Перші уявлення стародавніх учених про світло були вельми наївні. Вважалося, що з очей виходять особливі тонкі щупальці і зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Тоді під оптикою розуміли науку про зір. Саме такий точний сенс слова “оптика”. В середні віки оптика поступово з науки про зір перетворилася на науку про світло, цьому сприяв винахід лінз. У сучасний час оптика - це розділ фізики, в якому досліджується випускання світла, його розповсюдження в різних середовищах і взаємодія з речовиною. Що ж до питань, пов'язаних із зором, пристрій і функціонування ока, то вони виділилися в спеціальний науковий напрям, званий фізіологічною оптикою.

Отже, оптика - вчення про природу світла, світлових явищах і взаємодії світла з речовиною. І майже вся її історія - це історія пошуку відповіді: що таке світло?

Види оптики

При розгляді багатьох оптичних явищ можна користуватися уявленням про світлові промені - геометричні лінії, уздовж яких розповсюджується світлова енергія. В цьому випадку говорять про геометричну (променевий) оптику.

Геометрична оптика широко використовується в світлотехніці і при розгляді дій численних приладів і пристроїв - починаючи від лупи і окулярів і закінчуючи складними оптичними мікроскопами і телескопами.

На початку XIX століття розвернулися інтенсивні дослідження відкритих раніше явищ інтерференції, дифракції і поляризації світла. Ці явища не знаходили пояснення в рамках геометричної оптики, необхідно було розглядати світло у вигляді поперечних хвиль. Так виникла хвильова оптика. Спочатку вважали, що світло - це пружні хвилі в деякому середовищі (світовому ефірі), яке ніби то заповнює весь світовий простір.

У 1864 році англійський фізик Джеймс Максвелл створив електромагнітну теорію світла, згідно якої хвилі світла - це електромагнітні хвилі з відповідним діапазоном довжин.

Дослідження, виконані на початку XX століття, показали, що для пояснення деяких явищ, наприклад фотоефекту, необхідно представити світловий пучок у вигляді потоку своєрідних частинок - світлових квантів (фотонів). Ще 200 років тому Ісаак Ньютон дотримувався аналогічної точки зору на природу світла в своїй “теорії закінчення світла”. Тепер уявлення про світлові кванти вивчає квантова оптика.

Роль оптики в розвитку сучасної фізики.

Роль оптики в розвитку сучасної фізики велика. Виникнення двох найбільш важливих і революційних теорій двадцятого сторіччя (квантової механіки і теорії відносності) в істотній мірі пов'язане з оптичними дослідженнями. Оптичні методи аналізу речовини на молекулярному рівні породили спеціальний науковий напрям - молекулярну оптику. До неї тісно примикає оптична спектроскопія, вживана в сучасному матеріалознавстві, при дослідженнях плазми, в астрофізиці. Існують також електронна і нейтронна оптики; створені електронний мікроскоп і нейтронне дзеркало. Розроблені оптичні моделі атомних ядер.

Сприяючи розвитку різних напрямів сучасної фізики, оптика в той же час і сама переживає сьогодні період бурхливого розвитку. Основний поштовх цьому розвитку дало винахід інтенсивних джерел когерентного світла - лазерів. В результаті хвильова оптика піднялася на вищий ступінь, відповідний когерентній оптиці. Важко навіть перерахувати всі новітні науково-технічні напрями, що розвиваються завдяки появі лазерів. Серед них нелінійна оптика, голографія, радіо-оптика, адаптивна оптика та інші. Радіо-оптика виникла на стику радіотехніки і оптики; вона досліджує оптичні методи передачі і обробки інформації. Ці методи зазвичай поєднують з традиційними електронними методами; в результаті склався науково-технічний напрям - оптоелектронікою. Передача світлових сигналів по діелектричних волокнах складає предмет волоконної оптики. Використовуючи досягнення нелінійної оптики, можна виправляти хвильовий фронт світлового пучка, що спотворюється при розповсюдженні світла в тому або іншому середовищі, наприклад в атмосфері або у воді. В результаті виникла і інтенсивно розвивається так звана адоптивна оптика. До неї тісно примикає фото-енергетика, що зароджується на наших очах, займається, зокрема, питаннями ефективної передачі світловій енергії по променю світла. Сучасна лазерна техніка дозволяє отримувати світлові імпульси тривалістю всього лише в секунди. Такі імпульси виявляються унікальним “інструментом” для дослідження цілого ряду процесів в речовині, які швидко протікають і зокрема в біологічних структурах. Виникло і розвивається спеціальний напрям, до якого тісно примикає фото-біологія. Можна без перебільшення сказати, що широке практичне використання досягнень сучасної оптики - обов'язкова умова науково-технічного прогресу. Оптика відкрила людському розуму дорогу в мікросвіт, вона ж дозволила йому проникнути в таємниці зоряних світів. Оптика охоплює всі сторони в нашій практичній діяльності.

Явища, пов'язані з віддзеркаленням світла.

Предмет і його віддзеркалення

Те, що відображений в стоячій воді пейзаж не відрізняється від реального, а тільки перевернений “вверх ногами” далеко не так.

Якщо людина подивиться пізно увечері, як відбиваються у воді світильники або як відбивається берег, що спускається до води, то віддзеркалення здасться йому укороченим і зовсім “зникне”, якщо спостерігач знаходиться високо над поверхнею води. Також ніколи не можна побачити віддзеркалення верхівки каменя, частина якого занурена у воду.

Пейзаж бачиться спостерігачеві таким, неначебто на нього дивилися з крапки, що знаходиться на стільки глибше за поверхню води, наскільки око спостерігача знаходиться вищим за поверхню. Різниця між пейзажем і його зображенням зменшується у міру наближення ока до поверхні води, а так само у міру видалення об'єкту.

Часто людям здається, що віддзеркалення в ставку кущів і дерев відрізняється більшою яскравістю фарб і насиченістю тонів. Цю особливість також можна відмітити, спостерігаючи віддзеркалення предметів в дзеркалі. Тут велику роль грає психологічне сприйняття, чим фізична сторона явища. Рама дзеркала, береги ставка обмежують невелику ділянку пейзажу, захищаючи бічний зір людини від надмірного розсіяного світла, що поступає зі всього небозводу і засліплює спостерігача, тобто він дивиться на невелику ділянку пейзажу як би через темну вузьку трубу. Зменшення яскравості відображеного світла в порівнянні з прямим полегшує людям спостереження неба, хмар і інших світлих предметів, які при прямому спостереженні виявляється дуже яскравим для ока.

Залежність коефіцієнта віддзеркалення від кута падіння світла.

На межі двох прозорих середовищ світло частково відбивається, частково проходить в інше середовище і заломлюється, частково поглинається середовищем. Відношення відображеної енергії до падаючої називають коефіцієнтом віддзеркалення. Відношення енергії світла, що пройшло через речовину, до енергії падаючого світла називають коефіцієнтом пропускання.

Коефіцієнти віддзеркалення і пропускання залежать від оптичних властивостей, що граничать між собою середовищ і кута падіння світла. Так, якщо світло падає на скляну пластинку перпендикулярно (кут падіння б=0), то відбивається всього лише 5% світловій енергії, а 95% проходить через межу розділу. При збільшенні кута падіння частка відображеної енергії зростає. При вугіллі б=90 - вона рівна одиниці.

Залежність інтенсивності відображеного світла, що проходить через скляну пластинку, можна прослідкувати, розташовуючи пластинку під різними кутами до світлових променів і оцінюючи інтенсивність на око.

Цікаво також оцінити на око інтенсивність світла, відображеного від поверхні водоймища, залежно від кута падіння, поспостерігати віддзеркалення сонячних променів від вікон будинку при різних кутах падіння вдень, при заході, сході світила.

Захисні стекла

Звичайні шибки частково пропускають теплові промені. Це добре для використання їх в північних районах, а також для парників. На півдні ж приміщення настільки перегріваються, що працювати в них важко. Захист від Сонця зводиться або до затемнення будівлі деревами, або до вибору сприятливої орієнтації будівлі при перебудові. І те і інше іноді буває скрутним і не завжди здійснимим.

Для того, щоб скло не пропускало теплові промені, його покривають тонкими прозорими плівками оксидів металів. Така плівка не пропускає більше половини теплових променів, а покриття містять окисел заліза, повністю відображають ультрафіолетові промені і 35-55% теплових.

Розчини плівко-створюючих солей наносять з пульверизатора на гарячу поверхню скла під час його теплової обробки або формування. При високій температурі солі переходять в окисли, міцно пов'язані з поверхнею стекла.

Так само виготовляють скло для світлонепроникних окулярів.

Повне внутрішнє віддзеркалення світла

Красиве видовище є фонтан, у якого струмені, що викидаються, освітлюють зсередини. Це можна зобразити в звичайних умовах, виконавши наступний досвід. У високій консервній банці на висоті 5 см від дна треба просвердлити круглий отвір (А) діаметром 5-6 мм. Електричну лампочку з патроном треба акуратно обернути целофановим папером і розташувати її напроти отвору. У банку треба налити води. Відкривши отвір А, отримаємо струмінь, який буде освітлений зсередини. У темній кімнаті вона яскраво світиться і виглядає дуже ефектно. Струменю можна додати будь-яке забарвлення, помістивши на шляху променів світла кольорове скло Б. Якщо на шляху струменя підставити палець, то вода розбризкується і ці крапельки яскраво світяться.

Пояснення цього явища задоволене просте. Промінь світла проходить уздовж струменя води і потрапляє на зігнуту поверхню під кутом, великим граничного, випробовує повне внутрішнє віддзеркалення, а потім знову потрапляє на протилежну сторону струменя під кутом знову більше граничного. Так промінь проходить уздовж струменя згинаючись разом з нею.

Але якби світло повністю відбивалося усередині струменя, то він не був би видний ззовні. Частина світу розсівається водою, бульбашками повітря і різними домішками, наявними в ній, а також унаслідок нерівностей поверхні струменя, тому вона видно зовні.

Алмази і самоцвіти

Секрет чарівної гри світла в алмазах, полягає в тому, що цей камінь має високий показник заломлення (n=2,4173) і внаслідок цього малий кут повного внутрішнього віддзеркалення (б=24?30) і володіє більшою дисперсією, що викликає розкладання білого світу на прості кольори.

Крім того, гра світла в алмазі залежить від правильності його ограновування. Грані алмазу багато разів відображають світло усередині кристала. Унаслідок великої прозорості алмазів високого класу світло усередині них майже не втрачає своєї енергії, а тільки розкладається на прості кольори, промені яких потім вириваються назовні в різних, найнесподіваніших напрямах. При повороті каменя міняються кольори, витікаючи з каменя, і здається, що сам він є джерелом багатьох яскравих різноколірних променів.

Зустрічаються алмази, забарвлені в червоний, голубуватий і бузковий кольори. Сяйво алмазу залежить від його ограновування. Якщо дивитися крізь добре огранований водяний-прозорий діамант на світло, то камінь здається абсолютно непрозорим, а деякі його грані виглядають просто чорними. Це відбувається тому, що світло, зазнаючи повне внутрішнє віддзеркалення, виходить у зворотному напрямі або в сторони.

Якщо дивитися на верхнє ограновування з боку світла, вона сяє багатьма колорами, а місцями блищить. Яскраве блискання верхніх граней діаманта називають діамантовим блиском. Нижня сторона діаманта зовні здається як би посрібленою і відливає металевим блиском.

Найбільш прозорі і крупні алмази служать прикрасою. Дрібні алмази знаходять широке застосування в техніці як ріжучий або шліфувальний інструмент для металообробних верстатів. Алмазами оснащують головки бурильного інструменту для створення ним свердловин в твердих породах. Таке застосування алмазу можливе із-за великої твердості. Інші коштовні камені в більшості випадків є кристалами окислу алюмінію з домішкою оксидів офарблюючи елементів - хрому (рубін), міді (смарагд), марганцю (аметист). Вони також відрізняються твердістю, міцністю і володіють красивим забарвленням і “грою світла”. В даний час уміють отримувати штучним шляхом крупні кристали окислу алюмінію і офарблювати їх в бажаний колір.

Явища дисперсії світла пояснюють різноманіттям фарб природи. Цілий комплекс оптичних експериментів з призмами в XVII столітті провів англійський вчений Ісаак Ньютон. Ці експерименти показали, що біле світло не є основним, його треба розглядати як складений (“неоднорідний”); основними ж є різні кольори (“однорідні” промені, або “монохроматичні” промені). Розкладання білого світла на різні кольори відбувається з тієї причини, що кожному кольору відповідає свій ступінь заломлення. Ці виводи, зроблені Ньютоном, узгоджуються з сучасними науковими уявленнями.

Разом з дисперсією коефіцієнта заломлення спостерігається дисперсія коефіцієнтів поглинання, пропускання і віддзеркалення світла. Цим пояснюються різноманітні ефекти при освітленні тіл. Наприклад, якщо є якесь прозоре для світла тіло, у якого для червоного світла коефіцієнт пропускання великий, а коефіцієнт віддзеркалення малий, для зеленого ж світла навпаки: коефіцієнт пропускання малий, а коефіцієнт віддзеркалення великий, тоді в світлі, що проходить, тіло здаватиметься червоним, а у відображеному світлі - зеленим. Такими властивостями володіє, наприклад, хлорофіл - зелена речовина, що міститься в листі. Розчин хлорофілу в спирту при розгляді на просвіт виявляється червоним. У відображеному світлі цей же розчин виглядає зеленим.

Якщо у якогось тіла коефіцієнт поглинання великий, а коефіцієнти пропускання і віддзеркалення малі, то таке тіло здаватиметься чорним і непрозорим (наприклад, сажа). Дуже біле, непрозоре тіло має коефіцієнт віддзеркалення близький до одиниці для всіх довжин хвиль, і дуже малі коефіцієнти пропускання і поглинання. Цілком прозоре для світла тіло (скло) має малі коефіцієнти віддзеркалення і поглинання і близький до одиниці для всіх довжин хвиль коефіцієнт пропускання. У забарвленого скла для деяких довжин хвиль коефіцієнти пропускання і віддзеркалення практично рівні нулю і, відповідно, значення коефіцієнта поглинання для цих же довжин хвиль близько до одиниці.

Явища, пов'язані із заломленням світла

Міраж

Деякі види міражів. З більшого різноманіття міражів виділимо декілька видів: “озерні” міражі, звані також нижніми міражами, верхні міражі, подвійні і потрійні міражі, міражі наддалекого бачення.

Нижні (“озерні”) міражі виникають над сильно нагрітою поверхнею. Верхні міражі виникають, навпаки, над сильно охолодженою поверхнею, наприклад над холодною водою. Якщо нижні міражі спостерігають, як правило, в пустелях і степах, то верхні спостерігають в північних широтах.

Верхні міражі відрізняються різноманітністю. У одних випадках вони дають пряме зображення, в інших випадках в повітрі з'являється перевернене зображення. Міражі можуть бути подвійними, коли спостерігаються два зображення, просте і перевернене. Ці зображення можуть бути розділені смугою повітря (одне може опинитися над лінією горизонту, інше під нею), але можуть безпосередньо змикатися один з одним. Іноді виникає ще одне - третє зображення.

Особливо дивовижні міражі наддалекого бачення. К. Фламмарион в своїй книзі “Атмосфера” описує приклад подібного міражу: “Спираючись на свідоцтва декількох осіб, я можу повідомити про міраж, який бачили в місті Верв'ю (Бельгія) в червні 1815 р. Одного разу вранці жителі міста побачили в небі військо, і так ясно, що можна було розрізнити костюми артилеристів і навіть, наприклад, гармату із зламаним колесом, яке ось-ось відвалиться. Це було ранок битви при Ватерлоо!” Описаний міраж зображений у вигляді кольорової акварелі одним з очевидців. Відстань від Ватерлоо до Верв'ю по прямій лінії складає більш 100км. Відомі випадки, коли подібні міражі спостерігалися і на великих відстанях - до 1000км. “Летючого голландця” слід віднести саме до таких міражів.

Пояснення нижнього (“озерного”) міражу. Якщо повітря у самої поверхні землі сильно нагріте і, отже, його щільність відносно мала, то показник заломлення у поверхні буде менший, ніж у вищих повітряних шарах. Зміна показника заломлення повітря n з висотою h поблизу земної поверхні. Відповідно до встановленого правила, світлові промені поблизу поверхні землі в даному випадку згинатимуться так, щоб їх траєкторія була обернена опуклістю вниз. Світловий промінь від деякої ділянки блакитного неба потрапить в око спостерігача, випробувавши вказане викривлення. А це означає, що спостерігач побачить відповідну ділянку небозводу не над лінією горизонту, а нижче за неї. Йому здаватиметься, що він бачить воду, хоча насправді перед ним зображення блакитного неба. Якщо уявити собі, що у лінії горизонту знаходяться горби, пальми або інші об'єкти, то спостерігач побачить і їх переверненими, завдяки відміченому викривленню променів, і сприйме як віддзеркалення відповідних об'єктів в неіснуючій воді. Так виникає ілюзія, що є “озерним” міражем.

Прості верхні міражі. Можна припустити, що повітря у самої поверхні землі або води не нагріте, а, навпаки, помітно охолоджений в порівнянні з вищими повітряними шарами. Світлові промені в даному випадку згинаються так, що їх траєкторія обернена опуклістю вгору. Тому тепер спостерігач може бачити об'єкти, приховані від нього за горизонтом, причому він бачитиме їх такими, що вгорі як би висять над лінією горизонту. Тому такі міражі називають верхніми.

Верхній міраж може давати як пряме, так і перевернене зображення. Показане на малюнку пряме зображення виникає, коли показник заломлення повітря зменшується з висотою відносно поволі. При швидкому зменшенні показника заломлення утворюється перевернене зображення. У цьому можна переконається, розглянувши гіпотетичний випадок - показник заломлення на деякій висоті зменшується стрибком. Промені об'єкту, перш ніж потрапити до спостерігача випробовують повне внутрішнє віддзеркалення від межі, нижче за яку в даному випадку знаходиться щільніше повітря. Видно, що верхній міраж дає перевернене зображення об'єкту. Насправді немає стрибкоподібної межі між шарами повітря, перехід здійснюється поступово. Але якщо він здійснюється достатньо різко, то верхній міраж дасть перевернене зображення.

Подвійні і потрійні міражі. Якщо показник заломлення повітря змінюється спочатку швидко, а потім поволі, то в цьому випадку промені скривлюватимуться швидше. В результаті виникають два зображення.

Щоб зрозуміти як з'являється потрійний міраж, потрібно представити три послідовний повітряні області: перша (у самої поверхні), де показник заломлення зменшується з висотою поволі, наступна, де показник заломлення зменшується швидко, і третя область, де показник заломлення знову зменшується поволі.. Промені 1 формують нижнє зображення об'єкту, вони розповсюджуються в межах повітряної області I. Промені 2 формують перевернене зображення; потрапляю в повітряну область II, ці промені випробовують сильне викривлення. Промені 3 формують верхнє пряме зображення об'єкту.

Міраж наддалекого бачення. Природа цих міражів вивчена найменше. Ясно, що атмосфера повинна бути прозорою, вільною від водяної пари і забруднень. Але цього мало. Повинен утворитися стійкий шар охолодженого повітря на деякій висоті над поверхнею землі. Нижче і вище за цей шар повітря повинне бути теплішим. Світловий промінь, що потрапив всередину щільного холодного шару повітря, як би “замкнутим” усередині нього і розповсюджується в нім. Траєкторія весь час обернена опуклістю убік менш щільних областей повітря.

Виникнення наддалеких міражів можна пояснити розповсюдженням променів усередині “світловодів”, які іноді створює природа.

Веселка

Веселка - це красиве небесне явище - завжди привертала увагу людини. У колишні часи, коли люди ще мало знали про навколишній світ, веселку вважали “небесним знаменням”. Так, стародавні греки думали, що веселка - це усмішка богині Іріди.

Веселка спостерігається осторонь, протилежною Сонцю, на тлі дощових хмар або дощу. Різноколірна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км., а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.

Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що сполучає Сонце і око спостерігача, - на проти сонячній лінії. Кут між напрямом на головну веселку і проти сонячну лінією складає 41-42е.

У момент сходу сонця проти сонячна крапка знаходиться на лінії горизонту і веселка має вид півкола. У міру підняття Сонця проти сонячна крапка опускається під горизонт і розмір веселки зменшується. Вона є лише частиною кола.

Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовим радіусом біля 52е і зворотного розташування квітів.

При висоті Сонця 41е головна веселка перестає бути видимою і над горизонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більш 52е не видно і побічна веселка. Тому в середніх екваторіальних широтах це явище природи ніколи не спостерігається.

У веселки розрізняють сім основних кольорів, що плавно переходять один в іншій.

Вид дуги, яскравість квітів, ширина смуг залежать від розмірів крапельок води і їх кількості. Великі краплі створюють вужчу веселку, з кольорами, що різко виділяються, малі - дугу розпливчату, бляклу і навіть білу. От чому яскрава вузька веселка видно влітку після грозового дощу, під час якого падають крупні краплі.

Вперше теорія веселки була дана в 1637 році Рене Декартом. Він пояснив веселку, як явище, пов'язане з віддзеркаленням і заломленням світла в дощових краплях.

Утворення квітів і їх послідовність були пояснені пізніше, після розгадки складної природи білого світу і його дисперсії в середовищі. Дифракційна теорія веселки розроблена Ері і Партнером.

Можна розглянути простий випадок: хай на краплі, що мають форму кулі, падає пучок паралельних сонячних променів. Промінь, падаючий на поверхню краплі, заломлюється усередині неї за законом заломлення:

n sin б=n sin в,

де n=1, n_1,33 - відповідно показники заломлення повітря і води, би - кут падіння, а в - кут заломлення світла.

Усередині краплі йде по прямий промінь АВ. У крапці У відбувається часткове заломлення світивши і часткове його віддзеркалення. Треба відмітити, що, чим менше кут падіння в крапці В, а отже і в крапці А, тим менше інтенсивність відображеного променя і тим більше інтенсивність заломленого променя.

Промінь АВ після віддзеркалення в крапці У відбувається під кутом, де також відбувається часткове віддзеркалення і часткове заломлення світла. Заломлений промінь виходить з краплі під кутом г, а відображений може пройти далі, в точку D і т.д. Таким чином, промінь світла в краплі зазнає багатократне віддзеркалення і заломлення. При кожному віддзеркаленні деяка частина променів світла виходить назовні і інтенсивність їх усередині краплі зменшується. Найбільш інтенсивним з променів, що виходять в повітря, є промінь, що вийшов з краплі в точці В. Але спостерігати його важко, оскільки він втрачається на тлі яскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені в крапці З, створюють в сукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені, що випробовують заломлення в точці D дають вторинну веселку, яка менш інтенсивна, чим первинна.

При розгляді утворення веселки потрібно врахувати ще одне явище - неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променів різного кольору. Це явище носить назва дисперсії. Унаслідок дисперсії кути заломлення г і кута відхилення променів І в краплі різні для променів різного забарвлення.

Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Нерідкі випадки, коли на небозводі з'являються одночасно дві веселкові смуги, розташовані одна за одною; спостерігають і ще більше число небесних дуг - три, чотири і навіть п'ять одночасно. Виявляється, що веселка може виникати не тільки від прямих променів; нерідко вона з'являється і у відображених променях Сонця. Це можна бачити на березі морських заток, великих річок і озер. Три-чотири веселки - звичайні і відображені - створюють часом красиву картину. Оскільки відображені від водної поверхні промені Сонця йдуть від низу до верху, то веселка утворюється в променях, може виглядати іноді абсолютно незвично.

Не слід думати, що веселку можна спостерігати тільки вдень. Вона буває і вночі, правда, завжди слабка. Побачити таку веселку можна після нічного дощу, коли із-за хмар вигляне Місяць.

Деякій подібність веселки можна отримати на такому досвіді: Потрібно колбу, наповнену водою, освітити сонячних світлом або лампою через отвір в білій дошці. Тоді на дошці виразно стане видна веселка, причому кут розбіжності променів в порівнянні з початковим напрямом складе біля 41-42°. У природних умовах екрану немає, зображення виникає на сітківці ока, і око проектує це зображення на хмари.

Якщо веселка з'являється увечері перед заходом Сонця, то спостерігають червону веселку. У останніх п'ять або десять хвилин перед заходом всі барви веселки, окрім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навіть опісля десять хвилин після заходу.

Красиве видовище є веселка на росі. Її можна спостерігати при сході Сонця на траві, покритою росою. Ця веселка має форму гіперболи.

Полярні сяйва

Одним з красивих оптичних явищ природи є полярне сяйво.

В більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синій-зелений відтінок з плямами, що зрідка з'являються, або облямівкою рожевого або червоного кольору.

Полярні сяйва спостерігають в двох основних формах - у вигляді стрічок і у вигляді плям. Коли сяйво інтенсивне, воно набуває форми стрічок. Втрачаючи інтенсивність, воно перетворюється на плями. Проте багато стрічок зникають, не встигнувши розбитися на плями. Стрічки як би висять в темному просторі неба, нагадуючи гігантську завісу, що протягнулася зазвичай зі сходу на захід на тисячі кілометрів. Висота цієї завіси складає декілька сотень кілометрів, товщина не перевищує декількох сотень метрів, причому вона така голуба і прозора, що крізь неї видно зірки. Нижній край завіси досить різко і виразно обкреслений і часто підфарбований в червоний або рожевий колір, верхній, - поступово втрачається у висоті і це створює особливо ефектне враження глибини простору.

Розрізняють чотири типи полярних сяйв:

Однорідна дуга - смуга, що світиться, має найбільш просту, спокійну форму. Вона яскравіша знизу і поступово зникає догори на тлі свічення неба ;

Промениста дуга - стрічка стає декілька активнішою і рухливішою, вона утворює дрібні складки і цівки;

Промениста смуга - із зростанням активності крупніші складки накладаються на дрібні;

При підвищенні активності складки або петлі розширюються до величезних розмірів, нижній край стрічки яскраво сяє рожевим свіченням. Коли активність спадає, складки зникають і стрічка повертається до однорідної форми. Це наводить на думку, що однорідна структура є основною формою полярного сяйва, а складки пов'язані із зростанням активності.

Часто виникають сяйва іншого вигляду. Вони захоплюють весь полярний район і виявляються дуже інтенсивними. Відбуваються вони під час збільшення сонячної активності. Ці сяйва представляються у вигляді білувато-зеленої шапки. Такі сяйва називають шквалами.

По яскравості сяйва розділяють на чотири класи, що відрізняються один від одного на один порядок (тобто в 10 разів). До першого класу відносяться сяйва, ледве помітні і приблизно рівні по яскравості Чумацькому Шляху, сяйво ж четвертого класу освітлюють Землю так яскраво, як повний Місяць.

Треба відзначити, що виникле сяйво розповсюджується на захід із швидкістю 1 км/сек. Верхні шари атмосфери в області спалахів сяйв розігріваються і спрямовуються вгору, що позначилося на посиленому гальмуванні штучних супутників Землі, що проходять ці зони.

Під час сяйв в атмосфері Землі виникають вихрові електричні струми, захоплюючі великі області. Вони порушують додаткові нестійкі магнітні поля, так звані магнітні бурі. Під час сяйв атмосфера випромінює рентгенівські промені, які, мабуть, є результатом гальмування електронів в атмосфері.

Інтенсивні спалахи сяйва часто супроводжуються звуками, що нагадують шум, тріск. Полярні сяйва викликають сильні зміни в іоносфері, що у свою чергу впливає на умови радіозв'язку. В більшості випадків радіозв'язок значно погіршується. Виникають сильні перешкоди, а іноді повна втрата прийому.

Як виникають полярні сяйва. Земля є величезним магнітом, південний полюс якого знаходиться поблизу північного географічного полюса, а північний - поблизу південного. Силові лінії магнітного поля Землі, звані геомагнітними лініями, виходять з області, прилеглої до північного магнітного полюса Землі, охоплює земну кулю і входять в нього в області південного магнітного полюса, утворюючи грати навколо Землі.

Довго вважалося, що розташування магнітних силових ліній симетричне щодо земної осі. Тепер з'ясувалося, що так званий “сонячний вітер” - потік протонів і електронів, що випромінюються Сонцем, налітаю на геомагнітну оболонку Землі з висоти близько 20000 км., зволікає її назад, убік від Сонця, утворюючи у Землі своєрідний магнітний “хвіст”.

Електрон або протон, Землі, що потрапили в магнітне поле, рухаються по спіралі, як би навиваючись на геомагнітну лінію. Електрони і протони, що потрапили з сонячного вітру в магнітне поле Землі, розділяються на дві частини. Частина з них уздовж магнітних силових ліній відразу стікає в полярні області Землі. Ці протони і електрони врешті-решт по геомагнітних лініях також стікають в область полюсів, де виникає їх збільшена концентрація. Протони і електрони проводять іонізацію і збудження атомів і молекул газів. Для цього вони мають достатньо енергії, оскільки протони прилітають на Землю з енергіями 10000-20000 (1= 1.6 10 Дж), а електрони з енергіями 10-20.

Збуджені атомів газів віддають назад отриману енергію у вигляді світла, на зразок того, як це відбувається в трубках з розрідженим газом при пропусканні через них струмів.

Спектральне дослідження показує, що зелене і червоне свічення належить збудженим атомам кисню, інфрачервоне і фіолетове - молекулам азоту. Деякі лінії випромінювання кисню і азоту утворюються на висоті 110 км., а червоне свічення кисню - на висоті 200-400 км. Іншим слабким джерелом червоного світла є атоми водню, атмосфери, що утворили у верхніх шарах, з протонів тих, що прилетіли з Сонця. Захопивши електрон, такий протон перетворюється на збуджений атом водню і випромінює червоне світло.

Спалахи сяйв відбуваються зазвичай через день-два після спалахів на Сонці. Це підтверджує зв'язок між цими явищами. Дослідження за допомогою ракет показало, що в місцях більшої інтенсивності сяйв є значніша іонізація газів електронами.

Останнім часом учені встановили, що полярні сяйва інтенсивніші у берегів океанів і морів.

Але наукове пояснення всіх явищ, пов'язаних з полярними сяйвами, зустрічає ряд труднощів. Наприклад, невідомий точно механізм прискорення частинок до вказаних енергій, не цілком ясні їх траєкторії в навколоземному просторі, не все сходиться кількісно в енергетичному балансі іонізації і збудження частинок, не цілком ясний механізм утворення свічення різних видів, неясне походження звуків.

Висновок.

Практичне значення оптики і її вплив на інші галузі знання виключно великі. Область явищ, що вивчається фізичною оптикою, вельми обширна. Оптичні явища найтіснішим чином пов'язані з явищами, що вивчаються в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найбільш тонким і точним. Тому недивно, що оптиці впродовж тривалого часу належала провідна роль в дуже багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних переконань. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого сторіччя - теорія відносності і теорія квантів - зародилися і в значній мірі розвинулися на грунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрив нові щонайширші можливості не тільки в оптиці, але і в її застосуваннях в різних галузях науки і техніки.