Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия

Развитие механики в первой половине XIX столетия

В историю существенный вклад внесли и русские ученые: математик и механик М.В.Остроградский (1801-1862), имя которого встречается в физике в связи с теоремой Остроградского-Гаусса, П.Л.Чебышев (1857-1918), А.М.Ляпунов (1857-1918) и многие другие.

В 1811 г. вышел «Трактат о механике» Симеона Пуассона (1781-1840). В этом трактате Пуассон развивает и популяризует традиции Лагранжа, иллюстрируя общие предположения многочисленными примерами. Тракта Пуассона долгие годы служил учебным пособием по механике.

Математик Жан Виктор Понселе (1788-1867), бывший солдат наполеоновской армии и русский военнопленный, ввел в механику важное понятие работы. Это понятие фигурирует и в «Трактате о механике твердых тел и о расчете действия машин» (1829). Гаспара Гюстава Кориолиса (1792-1843). Он открыл также ускорение, испытываемое движущимися телами во вращающейся системе, и соответствующую силу инерции. Это ускорение ныне известно под названием «кориолисово ускорение», а сила – под названием «сила Кориолиса» (1835).

В 1829 г. вышла работа знаменитого немецкого математика К.Ф.Гаусса (1777-1855) «Об одном новом общем принципе динамики»

Следует отметить, что этой работе предшествовали многолетние геодезические и астрономические исследования Гаусса, в результате которых им был найден метод наименьших квадратов, играющий важную роль в теории ошибок и обработке экспериментальных данных.

Особенно важную роль вариационный принцип наименьшего действия сыграл в работах У.Р.Гамильтона (1805-1865) – ирландского математика и физика. С 1827 г. он был профессором астрономии в Дублинском университете и директором астрономической обсерватории университета.

Работам Гамильтона по динамике предшествовали его работы по оптике лучей, написанные им в период 1827-1832 гг., под общим названием «Теория систем лучей». Гамильтону принадлежит заслуга в установлении оптико-механической аналогии, сыгравшей важную роль в истории создания волновой механики Шредингера.

Метод Гамильтона был разработан и развит в «Лекциях по динамике» Карла Густава Якоби (1804-1851). Якоби был родным братом русского академика Бориса Семеновича Якоби и сам был почетным членом Петербургской Академии наук.

Теория Гамильтона-Якоби получила широкое применение в XX в. В решении задач атомной механики. Оператор Гамильтона, или «гамильтониан», является одним из основных операторов современной квантовой механики, и таким образом полузабытая физиками теория механики и оптики обрела новую жизнь в прошлом столетии.

Юнг. Томас Юнг родился в 1773 г. Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в девятилетнем возрасте изучил латинский и греческий языки и к 14 годам в совершенстве знал до 10 языков, в том числе древнееврейский, персидский и арабский. Эти знания помогли ему в работе по расшифровке египетских иероглифов. В дальнейшем Юнг изучал медицину, получив в 1795 г. степень доктора медицины. За два года до этого он опубликовал работу по физиологической оптике «Наблюдения над процессом зрения», в которой разработал теорию аккомодации глаза. В дальнейшем Юнг занимался проблемами волновой оптики, сформулировав в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Самый термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Его основной труд «Лекции по натуральной философии» вышел в свет в 1807 г. в 2-х томах.

Кроме волновой оптики, имя Юнга в физике связывается с важной константой теории упругости, так называемого «модуля Юнга», и теорией цветного зрения, основанной на допущении в сетчатой оболочке глаза трех сортов чувствительных волокон, соответствующих трем основным цветам. Заметим, что Юнг в своих «Лекциях» упоминает и труд Ломоносова «Слово о происхождении света». Юнг одним из первых ввел в физику термин «энергия».

Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии». Умер Юнг в 1829 г.

Волновая теория света сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория света и цвета», опубликованной в 1801 г.

Сущность волновой теории света Юнг кратко выражает следующим предложением: «Излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира»

Таким образом. Все богатство красок природы было сведено Юнгом к колебательному движению эфира, а различие цветов – к различным частотам этих колебаний. Световые колебание распространяются в эфире от различных источников, не мешая друг другу, и если они в этой точке направлены одинаково, то «их совместное действие представляет комбинацию движений каждого из них».

Этот принцип суперпозиции позволил Юнгу в 1802 г. найти «простой и общий закон», согласно которому «везде, где две части одного и того же света попадают в глаз по разным направлениям, свет становится или более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для света различных цветов». Так в оптике появился принцип интерференции.

Юнг впервые сознательно определил длины световых волн и таким образом положил начало спектрометрии.

Теория Юнга была встречена с недоверием и в самой Англии подвергалась ожесточенным нападкам.

Малюс.Этьен-Луи Малюс родился в 1775 г.Он учился В Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему окончить школу. Был призван в армию на фортификационные работы, где его технические таланты были замечены. Затем его направили в открывшуюся Политехническую школу, которую он закончил в 1796 г.

Малюс установил, что поляризация света наблюдается для лучей, испытавших двойное преломление, и что эти лучи поляризованы во взамно перпендикулярных плоскостях. Он установил также, что свет падающий на отражающую поверхность под определенным углом, поляризуется.

Брюстер (1781-1868) в 1815 г. установил что этот угол полной поляризации удовлетворяет уравнению = n, где n – показатель преломления отражающего вещества.

В 1810 г. Малюс открыл закон изменения интенсивности поляризованного луча при прохождении через анализатор: интенсивность прошедшего света пропорциональна квадрату косинуса угла, образованного плоскостью поляризации луча с плоскостью главного сечения анализирующего кристалла.

Открытие поляризации вдохновило сторонников корпускулярной теории света. Лаплас построил теорию двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах, рассматривая двоякое действие молекул кристалла на световые корпускулы. Он вывел также зависимость между скоростью необыкновенного и обыкновенного лучей и углом, образованным направлением обыкновенного луча с оптической осью. Био сообщил закон Лапласа на двухосные кристаллы.

Арго открыл явление хроматической поляризации в одноосных кристаллах, а также вращение плоскости поляризации в кварце. Био обнаружил хроматическую поляризацию в сходящихся лучах сначала в одноосных, а потом в двухосных кристаллах. В 1815 г. он открыл законы вращения плоскости поляризации.

Френель. Огюстен Жан Френель родился в 1788 г. в Нормандии в семье архитектора. Отличаясь слабым здоровьем, Френель учился с трудом, однако рано обнаружил технические способности и в 16 лет поступил в Политехническую школу.

Политические события привели к отставке роялиста Френеля, он занялся научной работой и в октябре 1815 г. представил в Академию наук свой первый мемуар по дифракции света. Затем последовал ряд других, принесших Френелю мировую славу. С 1823 г. он был избран членом Академии наук. Но болезнь заставила Френеля отойти от научной деятельности. Он умер в 1827 г.

С изумительной изобретательностью и мастерством Френель ставит опыты по дифракции света.

Ньютон в одном из писем, рассматривая некоторые вопросы акустики, изобразил пересекающиеся системы волн, распространяющихся от двух одинаковых источников. Ту же картину рассматривает теперь Френель, но источниками волн у него служат края препятствия. Френель ясно видит стационарное распределение максимумов и минимумов волнового поля, расположенных на гиперболоидах вращения. Ньютон этой картины не увидел, хотя в «Началах» описывает случай погашения волнового движения другим, находящимся в противофазе.

Принцип интерференции дал возможность Френелю объяснить законы отражения и преломления тем, что световые колебания поглощают друг друга для всех направлений, кроме направлений, удовлетворяющих закону отражения или закону Снеллиуса-Декарта. Из своей теории Френель сделал вывод, противоположный выводу Ньютона, а именно «что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе».

Френель совершенно независимо от Юнга пришел к принципу интерференции. Только от Арго он узнал о том, что то же самое открыл Юнг.

Франсуа Доминик Араго (1786-1853) сыграл большую роль в развитии и пропаганде волновой теории.

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 459; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!