Жарықтың ластануы
Жоспары
Жарықтың ластану себептері
Жарықтың ластану салдары
Электроэнергия шығымы
Тірі организмдерге әсері
Астрономиялық бақылауларға әсері
Жарықтық ластанумен күрес
1 Жарықтың табиғаты жайындағы iлiмнiң дамуы
Оптика-физика ғылымының дербес салаларының бірі. Оптикада жарық пен рентген сәулелерінің табиғаты мен қасиеттері және олардың затқа ететін әсерлері қарастырылады.
Оптикалық құбылыстардың кейбіреулері ерте заманнан-ақ мәлім; мысалы, жарықтың түзу сызықпен таралуы, оның шағылуы, сынуы ежелден белгілі. Жарықтың біртекті ортада түзу сызық бойымен таралу заңы мен жарықтың айнадан шағылу заңы б.э.б. ІІІ ғасырда өткен ертедегі грек ғалымы Евклидтің еңбектерінде кездеседі. Жарықтың мөлдір екі ортаның шекарасында сыну құбылысы ертедегі грек ғалымы Аристотельге (б.э.д. 384-322 ж.) мәлім болған. Жарықтың сыну заңын біздің эрамыздың бас кезінде өмір сүрген –Александриялық астроном К. Птолемей (70-147 ж.) дәлелдемек болып талаптанған, бірақ оны ХҮІІ ғасырдың басында Голландия физигі В. Снелиус тағайындады. Оптиканың негізгі заңдарын (жарықтың түзу сызықпен таралу заңын, оның шағылу және сыну заңдарын т.т.) ұғыну үшін және оптикалық құбылыстарды түсіну үшін жарықтың табиғаты туралы белгілі пікір болуы тиіс. Ондай пікірлерді кезінде ерте заман ғалымдары да ұсынды, бірақ ғылымның дамуымен қабат жарықтың табиғаты жайындағы ой-пікір өзгеріп дамып отырды.
ХҮІІ ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты жайында екі түрлі ғылыми түсінік болды. Олардың біреуі-жарықтың корпускулалық теориясы, екіншісі-жарықтың толқындық теориясы.
Жарықтың кoрпускулалық теориясын тұжырымды етіп баяндаған-ағылшынның атақты ғалымы И. Ньютон (1672 ж.). Бұл теория бойынша, жарық дегеніміз-жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлшектерінің (корпускулалардың) ағыны. Ньютонша, жарық бөлшектері инерция заңына лайық, түзу сызық бойымен қозғалады, сондықтан жарық біртекті ортада түзудің бойымен таралады; айнаға түскен жарық бөлшектерінің шағылуы серпімді қабырғаға соғылған кәдімгі серпімді шардың шағылуына ұқсас, яғни шағылу бұрышы түсу бұрышына тең; екі мөлдір ортаның шекарасында жарықтың сыну себебі жарық бөлшектері сындырушы ортаның бөлшектеріне тартылады, соның салдарынан бірінші ортадан екінші ортаға өткенде жарық бөлшектерінің жылдамдығы өзгереді, сонда бірінші ортадан гөрі екінші орта тығыздау болса, жарық бөлшектерінің жылдамдығы артады. Демек, бірінші ортадағы жарық жылдамдығы (u1) екінші ортадағы жарық жылдамдығынан (u2) кем болады. Корпускулалық теория бойынша жарықтың сыну көрсеткіші (n) жарықтың екінші ортадағы жылдамдығының бірінші ортадағы жылдамдығының қатынасына тең, яғни n=u2/u1, мұндағы u1<u2. Бірақ Ньютонның тұсында бұл қорытынды тәжірибе жүзінде тексерілген емес; өйткені ол кезде жарықтың тек планеталар аралығында таралу жылдамдығы шамамен 300000 км/сек екендігі ғана мәлім болатын (О. Ремер, 1676 ж.). Жарықтың суда таралу жылдамдығы шамамен 225000 км/сек екендігі 1850 жылы табылды (Л. Фуко). Демек жарықтың судағы жылдамдығы ауадағы жылдамдығынан кем. Жарық ауадан суға өткендегі сыну көрсеткіші 1,33-ке тең, яғни 1-ден артық екендігі тәжірибеден мәлім. Демек Ньютонның жарық сыну көрсеткіші жайындағы қорытындысы дұрыс емес. Бұл теорияның бұдан да басқа кемшіліктері бар. Сондықтан бұл теория кезінде жарықтың бірден-бір теориясы бола алмады. Сол кездің өзінде-ақ Голландия ғалымы Х. Гюйгенс (1678 ж.) бірқатар дыбыс құбылыстары мен жарық құбылыстарын салыстыра отырып, жарықтың толқындық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша жарық дегеніміз ерекше серпімді ортада таралатын толқындық процесс. Гюйгенстің пікірінше жарық та, дыбысқа ұқсас сфералық беттер және толқындар түрінде таралады. Сонда жарық толқындары эфирде таралатын механикалық серпімді тербелістер болып таралады.
Толқындық бет жеткен әрбір нүкте элементар толқындардың дербес көзі болады; сол элементар толқындарды ораушы бет жаңа толқындық беттің орнын көрсетеді (Гюйгенс принципі). Толқындық беттерге тік жүргізілген түзулер жарық таралатын бағытты көрсетеді.
Жарықтың табиғаты жайындағы осы пікірді орыстың атақты ғалымы М.В. Ломоносов та жақтады. Гюйгенс осы принципке сүйеніп жарықтың шағылу және сыну заңдарын, сондай-ақ жарықтың қосарланып сынуын да дұрыс түсіндірді.Толқындық теория бойынша жарықтың сыну себебі жарық бір ортадан екінші ортаға өткенде жылдамдығы өзгереді. Мысалы тығыз емес ортадан тығыздау ортаға өткенде жарық жылдамдығы кемиді, сонда тығыздау ортаның жарық сыну көрсеткіші (n) жарықтың тығыз емес ортадағы u1 жылдамдығының тығыздау ортадағы u2 жылдамдығына қатынасына тең, яғни n=u1/u2, мұндағы u1>u2. Сыну көрсеткіші жайындағы бұл қорытындының дұрыс екендігі кейін тәжірибе жасалып дәлелденді. Сонымен жарық сындыру көрсеткішінің мазмұнын толқындық теория дұрыс баяндайды. Бірақ бұл теория осы күйінде жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңын түсіндіре алмады. Сонымен қабат “жарық таралатын серпімді орта-эфир бар“, деп болжау көңілге қонбады. Өйткені Гюйгенстің пікірінше барлық материялық денелер мен олардың аралығындағы кеңістік эфирге толы, эфирдің қасиеттері қатты денелердің кейбір қасиеттеріне ұқсас болса, неге қозғалған денелердің әлемдік эфирге үйкелісі білінбейді, деушілер болды. Сөйтіп ХҮІІІ ғасыр бойы жарықтың корпускулалық және толқындық теорияларының арасындағы тартыс тоқталмады. ХІХ ғасырдың бас кезінен бастап қана толқындық теория үстем бола бастады. Бұл жөнінде Т. Юнгтың және О. Френельдің зерттеулері маңызды роль атқарды. Ағылшын физигі Т. Юнг (1801 ж.) жарықтың интерференция құбылысы туралы жаңа идеялар айтты. Ол бұл құбылысты жарықтың толқындарының бір-бірімен қосылысуының нәтижесі деп ұғынды, ол жұқа пластинкалардың бетінде байқалатын әртүсті дөңгелекшелердің, яғни Ньютон сақиналарының пайда болуын осы тұрғыдан қарастырып түсіндірді. Ол бірінші рет интерференция әдісін қолданып, көрінетін жарық сәулелері толқындарының ұзындығын өлшеді. Белгілі француз физигі О. Френель (1815 ж.) Гюйгенстің принципіне элементар толқындардың интерференциялану принципін қосты. Сөйтіп, Гюйгенс-Френель принципі шықты. Френель осы принципке сүйеніп жарықтың түзу сызық бойымен таралуын қанағаттанарлық дәрежеде түсіндірді. Сонымен қабат ол осы Гюйгенс-Френель принципі негізінде жарықтың дифракция құбылысын да дұрыс түсіндірді. Француз физигі Э. Малюс (1809) байқаған жарықтың поляризация құбылысын Юнг (1817) жарық толқынының тербелістері көлденең тербелістер деген ұғымға сүйене отырып түсіндірді. Сонымен ХІХ ғасырдың басында Юнг пен Френельдің зерттеулерінің нәтижесінде жарықтың толқындық теориясы жарықтың корпускулалық теориясын біржола жеңді. Көпшілік толқындық теория жағына шықты. Сөйтіп жарық ерекше серпімді ортада-эфирде-көлденең тербелістер түрінде таралады деген тұжырым жасалды. Жарықтың толқындық теориясы кезінде көптеген оптикалық құбылыстарды түсіндіре алғанымен, жарықтың бұл теориясы да елеулі қиыншылықтарға кездесті. Мәселенің ең қиыны жарық таралатын серпімді ерекше орта-эфирде болды. Өйткені тәжірибеге қарағанда жарық толқындары көлденең толқындар болуға тиіс. Көлденең тербелістер тек қатты денелерде ғана тарала алады. Сондықтан эфирдің қасиеттері қатты дененің қасиеттеріндей деп ұйғаруға тура келді. Ал көлденең серпімді толқындардың қатты денеде таралу жылдамдығы (u) сол дененің ығысу модулінің (N) оның тығыздығына (r) қатынасының квадрат түбіріне тең, яғни u=ÖN/r, сонда бұл жылдамдық жарық жылдамдығындай өте үлкен шама болуы үшін r өте-мөте аз, N тым үлкен болуға тиіс, демек эфир тығыздығы өте аз, ығысу модулі өте үлкен серпімді тұтас орта болуы керек, осындай тұтас ортаның болуы мүмкін емес, өйткені бұл қасиеттер бірін-біріне қайшы. Сондықтан кезінде жарықтың серпімді толқындық теориясына қарсы пікірлер де болды. Екінші жағынан, бұл теорияның көлемінде жарық құбылыстары басқа физикалық құбылыстармен байланыссыз жеке қарастырылды. Дұрысында, табиғат құбылыстары бір-біріне тығыз байланысты. Сөйтіп, серпімді толқындық теория да бірден-бір жарық теориясы бола алмады.
ХІХ ғасырдың алпысыншы жылдарында ағылшынның атақты физигі Дж. Максвелл электромагниттік құбылыстардың теориясын дамыта келіп, айнымалы электромагниттік өріс кеңістікте бір орында тұрмай, барлық жаққа таралатындығын дәлелдеді, оның вакуумда таралу жылдамдығы токтың электромагниттік өлшеу бірлігінің электростатикалық бірлігіне қатынасына тең екендігін тағайындады; ал бұл қатынастың шамасы жарықтың вакуумдағы жылдамдығына тең екендігі бұрыннан мәлім болатын. Сөйтіп, электромагниттік өрістің таралу жылдамдығы жарықтың таралу жылдамдығына тең болып шықты. Максвелл бұдан (1865) электромагниттік толқын мен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық дегеніміз электромагниттік толқындардың дербес түрі деген қорытынды жасады. Көп ұзамай-ақ неміс физигі Г.Герц (1888ж.) тәжірибе жасап электромагниттік толқындар мен жарықтың негізгі қасиеттерінің ұқсас екенідігін дәлелдеді. Жарықтың электромагниттік теориясы заттың оптикалық, электрлік және магниттік тұрақтыларының арасындағы байланыс бар екендігін тағайындады. Бірақ бұл теория жарықтың затта таралу ерекшеліктерін, атап айтқанда, заттың жарық сыну көрсеткішінің жарық толқынының ұзындығына тәуелділігін түсіндіре алмады. Бұл мәселелерді электрондық теорияға сүйене отырып дұрыс түсіндіруге болады.
Жарықтың электромагниттік теориясы ХІХ ғасырдың аяғы мен ХХ ғасырдың бас кезінде оптиканың көптеген мәселелерін дұрыс түсіндіргенмен, бірқатар құбылыстарды, мысалы, жарық шығару және жарық жұту құбылыстарын, фотоэлектрлік құбылысты т.т. толық түсіндіре алмады.
Немістің атақты физигі М.Планк 1900 жылы абсолют қара дененің сәуле шығару заңын қорытып шығарды, сонда ол жарық шығаратын осцилляторлар тербелгенде сәулелік энергия белгілі мөлшерде үздік-үздік, порция-порция болып шығуға тиіс деп ұйғарды. Ол энергияның осындай порциясын квант деп атады. Планкше энергия кванты (e) жарықтың тербеліс жиілігіне (n) пропорционал: e=hn, мұнд. h=6,62*10-27эрг.сек, бұл шама Планк тұрақтысы деп аталады. 1905 жылы А.Эйнштейн жарық дара энергия кванттары түрінде жұтылуға тиіс деп болжап, фотоэлектрлік құбылыстың негізгі заңдарын түсіндірді. Эйнштейн кейін жарық дегеніміз кванттар ағыны, әрбір жарық квантының энергиясы e=hn деп жорыды. Жарық кванттары қазір фотондар деп аталады да, жарықты кванттар-фотондар ағыны деп ұғынатын теория жарықтың фотондық теориясы деп аталады.
Сөйтіп, ХХ ғасырдың басында жарықтың электромагниттік теориясына жарықтың фотондық теориясы қосылды. Сонымен, жарықтың әрі толқындық, әрі корпускулалық қасиеттері бар; жарықтың табиғаты екі жақтылы. Осындай екі жақтылы қасиеттер кәдімгі заттың элементар бөлшектеріне де тән. Осындай көзқарасты белгілі француз физигі Л. де-Бройль (1924 ж.) ұсынды. Атомдар ядролары өрісінде болған кейбір процестер нәтижесінде жарық кванты (фотон) жойылып, оның орнына екі элементар бөлшек-электрон және позитрон пайда болады. Бұған кері процесс те мәлім: электрон мен позитрон бірігіп жойылып кетіп, оның есесіне екі фотон пайда болады. Сөйтіп, фотонның, заттың кәдімгі бөлшектері сияқты, массасы, импульсі, энергиясы бар; фотон электрон мен позитронға айнала алады, фотон электрон мен позитроннан түзіле алады. Демек жарық-материяның бір формасы, онда материяның барлық негізгі қасиеттері бар. Бірақ жарық материя болғанда оның материяның басқа формаларынан ерекшелігі сол-жарықтың тыныштықтағы массасы жоқ.
