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

Изображение предмета проецируется на заднюю стенку глаза. Глазной нерв передает это ощущение в мозг.

Нормальный глаз молодого человека способен рассмотреть в деталях предмет, расположенный на расстоянии не меньшем, чем 10 см. С возрастом возникает обычно дальнозоркость, и это расстояние увеличивается до 30 см.

Перед хрусталиком находится зрачок, который играет роль диафрагмы фотоаппарата. Размеры зрачка могут меняться в пределах от 1,8 до 10 мм.

Роль фотопластинки, на которой образуется изображение, играет сетчатая оболочка, имеющая очень сложное строение. Под сетчатой оболочкой помещается зрительный эпителий, состоящий из светочувствительных клеток, которые носят название палочек и колбочек. Вы можете сравнить число этих клеток с числом зерен бромистого серебра в фотопластинке. Число зрительных клеток превышает сто миллионов. Поскольку человек способен различать цвета, то ясно, что зрительные клетки обладают неодинаковой чувствительностью к различным участкам спектра. К тому же результату мы придем, если будем полагать, что клетки делятся на классы, восприимчивые, к разным участкам спектра.

Если зрение нормальное, то задний фокус глаза в спокойном состоянии находится на сетчатке. Если он лежит перед сетчаткой, то человек близорук; если за сетчаткой, то человек страдает дальнозоркостью. К этим двум распространенным дефектам приводит слишком большая или слишком малая толщина хрусталика. Встречаются люди, страдающие астигматизмом. В этом случае в нормальном состоянии хрусталик не имеет правильной формы тела, ограниченного двумя сферическими поверхностями.

Все эти дефекты исправляются очками, которые должны совместно с хрусталиком дать оптическую систему, фокусирующую изображение предмета на сетчатку.

Линзы очков характеризуют числом диоптрий. Диоптрия — единица оптической силы линзы, а оптическая сила обратно пропорциональна фокусному расстоянию. Оптическая сила в диоптриях равна единице, поделенной на фокусное расстояние в метрах. Фокусные расстояния рассеивающих линз, которые применяют для своих очков близорукие люди, отрицательны.

Угол зрения глаза много больше, чем нам кажется. Ряд событий, происходящих под углом 90° в каждую сторону от прямого взгляда, фиксируется непосредственно подсознанием. Это обстоятельство приводит зачастую людей к ошибочному мнению, что они «чувствуют» взгляд прохожего, не видя его. Глаз плохо распознает предметы, которые он видит под углом, меньшим, чем одна, минута дуги. И это при хорошем освещении.

Световая волна является волной электромагнитной. Как было сказано в 3-й книге, наглядными экспериментами можно продемонстрировать, что вектор электрического поля перпендикулярен направлению луча. Если этот же факт трактовать, рассматривая свет в корпускулярном аспекте, то следует сказать, что частица света — фотон — представляет собой не шарик, а стрелочку. В ряде сложных расчетов физики-теоретики приходили к заключению, что фотон обладает спином (равным 1). Таким образом, представление фотона стрелочкой весьма естественно.

Обычный луч света — это поток фотонов, спины которых расположены беспорядочно. Такой луч света называется неполяризованным. Однако в ряде случаев мы имеем дело с пучком фотонов, у которых все спины смотрят в одну сторону, или, говоря на другом языке, имеем дело с электромагнитными волнами, электрический вектор которых имеет вполне определенное направление. Такие лучи называются поляризованными.

Один из способов получения поляризованных лучей состоит в том, что луч света заставляют пройти через низкосимметричный кристалл. Такие кристаллы, ориентированные надлежащим образом по отношению к падающему лучу, обладают способностью расщеплять естественный луч на два луча, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях

К сожалению, я не могу дать читателю даже слабое представление о том, почему так происходит. Это связано с тем, что молекулы кристалла по-разному «встречают» волны с разно расположенными электрическими векторами. Но боюсь, что от этой фразы вам легче не стало. Смею лишь заверить, что теория расщепления лучей существует, и притом это очень хорошая теория, которая описывает все детали этого интересного явления. В частности, можно предсказать, как будет меняться картина прохождения света, если мы будем подставлять кристалл под разными углами к световому лучу.

Расщепив неполяризованный луч на два поляризованных, мы далее можем без особого труда добиться такого положения вещей, чтобы один из этих лучей ушел куда-нибудь в сторону. Сделав это, мы получим прибор, который называется николем, по имени его создателя английского физика Уильяма Николя (1768–1851). Прибор был предложен еще в 1820 г. Интересно отметить, что все объяснения поляризаций света давались в то время на корпускулярном языке и считались превосходным подтверждением корпускулярной теории света Ньютона.

Вскоре были обнаружены явления интерференции и дифракции, которые столь естественно объяснялись на волновом языке, что теория световых корпускул была погребена. Но… прошло столетие, и теория возродилась, как птица Феникс из пепла, — правда, уже в гораздо более скромном обличии лишь одного из двух аспектов электромагнитного поля.

Если на пути света поставить поляризатор, то интенсивность луча упадет, как и следовало ожидать, в два раза. Но самое интересное явление, которое и доказывает существование поляризации, произойдет тогда, когда на пути луча мы поставим второй такой же прибор. Его называют анализатором, хотя он ничем не отличается от первого николя. Начнем теперь поворачивать николь около луча света. Окажется, что интенсивность света, прошедшего через два николя, при некотором взаимном положении николей остается той же, что и в отсутствие николей. Мы говорим: в этом положении николи параллельны. Теперь начнем поворачивать анализатор. Когда мы повернем его на 90°, свет перестанет проходить. Мы скажем: николи скрещены.

В промежуточном положении, когда второй николь будет повернут от параллельного положения на угол α, интенсивность будет равна 1/2 I∙cos2 α. Формула легко объясняется, если принять, что вектор электрического поля разложился на две компоненты — одну перпендикулярную, а другую параллельную «щели» анализатора. Ну, а интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды волны, т. е. квадрату электрического вектора. Поэтому изменение интенсивности света и должно происходить по закону квадрата косинуса.

Анализ поляризованного света имеет ряд практических применений. Представим себе, что николи скрещены, а между ними помещено прозрачное тело, которое способно поворачивать электрический вектор волны. Тогда произойдет просветление наблюдаемого поля. Такой способностью обладают тела, находящиеся под напряжением. В зависимости от величины напряжения поворот светового вектора, а вместе с ним и просветление поляка скрещенными николями будут различными. Мы увидим красивые картинки (и притом окрашенные, так как фотоны разного цвета ведут себя по-разному), которые позволяют судить о напряжениях в образце или о том, ориентированы или нет молекулы образца. Это ценные сведения, и поэтому хороший микроскоп снабжен двумя николями, чтобы изображение предмета можно было рассматривать в поляризованном свете.

Информация о структуре будет намного богаче. Поворачивать электрический вектор световой волны умеют и растворы многих веществ, например сахарные. При этом угол поворота оказывается строго пропорциональным количеству сахара в растворе. Так что можно приспособить поляриметр для измерения содержания, сахара, такие приборы называются сахариметрами, и их можно найти почти в любой химической лаборатории.

Этими двумя примерами не исчерпывается применение поляриметров, но приведенные два, пожалуй, являются главными.

Оптическая часть микроскопа состоит из окуляра и объектива. Окуляр — это линза, к которой мы приближаем глаз; объектив почти касается рассматриваемого предмета. Предмет помещается на расстоянии, несколько большем фокусного расстояния объектива. Между объективом и окуляром возникает перевернутое увеличенное изображение. Надо, чтобы оно оказалось между окуляром и фокусом окуляра. Окуляр играют роль лупы. Можно доказать, что увеличение микроскопа равно произведению увеличений, которые дают окуляр и объектив по отдельности.

На первый взгляд может показаться, что с помощью микроскопа можно рассмотреть сколь угодно мелкие детали предмета. Почему бы, например, не сделать фотографию, увеличивающую размеры в тысячи раз, затем рассмотреть ее в микроскоп, и получить уже увеличение в миллион раз, и так далее.

Такого рода рассуждение не выдерживает критики. Прежде всего напомним, что увеличение фотографических картинок ограничено размером зернышка фотопленки. Ведь каждый кристаллик бромистого серебра действует как целое. Читатель, без сомнения, видел сильно увеличенные фотографии и замечал, что увеличение вовсе не приводит к уточнению картины, а только размазывает детали.

Но если мы сможем избежать операции фотографирования и будем увеличивать изображение оптическими способами, к чему имеется полная возможность (никто не мешает увеличивать число линз), то мы быстро убедимся, что и в этом случае большое увеличение не имеет смысла. Предел полезному увеличению любого прибора дает волновой аспект электромагнитного поля. Рассматриваем ли мы предмет через увеличительное стеклышко, просто глазом, с помощью микроскопа или телескопа — все равно во всех этих случаях световая волна, идущая от светящейся точки, должна пройти через отверстие. Но при этом возникает явление дифракции, т. е. отклонение светового луча от прямого пути. Луч в той или иной степени «заглядывает за угол». Поэтому изображение точки никогда не будет точкой, а будет пятнышком. И как ни стараться, невозможно сделать размер этого пятна меньшим длины волны света.

Существенно уметь прикинуть, при каких условиях ход электромагнитной волны заметно отклоняется от прямолинейного пути.

Если обозначить через х линейное отклонение от прямого пути, наблюдаемое на расстоянии f от источника излучения, а размер препятствия или отверстия, которое находится на пути следования луча, равен а, то имеет место следующее соотношение:

x = λ∙f/a

Здесь λ — длина волны. Из этого уравнения следует, что дифракцию можно наблюдать и от мельчайших частиц, и от небесных тел. Все зависит от того, о волнах какой длины и о каких расстояниях идет речь. То же самое можно сказать и об отверстиях. Вовсе не обязательно иметь дело с крошечными отверстиями, чтобы наблюдать дифракцию. Скажем, отверстие, в которое пролезет теннисный мяч, позволит наблюдать дифракционные явления, но, правда, лишь на расстояниях порядка сотен метров.

Простенькое уравнение, которое мы привели, позволяет судить о предельных возможностях микроскопов и телескопов.

Микроскоп не разрешает нам разглядеть детали предмета с большей точностью, чем микрометр. Ну, а детали миллиметрового размера мы видим невооруженным глазом. Отсюда ясно, что, пользуясь оптическим микроскопом, нет смысла добиваться увеличения больше чем в тысячу раз.

Но, это ограничение касается оптического микроскопа. Вот если бы удалось сконструировать микроскоп, который мог работать не со световыми лучами, а с какими-либо другими, у которых длина волны была бы меньшей, то полезное увеличение микроскопа возросло бы. Такой микроскоп давно создан и работает во многих научных лабораториях. Это электронный микроскоп. Длина волны электронов может быть выбрана очень маленькой (см. с. 112).