Modul №1 optika fanining rivojlanish tarixi

Modul № 1 OPTIKA FANINING RIVOJLANISH TARIXI.


1-MAVZU: OPTIKA FANINING RIVOJLANISH TARIXI VA BOSHQA BO’LIMLAR BILAN BOG’LIQLIGI. FANNI O’RGANISHDAGI MUAMMOLAR, USLUBIY KO’RSATMALAR. FANNING VAZIFALARI. OPTIKA QONUNLARINING AMALIYOTGA, FAN VA TEXNIKA SOHALARIGA TADBIQI.


Reja:
1. Optika fanining predmeti, maqsadi va vazifalari.
2. Yorug’lik to’lqini to’g’risidagi tasavvurlarning paydo bo’lishi.
3. Optika fanining rivojlanish tarixi.
4. Optika qonunlarining amaliyotga, fan va texnika sohalariga tadbiqi

“Optika” fani bakalavr ta’limi bosqichining fizika yo’nalishi talabalari uchun rejalashtirilgan bo’lib, umumkasbiy fanlari tarkibiga kiradi.

O’zbekiston Respublikasi Prezidenti I.A.Karimovning tashabbuslari bilan qabul qilingan «Kadrlar tayyorlash Milliy dasturi» har tamonlama barkamol, mustaqil fikrlovchi, erkin komil shaxsning shakllanishini ta’minlovchi uzluksiz ta’lim tizimining asosiy xuquqiy hujjatidir. Ushbu fanning asosiy vazifalaridan biri ta’lim tizimidagi amalga oshirilayotgan islohotlar, ijobiy o’zgarishlar, yoshlarga yaratilayotgan imkoniyatlar to’g’risida muntazam ma’lumotlar berish nazarda tutiladi. Zamonaviy optika fani yutuqlari, ilmiy tadqiqotlar hamda yorug’likning korpuskulyar va elektromagnit to’lqin tabiati bilan bog’liq bo’lgan fizik qonuniyatlar bugungi kunda fundamental va amaliy ahamiyatga ega. Ushbu fanni o’rganish jarayonida Respublikamizning optika sohasida ishlayotgan taniqli olimlar tajribalaridan, ajdodlarimizning qimmatli merosidan va ilmiy xodimlarining ilmiy-tadqiqot ishlari natijalaridan keng foydalanish nazarda.
Optika – yorug’likning tabiati, uning hosil bo’lishi va tarqalish qonunlarini, modda (muhit) bilan ta’siri jarayonlarini o’rganadigan fandir. Optika – grekcha (“optics”) – ko’rish degan ma’noni anglatadi. Optika bo’limida to’lqin uzunligi 0,1 dan 1 sm gacha diapazondagi spektrga ega bo’lgan elektromagnit to’lqinlari o’rganiladi. Demak, yorug’lik deganda to’lqin uzunligi yuqoridagi diapazonda bo’lgan barcha tarqalayotgan elektromagnit maydonlari nazarda tutiladi. Ko’zga ko’rinadigan yorug’likka tegishli elektromagnit to’lqinlar 0,4-0,76 mkm intervaldagi uzunlikka ega bo’ladi.
Optikaning eng asosiy muammosi - yorug’likning tabiati haqidagi masaladir.
Fanning maqsad va vazifalari quyidagidan iborat: chiziqli va nochiziqli optika sohalaridagi zamonaviy fan yutuqlariga tayangan holda elektromagnit to’lqinlarning muhitlarda tarqalish qonuniyatlarini, fan va texnikada keng qo’llanib kelinayotgan nur tola optikasining bugungi holati va istiqboli, interferensiya, difraksiya, qutblanish hodisalari, yorug’likning muhitlardan yutilishi, sochilish spektrini hosil bo’lishi va ular yordamida atom va molekulalarning xususiyatlarini o’rganish, infraqizil nurlanishlar, fotosamara hodisasi, optik kvant generatorlari va bir qatop boshqa qonuniyatlarni o’rganish ushbu fanning asosiy maqsadi va vazifasini belgilaydi.
Optika fani umumkasbiy fan bo’lib hisoblanadi. Dasturni amalga oshirish o’quv rejasida rejalashtirilgan oily matematika, informatika, molekulyar fizika, elektr va magnetism, atom fizikasi, nazariy fizika, nazariy mexanika va h.k. fanlaridan yetarli bilim va ko’nikmalarga ega bo’lishlik talab etiladi. Optika fani bakalavr ta’lim yo’nalishining umumkasbiy fanlar turkumiga tegishli bo’lib, optika sohasidagi bir qator qonuniyatlarni amalga tadbiq qilishda, elektromagnit nurlanishlarining muhitlarni tashkil qilgan atom va molekulalari bilan o’zaro ta’sirlashuv qonuniyatlarini o’rganish yo’nalishidagi ilmiy tadqiqot ishlarini rivojlantirishga xizmat qiladi. Optika fanini o’zlashtirish uchun o’qitishning ilg’or va zamonaviy usullardan foydalanish, yangi information-pedagogik texnologiyalarni tadbiq qilish muhim ahamiyatga egadir. Fanni o’zlashtirishda darslik, o’quv-uslubiy majmua, o’quv va uslubiy qo’llanmalar, tarqatma materiallar, tajriba namoyishlari, o’quv multimedialari, internet tarmog’idan, ko’rgazmali materiallardan foydalanish lozim.
Yorug’likning tabiati haqidagi boshlangich tasavvurlar qadimgi asrlarda paydo bo’lgan.
-Qadimgi induslar ko’z "olov tabiat" ga ega deb o’ylaganlar:
-Grek faylasufi va matematigi Pifagor (er.av. 582-580 yy.) ko’zdan buyumlarga qarab "qaynoq bug’lanishlar" chiqadi va shu sababli ko’rish sezgilari paydo bo’ladi, deb hisoblagan.
-Empedokl (er.av.492-432 yy.) - nurlanuvchi jismlardan ko’zga, ko’zdan nurlanuvchi jismlarga qarab nurlanish oqimi yo’naladi va ular uchrashib ko’rish sezgisini uyg’otadi, deb qaragan.
-Demokrit (er.av. 460-370 yy.) - ko’rish buyumlardan chiqayotgan mayda zarrachalar -atomlarning ko’zga kelib tushishi natijasida hosil bo’ladi, degan atomistik g’oyani ilgari surgan.
-Epikur (er.av.341-270 yy.), Aristotel (er.av. 384-332 yy.) lar ham ko’rish sezgisining sababi inson ko’zidan tashqarida yotadi, deb hisoblaganlar.
-Evklid (er.av. 300 y.) - "ko’rish nurlari nazariyasi"-ni yaratdi. Bu nazariyaga asosan ko’zdan "ko’rish nurlari" tarqalib, ularning uchlari jismlarga borib tegib, ular to’g’risida ko’zda sezish tuyg’ularini uyg’otadi. Evklid - yorug’likning to’g’ri chiziq bo’yicha tarqalishi haqidagi ta’limotning asoschisi.
-Arximed (er.av. 287-212 yy.) - botiq ko’zgular tizimi yordamida Rim kemalarini yondirgan.
-Ptolomey (er. 70-147 yy.) - yorug’likning sinish qonunini o’rganishga doir ko’p tajribalarni amalga oshirgan.
-Arab fizigi Alxazen (1038 y.) - ko’zning ko’rish sababini, yorug’likning sinishini, botiq ko’zgularda yorug’likning qaytishini o’rgandi. U yorug’likning chekli tezlikka ega bo’lishini, Quyosh va Oyning gorizontda zenitdagiga nisbatan katta bo’lib ko’rinishi ko’zniing aldanishi deb to’g’ri fikr yuritdi.
-R.Bekon (1214-1294) - parabolik ko’zgular, linzalar va botiq ko’zgularning fokus masofaoarini aniqlash bo’yicha qator ishlarni amalga oshirdi. Shu ishlar asosida ko’p o’tmay 1285 yilda ko’zoynak ixtiro qilindi.
-Italiyalik Port (1538-1615) - obskur-kamerani ixtiro qildi. Bu fotoapparatning yaratilishiga asos bo’ldi.
-Golland Z.Yansen 1590 yilda mikroskopni ixtiro qildi.
-Golland V.Snellius (1591-1628) va franstuz R.Dekart (1596-1650) - yorug’likning sinish qonunining xozirgi ta’rifini berishgan.
-Franstuz P.Ferma (1601-1665) - yorug’likning to’g’ri chiziq bo’ylab tarqalish tamoyilini yaratdi.
-Grimaldi (1618-1663) yorug’likning difraksiyasini kashf qildi.
-I.Nyuton (1643-1727) yorug’likning prizmadagi dispersiyasini kuzatdi. U yorug’likning korpuskulyar nazariyasi asoschisidir.
-Ingliz R.Guk (1635-1703) va golland X.Gyuygens (1629-1695) yorug’likning to’lqin nazariyasini ishlab chiqdilar.
-T.Yung (1773-1829) -yorug’lik to’lqinlari interferensiyasining asosiy qoidalarini ishlab chiqdi.
-Nemis fizigi Fraungofer (1787-1826) -difraksion panjarani yaratdi.
-M.Faradey (1791-1867) -elektromagnit induksiyani ixtiro qildi.
-Maksvell (1831-1879) - o’zinig nomi bilan ataluvchi tenglamalarni yaratdi va yorug’likning elektromagnit to’lqin nazariyasiga asos soldi.
-P.N.Lebedev (1866-1912) yorug’likning bosimini aniqladi.
-G.Gers (1857-1894) -fotosamara hodisasini kashf qildi.
-M.Plank (1858-1947) -yorug’likning kvant nazariyasini yaratdi.
Yorug’likning to’g’ri chiziq bo’ylab tarqalishidan iborat asosiy xossasi Nyutonni (XVII asr oxiri) mexanika qonunlariga (inersiya qonuniga) muvofiq to’g’ri chiziq bo’ylab uchadigan yorug’lik zarrachalari oqimi nazariyasi tarafdori bo’lishga majbur qilgan bo’lsa kerak. Mexanika sohasida Nyuton erishgan ulkan muvaffaqiyatlar uning optik hodisalarga bo’lgan munosabatiga asosiy ta’sir ko’rsatdi.
Nyuton zamonida yorug’likning turli muhitdagi tezligi hali bevosita o’lchangan emas edi. Shuning uchun topilgan xulosani bevosita tekshirib ko’rish mumkin emas edi. Keyinchalik yorug’likning turli muhitlardagi tezligi o’lchandi (Fuko, 1850 y.) va yorug’likning zichroq muhitlardagi (masalan, suvdagi) tezligi havodagidan kichik ekanligi ma’lum bo’ldi, vaholanki yorug’likning havodan suvga o’tishida sinish ko’rsatkichi 1,33 ga teng, ya’ni birdan katta. Shunday qilib, sindirish ko’rsatkichining Nyuton bergan talqini noto’g’ri bo’lib chiqdi.
Nyuton zamonida yorug’likning sayyoralararo fazoda tarqalish tezligi aniqlandi (Ryomer, 1676 y.). Bunda yorug’likning tezligi taxminan ≈ 300 000 km/s bo’lib chiqdi. Yorug’lik tezligining bunchalik katta bo’lishi Nyutonning yorug’lik to’g’risidagi tasavvurini uning ko’p zamondoshlari tan olmasligiga sabab bo’ldi, chunki shunday katta tezlik bilan yuguruvchi zarralarni ko’z oldiga keltirish qiyin tuyular edi. Hozirgi vaqtda bu e’tiroz o’z kuchini yo’qotgan, chunki tezligi yorug’lik tezligiga juda yaqin bo’lgan zarralar (β-nurlar va kosmik zarralarni) aniqlandi.
Nyutonning zamondoshi Gyuygens yorug’likning boshqa nazariyasi bilan maydonga chiqdi (“Yorug’lik to’g’risida traktat”, 1878 yilda yozilgan, 1690 yilda nashr etilgan). U ko’p akustik va optik hodisalar orasida o’xshashlik borligiga asoslanib, yorug’lik ta’sirini moddiy jismlar ichidagi va ular orasidagi butun fazoni to’ldirgan maxsus muhitda – efirda tarqaluvchi elastik impulslar, deb faraz qildi. Yorug’lik tarqalishining tezligi juda katta bo’lishiga efirning xossalari (uning elastikligi va zichligi) sabab bo’ladi va bunda efir zarralari tej ko’chmaydi.
Shunday qilib, Gyuygens yorug’likning Nyuton yaratgan korpuskulyar nazariyaga qarshi qo’yilishi mumkin bo’lgan to’lqin nazariyasining yaratuvchisi edi. Butun XVIII asr davomida yorug’likning korpuskulyar nazariyasi fanda ustunlik qildi, ammo yorug’likning bu va to’lqin nazariyalari orasida keskin kurash to’xtamadi. L.Eyler (“Yorug’lik va ranglarning yangi nazariyasi”, 1746 y.) va M.V.Lomonosov (“Yorug’likning kelib chiqishi to’g’risida qissa – ranglarning haqida yangi nazariyadir”, 1756 y.) korpuskulyar nazariyaning chinakam raqiblari edilar: ular ikkalasi “yorug’lik – efirning to’lqinsimon tebranishlaridir” degan tasavvurlarni himoya qildi va rivojlantirdi.
XIX asr boshida izchil rivojlantirilgan to’lqiniy optika sistemasi yaratila boshladi. Bunda bosh rolda Yung va Frenel ishlari o’ynadi. Frenel (1815 y.) Gyuygens prinsipini Yungning interferensiya prinsipi bilan to’ldirib aniqlashtirdi, shu interferensiya prinsipi yordamida Yng 1801 yilda qaytgan yorug’likda kuzatiladigan yupqa plastinkalar rangini qanoatlanarli ravishda izohlab bergan edi. Gyuygens-Frenel prinsipi yorug’likning to’g’ri chiziq bo’ylab tarqalish sababini yetarlicha qanoatlanarli bayon etibgina qolmasdan, balki yorug’likning to’siqlar yonidan o’tishda yorug’lik intensivligi taqsimoti to’g’risidagi masalani yechish, ya’ni difraksiya hodisasini tekshirish imkonini berdi.
Kelgusida yorug’likning qutblanish va qutblangan nurlar interferensiyasi hodisalarini o’rganish (Frenel va Arago) yorug’lik to’lqinlarining xususiyatlarini aniqlash imkonini berdi; Frenel va Yung yorug’likning bunday xususiyatga ega bo’lishiga yorug’lik to’lqinlari ko’ndalang to’lqindir deb faraz qilishgan. Ammo ko’ndalang elastik to’lqinlar faqat qattiq jismda bo’lishi mumkin, shuning uchun efirni elastik qattiq jism xossalariga ega bo’ladi, deb hisoblashga to’g’ri keldi. Cheksiz qattiq jismda ko’ndalang elastik to’lqinlarning tarqalish tezligi quyidagi munosabatdan aniqlanadi:
(1.1)
Bu yerda N – siljish moduli, ρ – zichlik. Astronomik kuzatishlarga qaraganda, efir sayyoralarning qattiq jismi harakatiga qarshilik ko’rsatmaganligi uchun zichlik nihoyatda kichik bo’lishi kerak; c ning qiymatini keraklicha qilib olish uchun ayni vaqtda N ning qiymati katta bo’ladi, deb hisoblash zarur. Turli muhitlarda yorug’lik tezligining turlicha bo’lish sababini ochib berish uchun turli moddalarda efirning xossalari turlicha bo’ladi, deb hisoblashga, anizotrop moddalar uchun esa yanada murakkab farazlar qilishga to’g’ri keldi.
Biroq M.Faradey optil hodisalar yakkalangan jarayonlar emasligini va , xususan, optik hodisalar bilan magnit hodisalari orasida aloqa borligini isbot qildi. 1846 yilda M.Faradey qutblanish tekisligining magnit maydonida burilish hodisasinikashf qildi. Ikkinchi tomondan, boshqa bir ajoyib fakt ham topildi: tok kuchining elektromagnit birligining elektrostatik birligiga nisbati 3·10⁸ m/s ga, ya’ni yorug’lik tezligigs teng ekan (Veber va Kol’raush, 1856 y.). Hihoyat J.Maksvellning nazariy tadqiqotlari elektromagnit maydon o’zgarishlari fazoda ma’lum bir joyda qolmasdan, balki vakuumda tokning elektromagnit va elektrostatik birliklari nisbatiga, ya’ni yorug’lik tezligiga teng tezlik bilan tarqalishini ko’rsatdi. Bu xulosa keyinchalik G.Gers (1888 y.) tajribalarida tasdiqlandi. O’z tadqiqotlari asosida J.Maksvell (1865 y.) yorug’lik elektromagnit hodisadir, degan xulosaga keldi.
Yorug’likning to’lqin nazariyasi rivojlanishi bilan baravar efir tushunchasi ham taraqqiy qila boradi. Gyuygens tasavvurida efir tushunchasi hali ancha mujmal va noaniq; M.V.Lomonosov efirning imkoniy harakatlarining turli (ilgarilanma, aylanma va tebranma) tipini tekshirib, uni aniqlashtirish va chuqurlashtirishga urinadi, bunda Lomonosov yorug’likni efirning tebranma harakati tarqalishi deb hisoblaydi.
Yorug’lik haqidagi to’lqin tasavvurlar XVIII asrda Eyler ishlarida eng katta rivoj topdi. Eylerning fikricha, tovush havo tebranishlaridan iborat bo’lganidek, yorug’lik efir tebranishlaridan iborat, bunda uning turli ranglariga turli chastotali tebranishlar mos keladi. Eyler yorug’lik tezligini tovush tezligi bilan taqqoslab, efir “odatdagi havoga qaraganda ancha ko’p marta nozik va elastik” substansiya deb tasdiqladi.Lomonosov kabi Eyler ham barcha elektr hodisalarining manbai o’sha yorug’lik tashuvchi efirning o’zidir, degan fikrni aytdi.
Lomonosov-Eyler efiridan farqli ravishda, Frenel-Yung efiri (XIX asr boshi) faqat optik hodisalarni talqin qildi. Bir oz keyinroq Faradey elektr va magnit o’zaro ta’sirlarini izohlash uchun faraziy moddiy muhit tushunchasini kiritdi, bu muhitning holati (elastik taranglanishi) zaryadlar orasidagi va toklar orasidagi bo’ladigan va tajribada kuzatiladigan o’zaro ta’sir effektlari sababini ochib berishi kerak edi. Yorug’likning elektromagnit tabiati to’g’risida Maksvell g’oyalari yorug’lik tashuvchi va elektromagnit efirlarni birlashtirish, ularni barcha elektromagnit hodisalar tashuvchisi qilish imkonini berdi. Elektromagnit maydon vujudga kelishi, shuningdek, uning tarqalishi nuqtadan nuqtaga muayyan tezlik bilan tarqala oladigan efir holatining o’zgarishi tarzida tasavvur qilinar edi.
Harakatlanayotgan muhitlar elektrodinamikasining yanada rivojlanishi quyidagi tasavvurga olib keldi: efir barcha jismlar ichiga kiradi, ammo bu jismlar harakat qilganida u harakatsiz qolaveradi (Lorents). Shunday qilib, efirning fizik xarakteristikalari tobora kamroq real (haqiqiy) bo’la boradi. Lorents (XIX asrning oxirgi yillari) tasavvurida efir cheksiz va harakatsiz muhit bo’lib, uning yagona xarakteristikasi faqat unda elektromagnit g’alayonlarning va xususan, yorug’likning muayyan tezlik (c=2,998·10⁸ m/s) bilan tarqalishidir.
Harakatsiz efir tasavvuriga tayangan Lorentsning elektron nazariyasidan kelib chiqadigan qiyinchiliklar bilan bir qatorda bu nazariyaning boshqa qiyinchiliklari ham ma’lum bo’ldi. Bu nazariya yorug’lik bilan moddaning o’zaro ta’siriga tegishli hodisalarning ko’p xususiyatlarini izohlab bera olmadi. Jumladan, cho’g’langan qora jism nurlanishida energiyaning to’lqin uzunliklar bo’yicha taqsimlanishi masalasi qanoatlanarli hal qilinmadi. Yig’lib qolgan qiyinchiliklar M.Plankni kvantlar nazariyasini (1900 y.) tavsiflashga majbur qildi, bu nazariya moddaning molekulyar tuzilishi haqidagi ta’limotdan olingan uziqlik (diskretlik) g’oyasini elektromagnit jarayonlarga, jumladan, yorug’lik chiqarish jarayoniga ham tadbiq qiladi. Kvantlar nazariyasi qizigan jismlarning yorug’lik chiqarish masalalaridagi qiyinchiliklarni bartarf qildi; yorug’lik va moddaning kvantlar nuqtai nazaridan talqin qilmasdan turib tushunib bo’lmaydigan o’zaro ta’siri muammosi yangicha qo’yildi. Birtalay optik hodisalar, jumladan fotoelektr effekti va yorug’lik sochilishi masalalari birinchi o’ringa yorug’likning korpuskulyar xususiyatlarini chiqardi. Atom va molekulalarning tuzilishi to’g’risidagi hozirgi zamon ta’limoti asosi bo’lib qolgan kvantlar nazariyasi hozir ham rivojlanib bormoqda.
Optikaning yetakchi nazariyalari taraqqiyotining qisqacha bayon qilingan manzarasi yorug’lik tabiati to’g’risidagi (birinchi qarashda bir-birini istisno qiladigan) tasavvurning, ya’ni to’lqin va korpuskulyar tasavvurning kurashi optika tarixida qanday o’rin tutganini ko’rsatadi.
Birinchi davrda (Nyuton-Gyuygens, XIX asr boshigacha) bu tasavvurlarning qarama-qarshi qo’yilishi bir-birini istisni qilish xarakteriga ega edi va ilmiy rivojlanish bu qarama-qarshilikni chuqurlashtirib, ularning tabiatini ravshanroq tushunish imkoniyatini beradigan eksperimental baza qidirish va rivojlangan nazariya yaratishdan iborat edi. Ikkinchi davr, ya’ni Frenel-Yungdan to yorug’lik kvantlari tasavvuri paydo bo’lguncha (1905 y.) o’tgan davr korpuskulyar go’yo uzil-kesil yengib chiqqan to’lqin tasavvurlarning har taraflama rivojlanish davri bo’ldi. Undan keyingi davr eksperimental metodlar rivojlanishi tufayli ochilgan yangi, nozik eksperimental faktlarni jamg’arishdan iborat; ayni vaqtda kvantlar nazariyasi yaratilishi bilan bog’liq bo’lgan yanada chuqurroq nazariy tasavvurlar rivojlana bordi. Bu davrda faqat barqaror to’lqin tasavvurlar bilan bir qatorda korpuskulyar qarashlar asoslanibgina qolmasdan, balki korpuskulyar va to’lqin tasavvurlar muvaffaqiyatli ravishda sintez qilib ko’rildi.
Optika taraqqiyotining XX asrning 60 yilidan boshlanadi deb hisoblanishi mumkin bo’lgan hozirgi bosqichi yangi, juda ham o’ziga xos xususiyatlarga ega. Yorug’likning barcha optik hodisalarni tushuntirish uchun asos bolib xizmat qilayotgan fundamental xossalari – to’lqin, kvant xossalari, uning elektromagnit tabiati borgan sari xilma-xil va chuqur tasdiqlanmoqda va qo’llanmoqda. Ammo bu hodisalar doirasi beqiyos kengaydi. XX asr o’rtalarida yuqori darajada monoxromatik va yo’naltirilgan yorug’lik chiqaradigan manbalar – optik kvant generatorlari (lazerlar) yaratildi. Lazer nurlanishi tarqalishi va modda bilan o’zaro ta’siri ko’p hollarda odatdagi manbalar holidagiga nisbatan mutlaqo boshqacha sharoitda sodir bo’ladi, hamda konkret hodisalar ilgari ma’lum bo’lmagan mutlaqo yangi xususiyatlarga ega bo’ladi. Bular qaytish, sinish, difraksiya, sochilish, yutilish va boshqa asosiy optik hodisalarga tegishlidir.
Yorug’lik tabiati to’g’risidagi keyingi tadqiqotlar A.Eynshteyn, N.Bor, Zommerfeld, A.Kompton, L.D.Broyl, Raman, P.Cherenkov, I.Tamm, N.Basov, A.Proxorov, Ch.Tauns va boshqa olimlarning nomlari bilan bog’liqdir.
O’rta Osiyolik olimlar va mutafakkirlardan Forobiy, Xorazmiy, Beruniy, Ulug’bek, Ali Qushchi asarlarida optikaga doir ilmiy maqolalar uchraydi. Hozirgi davrda Respublikamizda optika va spektroskopiya sohasida akademiklar P.K.Xabibullaev, R.B.Bekjonov, A.K.Otaxo’jaev, K.M.Muqimovlar yaratgan ilmiy maktablarda samarali ishlar amalga oshirilmoqda.