Оптика

Оптика (от грц.
optike — виждане).

Оптиката е област от физиката, която изучава същността, свойствата и приложението на светлината. Светлината е тази област от електромагнитното лъчение, която може да бъде възприемана от човешкото око, тоест с дължина на вълната от 380 до 770 nm. Но често и невидимите електромагнитни вълни с близки, но извън този интервал дължини на вълната се наричат светлинни поради сходните им свойства до тези на светлинните вълни.

Главните части на оптиката са: геометрична, физиологична и физична оптика.

Геометричната оптика разглежда законите за разпространение на светлината, без да се интересува от същността и. Тя дава възможност за построяване на оптичните образи на предметите. Още в древността на хората е познат законът за праволинейното разпространение на светлината, което се вижда от многобройните му приложения (в слънчевите часовници, в театъра на сенките и др). Законът за независимост на светлинните лъчи е очевиден — те не си пречат, когато се пресичат. Падащата светлина върху гладка повърхност, например огледало или спокойна водна повърхност, се отразява, при което се получава образ, подобен на предмета, от който идва светлината. Именно чрез отражението се виждат несветещите тела, върху които пада светлина отвън. Когато светлината пада на границата на две прозрачни среди, една част от нея се отразява в едната, а другата част преминава във втората среда, като променя посоката си — напр. проникващата през водата светлина позволява да се виждат дъното, водораслите, рибите. Геометричната оптика намира приложение в теорията и използването на оптичните уреди (микроскоп, телескоп, фотоапарат и др.).

Физиологичната оптика обединява физиката и физиологията и изучава окото, сложните явления на получаване на образи в него и възприемането на тези образи от съзнанието. Големите постижения в тази област позволяват на лекарите да се борят успешно със заболяванията на окото. Най-разпространеният начин за корекция на някои недостатъци на зрението е чрез очила, които представляват оптични лещи с определени качества.

Физичната оптика изучава физичната същност на светлината и светлинните явления. Тя е най-интересният и най-важният дял от оптиката. В древността се смятало, че от очите излизат светлинни лъчи, които като пипала опипват предметите — така ние ги виждаме. Това твърдение очевидно не е вярно, тъй като противоречи на факта, че в тъмнина не се вижда. Първите научни обяснения за същността на светлината възникват през втората половина на XVII в. Първата от тези теории — корпускулната, се гради върху предположението на Исак Нютон, че светлинните лъчи са поток от малки частици — корпускули, които се излъчват от светещите тела. В основата на втората теория — вълновата, лежи представата на съвременника на Нютон — холандския учен Кристиан Хюйгенс, че светлината представлява разпространяващи се трептения в някаква среда. Учените очаквали, че познаването на точната стойност на скоростта на светлината (c) ще даде отговор на въпроса, коя теория е по-правилна.

Цветът е специфично усещане за окото, причинено от електромагнитно лъчение с определена дължина на вълната. Получава се в зависимост от това, електромагнитното лъчение с каква дължина на вълната пропуска тялото: ако това тяло силно поглъща падащата светлина, а я отразява слабо, цветът му е черен (сажди). Обратното — ако тялото добре отразява светлината, а я поглъща слабо, цветът му а бял (сняг). Цветът на небето е син поради разсейване на слънчевата светлина от въздушните молекули в земната атмосфера, при което отразените лъчи са предимно със син цвят.

Пръв измерва (c) във въздух датският астроном Оле Рьомер през 1676 г., а при земни условия — Иполит Физо през 1849 г. Авторитетът на вълновата теория нараства, когато Леон Фуко измерва скоростта на светлината през 1862 г. чрез опит в лабораторията си и показва, че тя е по-голяма във вакуум, отколкото в плътна среда. По съвременни данни с = 299792456,2± 1 m/s. Тя е една от най-важните физични константи. Според теорията на относителността в природата не съществува скорост, по-голяма от (c) във вакуум. Досега няма експериментални данни, които да оборват това твърдение. През 1865 г. Джеймс Максуел получава теоретичния резултат, че в природата трябва да съществуват електромагнитни вълни, чиято скорост във вакуум е равна на (c), а през 1887 г. Хайнрих Херц опитно открива вълни с такива свойства.

Моделът на електромагнитните вълни представлява периодично изменение на електричната и магнитната компонента на електромагнитното поле в пространството. Вълновата теория на светлината, доразвита от Максуел в електромагнитна теория, обяснява добре много светлинни явления, като отражение, пречупване, разлагане, дифракция, интерференция, поляризация, за разлика от законите за излъчване и поглъщане на светлинната енергия от телата, както и някои светлинни явления. С тези трудности успешно се справя създадената през 1900 г. от Макс Планк квантова теория на светлината, в която, както и в корпускулната, се приема, че светлината се излъчва на малки порции енергия — кванти, наречени фотони.

През 1960 г. метърът е дефиниран като 1650763,73 дължини на вълната на оранжевата линия на изотопа криптон-86. Сега физиците предлагат още по-точно определение; един метър е разстоянието, което изминава светлината във вакуум за една 299 792 456-а част от секундата.

Дисперсия — разлагане на сложната светлина на прости монохроматични цветове.
Дифракция — отклонение на светлината от праволинейното и движение при преминаване през тесен отвор или покрай ръб на предмет.
Интерференция — явление, при което в резултат от наслагване на две кохерентни трептения се получават характерни тъмни и светли ивици; две трептения са кохерентни, когато протичат съгласувано.

Най-добре обяснява в момента всички светлинни явления разработената през 1925 г. от Луи дьо Броил вълнова механика, която обединява вълновата и квантовата теория. От съвременна, гледна точка светлината представлява сложно електромагнитно явление, което в някои случаи се проявява като вълна, а в други — като частица. Подобна двойственост се наблюдава в поведението и на елементарните частици — електрони, протони и др. Особено бурно развитие претърпява оптиката в наши дни чрез развитието на оптоелектрониката, акустооптиката и др., които намират голямо приложение в съвременната техника.

Вж. Спектроскопия.