike" - кўраман, деган сўздан олинган бўлиб, физиканинг бу бўлимида ёруғликнинг табиати, ёруғлик ҳодисаларидаги қонуниятлар ва ёруғлик билан моддаларнинг ўзаро таъсирига доир жараёнлар ўрганилади.
Оптика уч қисмга бўлинади:
1.Тўлқин оптикаси, тўлқин хусусиятларини ўзида намоён қиладиган, ёруғликни ўзига хос бўлган ҳодисаларини ўрганади.
2.Квант оптикаси, ўзида ёруғликни корпускуляр хусусиятларини намоён қиладиган, ёруғликни модда билан ўзаротаъсинини ўрганади.
3.Геометрическая оптика, ёруғлик нурлари ҳақидаги тушунчалар асосида шаффоф муҳитларда ёруғлик энергиясининг тарқалишини ўрганади.
Ёруғлик деганда, одатда, катта тўлқин интервали(400-760 нм.)даги электромагнит нурланиш тушунилади. Аммо, тарихан шундай бўлиб қолганки, олимлар асосан кўз кўрувчи нурланишни ўрганишган. Нурланишнинг бу соҳаси кўринувчи ёруғлик дейилади.
Энг катта тўлқин узунликдаги ёруғлик бизларга қизил бўлиб кўринади, энг қисқаси эса-бинафша.
Қизилга нисбатан катта тўлқин узунликдаги ёруғлик инфрақизил дейилади. Бизни кўзимиз уни сезмайди, аммо теримиз бундай тўлқинларни иссиқлик нурланиши сифатида сезади.
Бинафша тўлқин узунлигидан кичик ёруғлик ультрабинафша дейилади.
Атроф муҳитга ёруғлик нурлатувчи жисмлар, ёруғлик манбаи дейилади. Манба ёруғлик нурлатганда энергия йўқотади, ютганда эса унинг ички энергияси ортади, яъни, ёруғликни тарқалиши энергияни олиб ўтиш билан содир бўлади.
Ёруғликни нуқтавий манбаи – бу ёруғлик чиқараётган моддий нуқта бўлиб, ўлчами ёритилаётган жисмга нисбатан кичик бўлган манба.
Агар ёруғлик манбаи чексизликда жойлашган бўлса, унинг нурлари сиртга параллел дасталар бўлиб тушади.
Ёруғлик манбалари иккига бўлинади: табиий (Қуёш, юлдузлар, чақмоқ ва бошқалар), сунъий (қизиш лампалари, реклама трубкалари, шам, электр ёй ва бошқалар). Барча ҳолларда ҳам ёруғлик нурланиши, ё нур сочувчи жисмлар ички энергиясини камайиши ҳисобига, ёки бошқа ташқи манба жисмга берувчи энергия ҳисобига бўлади. Атом ва молекулалар бирор сабабга биноан қўзғалган ҳолатга ўтса, улар нурлатади.
Қўзғалиш усулига қараб ёруғлик манбаларини уч гуруҳга ажратиш мумкин.
Биринчи гуруҳга иссиқлик манбалари киради. Иссиқлик - жисмни катта температурагача қиздириш натижасида ёруғликни нурланиши рўй берадиган манбалар.
Ёруғликни бу манбаларида атом ва молекулалар зарраларини катта температурадаги хаотик ҳаракати туфайли қўзғалган ҳолатга ўтади. Мисол тариқасида Қуёш ва юлдузларни, ёнувчи гугурт ва қизиш лампасини кўрсатиш мумкин. Одатда, бундай ҳолда, жисмларни иссиқлик нурланиши ҳақида гапирилади. Иссиқлик нурланиши манбани ички энергиясини камайиши ҳисобига бўлади.
Иккинчи гуруҳга люминесценция манбалари киради. Люминисцент - рентген нурлари, радиоактив нурлатиш ва бошқа манбалар орқали жисмларни ёруғлик нурлатишининг манбаи.
Бу ҳолда, атомлар қўзғалмас ташқи сабаблар билан шартлашилган бўлади. Ташқи сабабларга моддани электронлар оқими билан бомбардимони, жисмни электромагнит тўлқинлар (рентген ёки ултрабинафша) билан нурланиши, кимёвий реакция ва бошқалар киради. Бундай нурлатгичларга мисол – электрон нур трубкаларининг экрани ва бошқалар.
Бунда нурланиш, ташқи манбадан, жисмга энергия узатиши ҳисобига амалга оширилади. Бу ҳолда жисмларни совуқ нурланиши ҳақида гапирилади. “совуқ нурланиш” термини ҳар доим ҳам ҳосил бўлувчи нурланиш атрофидаги жисмларга иссиқлик таъсири кўрсатмайди деган маънони билдирмайди. Масалан, лазер нури металлни эритиши мумкин, яъни кучли иссиқлик таъсирини кўрсатиши мумкин. Совуқ нурланиш ҳақида гапирганда, биз атрофдаги жисмларга нурланиш таъсирини характерини эмас, балки бу нурланишни ҳосил қилиш усулини тушунишимиз керак.
Нурланишни учинчи манбаи моддадаги нурланиш бўлиб Черенков эффекти дейилади. Бу нурланиш электронларни моддада ёруғлик тезлигидан катта тезликда ҳаракат қилишида юзага келади.
Гюгенс томонидан 1690 йилда чиқарилган “Ёруғлик ҳақидаги рисола” номли асарида шундай деган эди: “Ёруғлик товуш каби сферик сиртлар ва тўлқинлар кўринишида тарқалади; сув сиртига ташланган тошдан ҳосил бўладиган тўлқинлар каби бу сиртларни тўлқинлар деб атадим”.
Гюгенс асосан тўлқин фронтини тарқалиши ҳақидаги масалани кўриб чиқиб, тўлқин фронтини берилган ҳолати бўйича кейинги ихтиёрий вақт моментидаги ҳолатини аниқлаш мумкин деб таъкидлади.
Ёруғлик тезлигини аниқлаш бўйича тажрибалар XIX асрни охирида бошланди. Сувда ёруғлик тезлиги 2,2510⁸ м/с га тенг бўлиб, вакуумдаги ёруғлик тезлигини 3/4 қисмини ташкил қилар экан. Шишада ёруғликни тарқалиш тезлиги эса 210⁸ м/с.га тенг. Бундан кўринадики ёруғлик тарқалиш тезлиги муҳитнинг хусусиятига боғлиқ экан.
Ёруғлик тўлқинлари диэлектрикларда ҳам тарқалади. Диэлектрикларда тўлқин тарқалиш тезлиги фақат диэлектрик синглирувчанлик орқали аниқланади, чунки шаффоф диэлектриклар учун  бирга тенг деб олиниши мумкин.
Муҳитнинг абсолют синдиргич кўрсаткичи: n= c₀ /v га тенг бўлиб, у муҳитни оптик зичлиги деб аталади.
Демак, ёруғликни бирор муҳитда тарқалиш тезлиги унинг оптик зичлигига боғлиқ. Вакуум учун -1,0 га тенг, ҳаво учун – 1,0003 га тенг.
Ҳаво учун n бирдан унча катта бўлмаган қийматга фарқ қилади, шунинг учун кўп амалий ҳисобларда ёруғликни ҳавода тарқалиш тезлиги вакуумда тарқалиш тезлигига тенг қилиб олинади, яъни, сс₀.
Оптик зичлик қанча катта бўлса, ёруғликни тарқалиш тезлиги шунча кичик бўлади.
Фундаментал физик доимий с ни муҳим маъноси, бу, бирор массага эга бўлган моддий жисм ёки зарядлар вакуумда ёруғликни тарқалиш тезлигидан катта тезликка эга эмаслигидир.
XVII аср охирида, деярли бир вақтда, ёруғликнинг иккита, гўё бир-бирини инкор этувчи назариялари вужудга келди.
Нютонни оқиш назариясига кўра, ёруғлик, нурланувчи жисмдан тўғри чизиқли траекториялар бўйича тарқалувчи ёруғлик зарралари (корпускулалар) оқимидан иборат.
Нютоннинг замондоши Гюйгенс ёруғликнинг тўлқин назариясини ўртага ташлади. Бу назарияга асосан, ёруғлик олам эфирида (яъни эластик муҳитда) тарқалувчи эластик тўлқин деб қаралади.
1864 йилда Ж.Максвелл томонидан яратилган ёруғликнинг электромагнит назариясига кўра ёруғлик нури тўлқин узунлиги 410^-7м дан 7,610^-7м гача бўлган электромагнит тўлқинлардан иборат.
Электромагнит тўлқинлар назарияси ёруғлик интерференцияси, ёруғлик дифракцияси, ёруғликни қутбланиши, ёруғлик дисперсияси каби ҳодисаларни тушунтириб берди.
XIX аср охири ва ХХ аср бошида кашф қилинган экспериментал фактлар (фотоэффект, Комптон эффекти, нур чиқариш ва ютиш) электромагнит назария асосида жуда қийин тушунтирилди. Бу ҳодисаларни тушунтириш учун ёруғлик нурланиши алоҳида порциялардан иборат деб қараш зарур бўлади.
Демак ёруғликнинг табиати икки хил бўлиб, унда ҳам тўлқин хоссалари, ҳам зарраларга хос ҳусусиятлар мужассамланган экан.
ХХ аср бошларида М.Планк, А.Эйнштейн, Н.Бор, де-Бройль каби физикларнинг меҳнати билан яратилган ёруғликнинг квант назарияси ёруғликнинг табиати икки ёқлама характерда эканлигини тушунтириб берди.
Кейинчалик маълум бўлдики, икки хил корпускуляр-тўлқин ҳусусияти табиатда фақат ёруғликкагина, яъни электромагнит тўлқинга эмас, балки протон, нейтрон ва бошқа элементар зарраларга ҳам хос экан.