Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Напоминаю различие между случаем лупы и двумя предыдущими примерами: лупа создаёт «мнимое» изображение, а при иных размещениях предмета мы получаем изображения, которые можно увидеть на экране или сфотографировать. С полным основанием мы их называем действительными.

Увеличение лупы тем больше, чем меньше ее фокусное расстояние. Предельные возможности лупы довольно скромные: угол зрения, под которым видно мнимое изображение, удается сделать от силы в 20–30 раз большим угла зрения, под которым мы видим предмет невооруженным глазом.

Многие оптические приборы были бы крайне простыми и состояли бы из одиночных линз, если бы не ряд неизбежных дефектов. Мы хотим чтобы параллельный пучок белого света собирался линзой в одной точке. Но этому мешает явление дисперсии. Ведь фотоны разного цвета будут отклоняться линзой в разных направлениях. В результате вместо точки мы получим растянутую вдоль оси линзы цветную линию. Это хроматическая аберрация.

Другой бедой является сферическая аберрация. Лучи, которые идут ближе к оси линзы, будут фокусироваться в более далекой точке, чем лучи, путь которых лежит подальше от оси.

По-разному ведут себя лучи, падающие на поверхность линзы под большими и малыми углами. Вместо точки мы получаем светящееся ядро, смещенное в сторону от правильной позиции. От ядра отходит хвост. Этот эффект называется комой. Слово «кома» в переводе с греческого означает нечто вроде «распущенные волосы».

На этом далеко не кончается перечень искажений, которые дает одиночная линза. Рассматривая квадрат, мы увидим четырехугольник, вершины которого соединены дугами, «проваленными» внутри. Происходит это потому, что лучи, исходящие из вершин квадрата и из середин его сторон, будут преломляться по-разному.

Большие неприятности доставляет конструкторам оптический приборов дефект, который называют астигматизмом. Если точка лежит вдалеке от главной оптической оси линзы, то ее изображение расщепится на две полоски, перпендикулярные друг другу и смещенные в противоположные стороны по отношению к позиции идеального изображения.

Есть и другие искажения. Специалисты в области производства линз сводят обычно все виды искажений к семи основным типам. Из них мы упомянули лишь пять.

Как это сплошь и рядом бывает в технике, при создании хорошей линзы мы должны избрать некое компромиссное решение. Совершенно ясно, что с размером линзы будут возрастать искажения, но, с другой стороны, освещенность изображения (т. е. число фотонов видимого света, приходящихся на единицу площади) пропорциональна квадрату диаметра линзы (т. е. ее площади). Но это еще не все. Допустим, что предмет, который изображает линза, находится далеко. Тогда изображение соберется в фокусе. Чем меньше фокусное расстояние, тем размер изображения будет меньше. Иными словами, поток света, исходящий из предмета, соберется на меньшей площади. Значит, освещенность будет обратно пропорциональна фокусному расстоянию.

По этим двум причинам светосилой линзы называют квадрат отношения ее диаметра к фокусному расстоянию.

Наименьшим фокусным расстоянием обладают толстые линзы — линзы, поверхности которых образованы малыми радиусами. Но именно такие линзы будут давать наибольшие искажения. Значит, увеличение светосилы линзы — будь то за счет ее размера, будь то за счет радиуса кривизны — приводит к плохому качеству изображения. Нелегкую задачу приходится решать техникам.

Простейший фотоаппарат представляет собой линзу, играющую роль окошка в темном ящике. Изображение, даваемое линзой, фиксируется фотопластинкой, расположенной против окошка.

Но простая линза создает искаженное изображение. Поэтому она заменяется сложной системой линз, которая должна уничтожить оптические несчастья всех сортов. Эта система носит название фотообъектива.

Как же можно избавиться от искажений? Достаточно давно было предложено пользоваться системой линз, подобранных таким образом, чтобы дефекты каждой из них компенсировались дефектами других. Этот принцип получения «плюса» умножением двух «минусов» оказывается возможным осуществить для уничтожения всех семи дефектов с помощью всего лишь трех линз. Однако это лишь в принципе. Для создания наиболее совершенного изображения пользуются более сложными комбинациями. Одна из них (далеко не самая сложная) показана на рис. 2.3. Эта система вогнутых и выпуклых линз способна давать неискаженное изображение при значительном варьировании степени увеличения. Первая и третья компоненты системы перемещаются друг по отношению к другу, чем достигается непрерывное изменение фокусного расстояния в три раза.

Фотоаппарат нуждается в несложном приспособлении, позволяющем «наводить аппарат на фокус». Для этого надо иметь возможность менять расстояние между центром объектива и фотопленкой. Еще до сих пор сохранились фотоаппараты, в которых камера выполняется в форме гармоники, которую можно сжать. И надо сказать, что такие аппараты дают совсем неплохие снимки.

В современном фотоаппарате, умещающемся на ладошке, эта операция выполняется изящнее: винтовым движением оправы объектива. Как ясно из рассуждения о светосиле линзы, качество изображения улучшается, если мы уменьшим елико возможно зрачок камеры. Это достигается с помощью диафрагмы переменного диаметра. Размер диафрагмы мы выбираем так, чтобы он был поменьше, но пропускал достаточно света, чтобы дать хорошее изображение при заданной экспозиции.

Почему так забавно выглядят фотографии, снятые в те времена, когда фототехника была еще в пеленках? Так и чувствуется, что люди на фотоснимке застыли в напряженных позах. Объяснение весьма простое: фотограф вынужден был прибегать к большим экспозициям. Поэтому ему и приходилось изрекать сакраментальное: «Спокойно, снимаю».

Борьба за получение хорошего изображения при минимальной экспозиции ведется двумя путями. Первый путь — это совершенствование объектива. Делается это не только за счет подбора геометрии линз, составляющих объектив. В объективе, составленном из нескольких линз, чуть ли не половина света отражается. Это приводит, во-первых, к потере освещенности изображения и, во-вторых, создает световой фон, который уменьшает контрастность изображения. Борются с этим явлением приемом, который носит название просветления оптики. На поверхность линз наносятся тончайшие пленки. Благодаря явлению интерференции доля отраженного света резко уменьшается. Объективы с просветленной оптикой легко узнать: их стекло имеет голубоватый оттенок.

Второй путь улучшения фотоснимка — это совершенствование, фотографической пленки.

Скажем несколько слов о фотохимическом процессе, приводящем к образованию изображения. Фоточувствительный слой представляет, собой желатину, в которую вкраплены кристаллики бромистого серебра с небольшой примесью иодистого серебра. Величина кристаллических зернышек колеблется в пределах от одной тысячной до одной десятитысячной миллиметра. Число зерен, приходящихся на 1 см^2, пленки, лежит в пределах от десятка до сотен тысяч. Если рассматривать фотоэмульсионный слой в микроскоп, то можно увидеть, что зернышки расположены довольно тесно.

Фотоны, попадающие на зерно эмульсии, разрушают связи между атомами серебра и атомами галоида. Число атомов серебра, получивших свободу, строго пропорционально числу фотонов, упавших на пленку. Фотограф подбирает такую выдержку, при которой разрушается значительное число связей между атомами серебра и брома. Но в то же время экспозиция не должна быть слишком велика. Большая экспозиция приведет к тому, что связи между атомами серебра и брома у всех кристалликов будут разрушены полностью. Тогда после проявления все кристаллики выделят все серебро, которое в них содержалось, и пластинка будет одинаково черной во всех местах.

При правильной экспозиции на фотопластинке возникает скрытое изображение предмета. В каждом зернышке число разорванных связей пропорционально числу фотонов, пришедших к этому зерну. Процесс проявления состоит в том, чтобы дать возможность объединиться потенциально свободным атомам серебра. При этом количество выделившегося серебра на негативе после проявления пленки будет пропорционально интенсивности света.

Из сказанного очевидно, что мельчайшие детали, которые показывает фотография объекта, никак не могут быть больше величины кристаллического зернышка бромистого серебра.

После того как пластинка проявлена, ее закрепляют. Этот процесс состоит в удалении неразложившегося бромистого серебра. Если мы не удалим эти неразложившиеся зерна, то, вынув негатив на свет, мы его «засветим»; ведь в этом случае зерна выделят полностью все содержащееся в них серебро.

Физика получения позитивного изображения столь очевидна, что мы не станем на ней останавливаться.

Техника современной цветной фотографии далеко не проста и заслуживает большого восхищения. Что же касается физики этого процесса, то она совсем не сложна. Модель восприятия цвета, которая предлагалась еще в середине XVIII века, вполне справедлива. Глаз человека обладает рецепторами трех цветов: красного, зеленого и синего. Комбинируя эти цвета в различных пропорциях, можно создать ощущение любого цвета. Соответственно со сказанным для получения цветного изображения надо располагать трехслойной пленкой. Верхний слой должен быть чувствительным к синим лупам, средний — к зеленым, а нижний — к красным. Как химики добиваются такого положения вещей, мы рассказывать не будем. Цветной негатив превращают в цветной позитив, используя опять же трехслойную фотобумагу.

Глаз, созданный природой, является великолепным физическим прибором. Возможности различать десятки тысяч цветовых оттенков, видеть на далеком и близком расстояниях, ощущать двумя глазами объёмные соотношения предмета, чувствительность к весьма незначительным световым интенсивностям — все это свойства, которые сделают честь прибору самого высокого класса. Правда, глаз человека видит лишь небольшой участок спектра. Глаза ряда животных в некоторой степени лишены этого недостатка.

Устройство глаза напоминает устройство фотоаппарата. Роль объектива играет хрусталик, имеющий форму двояковыпуклой линзы. Хрусталик мягок и способен изменять свою форму под действием мышц, которые его охватывают. В этом состоит процесс аккомодации глаза, позволяющий одинаково хорошо видеть близкие и далекие предметы. С возрастом хрусталик твердеет, а мускулы слабеют, в связи с этим человеку необходимы очки «для дали» и «для чтения».