Распространение световой энергии и ее приемники

Как показывает название телескопа (от греч.— наблюдаю вдаль), этот прибор предназначен для рассматривания весьма удаленных предметов. Он «приближает» эти предметы в сотни и тысячи раз. Однако необходимо несколько обобщить и уточнить это определение, относящееся ко временам Галилея и Декарта.

Прежде всего следует отметить, что глаз вовсе не является единственно возможным приемником световой энергии, испускаемой небесными светилами и проходящей через телескоп. Такими приемниками могут быть фотографическая пластинка (щель спектрографа), катод электронного преобразователя, фотоэлемент, болометр, термопара и др. Лучистая энергия, испускаемая светилами, не ограничивается видимым участком спектра. Она может принадлежать к ультрафиолетовой или инфракрасной области спектра, если только материалы, принятые для изготовления оптических деталей, пропускают или отражают лучи этих частей спектра.

Попадая в телескоп от небесных объектов, лучистая энергия подвергается в нем сложному процессу перераспределения, после чего поступает в приемник — глаз, фоточувствительный слой пластинки или другое принимающее устройство — в измененном виде. Основное изменение заключается в том, что на приемнике создается «изображение» предмета, увеличенное во много раз и, кроме того, более или менее искаженное по сравнению с ним. Подобие между рассматриваемым в телескоп объектом и его изображением тем хуже, чем меньше угловой размер наблюдаемого предмета. Например, изображения звезд, представляющихся невооруженному глазу точками, видны через астрономические объективы, по крайней мере теоретически, в виде ярких пятен, окруженных кольцами; на практике эта картина еще больше искажается дефектами изготовления системы и атмосферными помехами. Когда в трубу рассматривают большие предметы — Солнце, Луну, звездные кучи, туманности, эти искажения, как правило, мало заметны, до тех пор, пока наблюдатель ограничивается обозрением общей картины; но как только он приступает к детальному изучению какого-нибудь малого объекта, они сказываются тем сильнее, чем меньше детали. Создаются своего рода сложные оптические обманы, иногда вводящие в заблуждение астрономов. Например, при прохождении Меркурия через диск Солнца, в момент, когда планета как бы погружается в него, на темном диске Меркурия вследствие дифракции появляется яркая точка, производящая впечатление вулкана. В картине получивших широкую известность «каналов» на Марсе большую роль, несомненно, сыграли диффракционные явления. По-видимому, ими объясняется «раздвоение» каналов, наблюдавшееся и описанное известным астрономом Скиапарелли в 1882 г.

Отступление от подобия между изображением и предметом вызывается различными причинами: дифракцией света, проходящего через оптическую систему, аберрацией последней, несовершенством стекла линз и формы поверхностей, атмосферными помехами, вызванными движением воздушных слоев, отделяющих оптический инструмент от наблюдаемого объекта, и т. д. Если перечисленные явления вообще вредны для любого оптического прибора, то они особенно вредны для астрономических инструментов, к которым предъявляются наиболее высокие требования по сравнению с другими оптическими системами.

Естественно, что развитие астрономической оптики шло по пути преодоления всех указанных препятствий.

Теория изображения в оптических системах, если принимать во внимание и явления дифракции, представляет некоторые трудности, не столько по существу явления, сколько вследствие громоздкости математического аппарата, необходимого для его исследования. Однако и без сложных математических формул, на основании принципов распределения энергии световых волн, нетрудно получить достаточно  ясное  представление о дифракции и о том, как связаны основные свойства оптических   систем, например разрешающая сила, с характеристиками этих систем.

Дифракция и все ее последствия, обнаруживаемые в изображениях предметов, обладающих мелкой структурой, легко объясняются представлениями волновой оптики, высказанными впервые Гюйгенсом в конце XVII столетия и дополненными Френелем (1818 г.). В дальнейшем эти представления развивались, уточнялись, усложнялись, но существенного ничего не добавилось к тому, что было известно раньше.

Всякий источник света излучает энергию, распространяющуюся в виде волн. Всем хорошо известна аналогия с волнами на поверхности воды, вызываемыми падением камня. Но интерес представляют не те явления, которые вызывает изолированный импульс, а картина, поддерживаемая в течение продолжительного времени постоянным источником правильных колебаний. Таким источником может послужить камертон с прикрепленным к одной из его ножек острием, опущенным на поверхность воды.

Вокруг источника распространяются сферические волны. Если на пути распространения волн поставить экран, в котором пробито небольшое отверстие В, то из этого отверстия, как из нового центра, начинают распространяться такие же волны, как те, которые исходят от источника колебаний, но с более слабой амплитудой. Экран с двумя отверстиями  дает начало двум новым системам волн, при встрече которых происходит так называемая интерференция, или наложение волн. В тех местах, где встречающиеся волны имеют противоположные направления движения и гребни одной системы волн совпадают с впадинами другой, поверхность воды остается неподвижной (узлы), а в местах, где совпадают гребни двух систем или впадин, получаются «пучности». В результате интерференции создается особая картина, характерная для волновых процессов.

Дифракцию можно рассматривать как обобщенную интерференцию, при которой все элементы экрана представляют собой отверстия. Конечно, в таком представлении есть что-то парадоксальное: экран, состоящий из сплошных отверстий, является уже не экраном, а сплошной волной.

Однако этот принцип наложения элементарных волн является совершенно естественным дополнением к волновой теории Гюйгенса. Он был сформулирован Френелем и придал волновой теории силу, которой она была лишена без него. Это добавление Френеля позволило вести точные расчеты распределения интенсивности световой энергии при любой форме поверхности волны и любых ее границах. Гюйгенс сам не обратил внимания на указанное свойство волновой теории, он слишком мало знал о только что открытом явлении дифракции. Даже о более простой интерференции в то время не подозревали, и лишь Эйлер в 1746,г. впервые создал представление «о световом луче как своего рода конической струне, по которой распространяются продольные световые колебания». Отсюда вытекает возможность и необходимость интерференции.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: