способом и предназначенных’ для образования оптич. изображений, называется оптическим прибором (см.). Практически оптич. приборы никогда не дают точного изображения предметов, т. к. точка предмета никогда не изображается в виде точки, а в виде б. или м. размытого пятна. Это обусловлено двумя причинами. Первой из них вляются различные аберрации оптических систем, в основных чертах сводящиеся к тому, что световой пучок,. вошедший в оптич. прибор гомоцентрическим (т. е. выходящим из одного центра), по выходе Рис. 29. Действие собиратель — из него Становитной линзы. ся в большей или меньшей степени не гомоцентрическим. Второй причиной является волновая природа С., благодаря к-рой в точке изображения всегда значительную роль играет диффракция С. Обе причины ограничивают разрешающую способность оптич. приборов, т. е. способность их раздельно воспроизводить изображение близких точек. Благодаря этому обстоятельству теория оптич. приборов не может в полной мере ограничиться законами геометрия, оптики, но в большой степени пользуется также и законами волновой оптики.
Превращения световой энергии и корпускулярная природа света. Квантовые представле ния, к-рые необходимы при рассмотрении вопросов излучения и распространения С. — в веществе, наряду с представлениями электромагнитной и электронной теорий, могут рассматриваться как косвенное доказательство корпускулярной природы С. В то время как в явлениях интерференции и диффракции господствует чисто волновая (электромагнитная) теория С., явления взаимодействия С. и вещества, точнее, явления превращения С. в другие виды энергии, неопровержимо доказывают, что световые излучения ведут себя, как поток частиц — фотонов. К наиболее важным явлениям из области превращения световой энергии относятся фотохимические реакции, явления фотоэффекта, эффект Комптона, излучение рентгеновских лучей, флуоресценция и др. При превращениях С. в химич. энергию — в фотохимических реакциях — число молекул, вступивших в реакцию, определяется соотношением (4) где N — число прореагировавших молекул, U — падающая на вещество энергия, h — постоянI ая Планка, V — частота падающего С. Этот результат можно трактовать только таким образом, что молекулы поглощают падающий на них С. дискретными порциями fiv. Эти порции и представляют собой кванты С., или фотоны. Корпускулярные свойства С. ещё более выступают в явлении фотоэлектрич. эффекта. Падающая на металлич. пластинку световая энергия превращается в электрич. энергию, вещество под действием С. испускает электроны; это явление и называется фотоэлектрич. эффектом. Опыт показывает, что скорость вылетающих электронов зависит исключительно от частоты падающего С., но не зависит от его интенсивности. Для фотоэффекта справедлив закон Эйнштейна ™2=^-Р.
(5)Здесь т — масса, v — скорость вылетающего электрона, у — частота колебаний падающего С., Р — ре бота вырывания электрона из вещества ” От интенсивности С. зависит лишь число вылетевших электронов. Эти факты можно понять, только приняв, что С. распространяется в виде световых частиц (фотонов). Каждый фотон выбивает из вещества только один электрон, причём кинетическая энергия последнего пропорциональна энергии фотона Av.
В явлении Комптона, наблюдаемом при рассеянии рентгеновских лучей электронами, имеет место обмен импульсом (количеством движения) и энергией между фотоном и электроном. Всё явление протекает таким образом, как если бы сталкивались две частицы по законам, справедливым для соударения обычных макроскопических тел. — Явления взаимодействия С. и вещества т. о. заставляют принять представление о световых частицах, фотонах.
Согласно этому представлению, излучение, наполняющее пространство,* представляет собой как бы «фотонный газ». Наконец, и образование электрона и позитрона за счёт исчезающих фотонов (у-фотонов) и обратное превращениелегче всего можно понять, исходя из представления о С. как о потоке фотонов. Однако новая корпускулярная теория С. не исключает волновой теории. Наоборот, формально они связаны между собой определёнными соотношениями. Так, импульс р и энергия £7 фотона связаны с длиной волны и частотой С. соотношениями: р = у; Е = hv.
(6) Эти соотношения формально позволяют вывести законы волновой оптики (диффракция, явление Допплера и др.), рассматривая взаимодействие (столкновение) потока фотонов с телами. Подробнее о свойствах фотонов и их распределении (статистике), а также и объяснение на основе представлений о С. как о потоке фотонов известных световых явлений см. в ст. Квантовая теория света. — Таким образом мы стоим перед фактом двойственной природы световых процессов. Этот двойственный характер С. (и вещества) пока ещё не нашёл окончательной и исчерпывающей интерпретации. Нахождение её представляет собой актуальную проблему современной теоретической физики.
• IV. Физиологическая оптика.
Вся совокупнось оптич. явлений, рассмотренных нами в предыдущих главах, т. е. вопросы излучения и распространения С. и превращения С. в другие виды энергии, составляет отдел оптики, называемый физич. оптикой. Другой класс оптич. явлений, связанный с субъективным восприятием С. при помощи органа зрения — глаза (см.), составляет физиология. оптику. Глаз можно рассматривать с двух точек зрения. Во-первых, его можно* рассматривать как физич. прибор — именно как оптич. прибор, назначение к-рого заключается в том, чтобы образовывать изображение предметов на светочувствительной оболочке глаза — сетчатке. В этом отношении устройство глаза, в принципе ничем не отличается от устройства фотографич. камеры. Во-вторых, он является органом человеческого тела, выполняющим определённые физиология, функции. В этом отношении функция глаза заключается в том, чтобы оптич. изображение, получаемое на сетчатой
