Эволюция теорий природы световых излучений

Введение

Кинотелесветотехника рассматривает достаточно широкий круг вопросов, связанных с видимыми излучениями. Её своеобразие в том, что она изучает не только физические процессы световых излучений, их распространение, но воздействие и влияние световой энергии с учетом психофизиологических аспектов восприятия света. Это связано с тем, что кинотелесветотехника представляет собой одно из технических средств кинотелевизионного искусства позволяющим решить оператору основную художественно-творческую задачу при построении необходимого освещения объектов съемки – воссоздания «естественных» для конкретной сюжетной обстановки условий освещения. Эта задача решается благодаря умелому использованию естественного света, светотехнических приборов и разнообразных вспомогательных устройств, фильтров при достаточном знании их характеристик, структуры и принципов работы.

Чтобы понять, как с помощью света выявляются цвет, тек­стура, внешний вид поверхности предмета, а также его дефек­ты, необходимо рассмотреть, что такое свет, каково происхождение световых излучений, их взаимодействие с материалами, процессы и методики световых и цветовых измерений. Такое рассмотрение можно осуществлять на разных уровнях сложности и с соответст­вующей степенью точности. Рассмотрение света во всех деталях неизбежно приведет к очень громоздкому научному труду. Вме­сте с тем в большинстве случаев для решения практической задачи оператору и светотехнику не нужен излишне основательный и ус­ложненный подход, предложенный физиком или математиком. Но для создания полноценного произведения изобразительного искусства необходимо освоить и умело использовать законы светотехники, светотехнические характеристики поверхностей и материалов, измерительные приборы, номенклатуру, классификацию и основные характеристики источников света и осветительных приборов, технологию освещения объектов съемки.

Раздел I. Природа света и система световых величин

В этой главе рассматривается природа света, поскольку она имеет непосредственное отношение к про­явлению внешнего вида и изменению структуры материалов, представляю­щих художественную или историческую ценность.

Свойства и характеристики света определяются для спектральных областей излучения, пред­ставляющих наибольший интерес. Более подробно внимание акцентируется на ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Нечеткое представление о тех или иных световых величинах часто является причиной серьезных ошибок, которые допускают специалисты при проектировании и эксплуатации светотехнических комплексов, техники и оборудования.

Знание световых величин необходимо студентам и профессионалам, работающим на теле-, видео- или киностудиях, и даже любителям, снимающим домашнее видео. Это поможет правильно ориентироваться в изобилии источников света, светофильтров, осветительных приборов, разобраться с функциями видеокамер, связанными со светочувствительностью, контрастностью и цветовоспроизведением.

Эволюция теорий природы световых излучений

Изучение света – одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на протяжении всего развития человечества. Так прямолинейность распространения света была известна ещё народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н.э. Это свойство света использовалось в Древнем Египте при строительных работах. Пифагор (6 век до н.э.), Аристотель, Платон (4 век до н.э.), Эвклид (3 век до н.э.) выдвигали различные гипотезы о природе света. Изучению световых явлений посвящали свои работы Ф.Гримальди, Э.Бартолин, Р.Гук, Х.Гюйгенс, И.Ньютон. Английский учёный И.Ньютон допускал возможность волновой интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции природы света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (этот термин для обозначения среды, наделенной механическими свойствами – переносчика света – ввел Декарт) и вызывающих в нем колебания.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющихся с большой, но конечной скоростью (И.Кеплер и Р.Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук – конечной). А первое экспериментальное определение скорости света осуществил датский астроном О.Ремер. Гюйгенс, сформулировав фундаментальное принципы волновой оптики, тем не менее не разработал последовательную волновую теорию света, которая могла бы противостоять воззрениям Ньютона. Поэтому корпускулярная «теория истечения» Ньютона была приоритетной до начала 19 века. Победа волновой теории света связана с работами английского учёного Т.Юнга и французского ученого О.Френеля.

Т.е. с самого начала построения современной теории света су­ществовало противоречие между двумя различными моделями. С одной стороны, свет описывался в виде быстро движущихся частиц, с другой – в виде волнового процесса.

Смысл волнового процесса и определяющих его парамет­ров можно нагляднее понять, рассматривая самый обычный вид синусоидальной волны, встречающийся в природе, который изо­бражен на рис.1.1.1. Синусои­дальная волна совершает прос­тое гармоничное движение. Амплитуда волны а соответст­вует максимуму вертикальных отклонений волны от среднего положения. Горизонтальная скорость прохождения волны описывается волновой скоростью с. Расстояние между со­седними пиками определяет длину волны λ. Если наблю­дать на волне за точкой р, то она будет колебаться вверх и вниз вдоль линии, длина кото­рой определяется амплитудой. Число колебаний в секунду, со­вершаемое точкой р, известно под названием частоты ν излучений. Скорость, длина волны и частота связаны между собой:

c=vλ. (1.1.1)

Этот тип волнового движения характерен для световых волн, однако следует отметить, что полностью отдельных свойств све­та он не описывает.

Рис.1.1.1 – Синусоидальное колебание.

Вместе с тем детальная разработка представлений о свете, как о поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теоретических построений: эфир приходилось наделять свойствами твердого состояния и одновременно допускать, что в нём могут перемещаться тела. Эти трудности были разрешены английским ученым Дж. К. Максвеллом при последовательном развитии учения об электромагнитном поле. Основываясь на открытии также английского физика М.Фарадея, он пришел к выводу, что свет есть электромагнитные, а не упругие волны. Таким образом в XIX в. благодаря ряду замечательных экспериментальных и теоретических результатов всеобщее признание получила вол­новая теория света. Джеймс Клерк Максвелл, руководитель Кавендишской лаборатории в Кембридже, в 1864 г. объединил раз­личные аспекты волновых представлений на природу света в своей работе «Динамическая теория электромагнитного поля». Максвелл предположил, что свет является электромагнитной волной, которая, за исключением своей длины, идентична всем волнам, вызываемым излучением от электрических контуров. Он оказался прав, и его важнейшее открытие легло в основу новой электромагнитной волновой теории света. Синтези­рованная идея Максвелла также базировалась на работах таких его предшественников, как Роберт Гук (1665), Франческо Грималь­ди (1665) и Христиан Гюйгенс (1678), мысли которых представ­ляли в разной степени первые предзнаменования современной волновой теории света; Томас Юнг (1801), который показал, что световые волны подчиняются законам интерференции так же, как волны на воде; Этьенн Малюс (1808), который установил, что при отражении свет может поляризоваться; Огюстен Жан Френель (1817), который доказал, что оптические явления мож­но объяснить, исходя из распространения поперечных волновых колебаний; Майкл Фарадей (1830—1850), который развил тео­рию и поставил эксперименты для того, чтобы показать, что свет содержит электрическую и магнитную составляющие; лорд Кельвин (Уильям Томсон), который выявил аналогию между потоком тепла и проводимостью тока, и Дж. Л. Лагранж, ма­тематические методы которого использовал Максвелл. Людвиг В. Лоренц в 1867 г. независимо разработал подобную волновую теорию света. В 1888 г. Генрих Герц увенчал теорию экспери­ментальным доказательством того, что электромагнитные волны, излучаемые электрическими контурами, подчиняются всем тем законам отражения, преломления, поляризации и т. д., ко­торым подчиняются оптические волны. Таким образом, были установлены волновые свойства света и доказана его электро­магнитная природа.

Эта, удовлетворяющая всех и подкрепленная экспериментом, точка зрения резко пошатнулась в начале XX в., когда были открыты свойства света, которые можно было объяснить только корпускулярной теориейили теорией частиц, что подтверждало теорию Исаака Ньютона, который как раз рассматривал свет в виде потока час­тиц (но потом, с появлением волновой теории света, в эти воззрения на какое-то время потеряли веру). Немецкий физик Макс Планк в 1900 г. пришел к заключению, что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдает волновую энергию электромагнитному полю или получает от него её не непрерывно, а порциями – квантами, прямо пропорциональным частоте колебаний. Альберт Эйнштейн в 1905 г., рассматривая труд­ности, с которыми сталкивается волновая теория Максвелла при объяс­нении экспериментов по излучению абсолютно черного тела, предположил, что лучистая энергия (световое излучение) переносится фотонами, которые кроме энергии имеют массу и момент количества движения и тем самым вернул к жизни многие черты корпускулярной теории.