Глава 1. Світлові хвилі - Урок 7. Інтерференція світла


Повернутися до списку

Якщо світло являє собою потік хвиль, то повинно спостерігатися явище інтерференції світла. Однак отримати інтерференційну картину (чергування максимумів і мінімумів освітленості) за допомогою двох незалежних джерел світла, наприклад двох електричних лампочок, неможливо. Включення ще однієї лампочки лише збільшує освітленість поверхні, але не створює чергування мінімумів і максимумів освітленості.

З'ясуємо, в чому причина цього і за яких умов можна спостерігати інтерференцію світла.

Томас Юнг (1773 - 1829), англійський фізик, один з творців хвильової оптики. До 14 років вивчив диференціальне числення, багато мов, володів токарним ремеслом, майстрував різні прилади. Вивчав медицину, зоологію, математику, філологію (намагався розшифрувати тексти Розеттського каменю), геофизику, керував виданням "Морського календаря" і т.д. Найбільш фундаментальні праці - з фізики, зокрема з оптики і акустиці. Виступив на захист хвильової природи світла, запропонував (1801) принцип суперпозиції (складання) світлових хвиль, пояснив з цих позицій інтерференцію, дифракцію, виміряв довжини хвиль світла різних кольорів. Висунув ідею поперечности світлових хвиль (1817). Досліджував деформацію зсуву, ввів модуль пружності (модуль Юнга).

Умова когерентності світлових хвиль

Причина полягає в тому, що світлові хвилі, які випромінює різними джерелами, не узгоджені між собою. Для отримання ж стійкою інтерференційної картини потрібні узгоджені хвилі. Вони повинні мати однакові довжини хвиль і постійну різницю фаз в будь-якій точці простору. Нагадаємо, що такі узгоджені хвилі з однаковими довжинами хвиль і постійною різницею фаз називаються когерентним.

Майже точного рівності довжин хвиль від двох джерел домогтися неважко. Для цього досить використовувати хороші світлофільтри, що пропускають світло в дуже вузькому інтервалі довжин хвиль. Але неможливо здійснити сталість різниці фаз від двох незалежних джерел. Атоми джерел випромінюють світло незалежно один від одного окремими «обривками» (цугамі) синусоїдальних хвиль, що мають довжину близько метра. І такі цуги хвиль від обох джерел накладаються один на одного. В результаті амплітуда коливань в будь-якій точці простору хаотично змінюється з часом в залежності від того, як в даний момент часу цуги хвиль від різних джерел зрушені один щодо одного по фазі. Хвилі від різних джерел світла некогерентного через те, що різниця фаз хвиль не залишається постійною (виняток становлять квантові джерела світла - лазери, створені в 1960 р). Ніякої стійкої картини з певним розподілом максимумів і мінімумів освітленості в просторі не спостерігається.

Інтерференція в тонких плівках

Проте інтерференцію світла вдається спостерігати. Курйоз полягає в тому. що її спостерігали дуже давно, але тільки не віддавали собі в цьому звіту.

Ви теж багато раз бачили интерференционную картину, коли в дитинстві розважалися пускання мильних бульбашок або спостерігали за райдужним переливом кольорів тонкої плівки гасу або нафти на поверхні води. «Мильна бульбашка, кручена в повітрі ... запалюється усіма відтінками кольорів, властивими навколишніх предметів. Мильна бульбашка. мабуть, саме вишукане диво природи »(Марк Твен). Саме інтерференція світла робить мильний міхур настільки гідним захоплення.

Англійський учений Томас Юнг першим прийшов до геніальної думки про можливість пояснення кольорів тонких плівок складанням хвиль 1 і 2 (рис. 22), одна з яких (1) відбивається від зовнішньої поверхні плівки, а друга (2) - від внутрішньої. При цьому відбувається інтерференція світлових хвиль - додавання двох хвиль, внаслідок якого спостерігається стійка в часі картина підсилення або ослаблення результуючих світлових коливань в різних точках простору. Результат інтерференції (посилення або ослаблення результуючих коливань) залежить від кута падіння світла на плівку, її товщини і довжини хвилі. Посилення світла відбудеться в тому випадку, якщо заломлена хвиля 2 відстане від відбитої хвилі 1 на ціле число довжин хвиль. Якщо ж друга хвиля відстане від першої на половину довжини хвилі або на непарне число півхвиль, то відбудеться послаблення світла.

Мал. 22

Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої і внутрішньої поверхонь плівки, забезпечується тим, що вони є частинами одного і того ж світлового пучка. Цуг хвиль від кожного випромінює атома розділяється плівкою на два, а потім ці частини зводяться разом і інтерферують.

Юнг також зрозумів, що різниця в кольорі пов'язано з різницею в довжині хвилі (або частоти світлових хвиль). Світловим пучків різного кольору відповідають хвилі різної довжини. Для взаємного посилення хвиль, що відрізняються один від одного довжиною (кути падіння передбачаються однаковими), потрібна різна товщина плівки. Отже, якщо плівка має неоднакову товщину, то при освітленні її білим світлом повинні з'явитися різні кольори.

кільця Ньютона

Проста інтерференційна картина виникає в тонкому прошарку повітря між скляною пластиною і покладеної на неї плоско-опуклою лінзою, сферична поверхня якої має великий радіус кривизни. Ця інтерференційна картина має вигляд концентричних кілець, які отримали назву кільця Ньютона.

Візьміть плоско-опуклу лінзу з малою кривизною сферичної поверхні і покладіть її на скляну пластину. Уважно роздивляючись плоску поверхню лінзи (краще через лупу), ви виявите в місці зіткнення лінзи і пластини темна пляма і навколо нього сукупність маленьких райдужних кілець. Відстані між сусідніми кільцями швидко зменшуються зі збільшенням їх радіусу (рис. III, 1). Це і є кільця Ньютона. Ньютон спостерігав і досліджував їх не тільки в білому світі, але і при освітленні лінзи одноколірним (монохроматичним) пучком. Виявилося, що радіуси кілець одного і того ж порядкового номера збільшуються при переході від фіолетового кінця спектра до червоного; червоні кільця мають максимальний радіус (рис. III, 2 і 3). Все це ви можете перевірити за допомогою самостійних спостережень.

Мал. III. Кільця Ньютона у відбитому світлі: 1 - в білому; 2 - в зеленому; 3 - в червоному.

Задовільно пояснити, чому виникають кільця, Ньютон не зміг. Вдалося це Юнгом. Простежимо за ходом його міркувань. В їх основі лежить припущення про те, що світло - це хвилі. Розглянемо випадок, коли хвиля певної довжини падає майже перпендикулярно на плоско-опуклу лінзу (рис. 23). Хвиля 1 з'являється в результаті відображення від опуклої поверхні лінзи на кордоні скло-повітря, а хвиля 2 - в результаті відображення від пластини на кордоні повітря-скло. Ці хвилі когерентні: вони мають однакову довжину і постійну різницю фаз, яка виникає через те, що хвиля 2 проходить більший шлях, ніж хвиля 1. Якщо друга хвиля відстає від першої на ціле число довжин хвиль, то, складаючись, хвилі підсилюють одна одну. Викликані ними коливання відбуваються в одній фазі.

Мал. 23.

Навпаки, якщо друга хвиля відстає від першої на непарне число півхвиль, то коливання, викликані ними, будуть відбуватися в протилежних фазах і хвилі гасять один одного.

Якщо відомий радіус кривизни R поверхні лінзи, то можна обчислити, на яких відстанях від точки дотику лінзи зі скляною пластиною різниці ходу такі, що хвилі певної довжини l, гасять один одного. Ці відстані і є радіусами темних кілець Ньютона. Адже лінії постійної товщини повітряного прошарку є окружності. Вимірявши радіуси кілець, можна обчислити довжини хвиль.

Довжина світлової хвилі

Для червоного світла вимірювання дають l кр = 8 × 10-7 м, а для фіолетового - l ф = 4 × 10-7 м. Довжини хвиль, відповідні іншим кольорам спектру, беруть проміжні значення. Для будь-якого кольору довжина світлової хвилі дуже мала. Уявіть собі середню морську хвилю довжиною в кілька метрів, яка збільшилася настільки, що зайняла весь Атлантичний океан від берегів Америки до Європи. Довжина світлової хвилі в тому ж збільшенні лише ненабагато перевищила б ширину цієї сторінки.

Явище інтерференції не тільки доводить наявність у світла хвильових властивостей, але і дозволяє виміряти довжину хвилі. Подібно до того, як висота звуку визначається його частотою, колір світла визначається частотою коливань або довжиною хвилі.

Поза нас в природі немає ніяких фарб, є лише хвилі різної довжини. Око - складний фізичний прилад, здатний виявляти відмінність в кольорі, якому відповідав би вельми незначна (близько 10-6 см) різниця в довжині світлових хвиль. Цікаво, що більшість тварин не здатні розрізняти кольори. Вони завжди бачать лише чорно-білу картину. Чи не розрізняють кольори також дальтоніки - люди, які страждають колірною сліпотою.

При переході світла з одного середовища в іншу довжина хвилі змінюється. Це можна виявити так. Заповнимо водою або інший прозорою рідиною з показником заломлення n повітряний прошарок між лінзою і пластиною. Радіуси інтерференційних кілець зменшаться.

Чому це відбувається? Ми знаємо, що при переході світла з вакууму в якусь середу швидкість світла зменшується в n раз. Так як u = ln, то при цьому повинна зменшитися в n раз або частота, або довжина хвилі. Але радіуси кілець залежить від довжини хвилі. Отже, коли світло входить в середу, змінюється в n раз саме довжина хвилі, а не частота.

Інтерференція електромагнітних хвиль

На дослідах з генератором НВЧ можна спостерігати інтерференцію електромагнітних (радіо) хвиль.

Генератор і приймач мають у своєму розпорядженні один проти одного (рис. 24). Потім підводять знизу металеву пластину в горизонтальному положенні. Поступово піднімаючи пластину, виявляють почергове послаблення н посилення звуку.

Рис.24.

Явище пояснюється наступним чином. Частина хвилі з рупора генератора безпосередньо потрапляє в приймальний рупор. Інша ж її частина відбивається від металевої пластини. Змінюючи розташування пластини, ми змінюємо різниця ходу прямої і відбитої хвиль. Внаслідок цього хвилі або посилюють, або послаблюють одна одну в залежності від того, дорівнює чи різниця ходу цілому числу довжин хвиль або непарному числу півхвиль.

Спостереження інтерференції світла доводить, що світло при поширенні виявляє хвильові властивості. Інтерференційні досліди дозволяють виміряти довжину світлової хвилі: вона дуже мала - від 4 × 10-7 до 8 × 10-7 м.

? 1. Як отримують когерентні світлові хвилі? 2. В чому полягає явище інтерференції світла? 3. З якою фізичною характеристикою світлових хвиль пов'язане відмінність в кольорі? 4. Після удару каменем по прозорому льоду виникають тріщини, що переливаються всіма кольорами веселки. Чому? 5. Довжина хвилі у воді зменшується в n раз (n - показник заломлення води щодо повітря). Чи означає це, що нирець під водою не може бачити навколишні предмети в природному світлі?


формули з математики , лінійна алгебра і геометрія Чому це відбувається?
Чому?
Чи означає це, що нирець під водою не може бачити навколишні предмети в природному світлі?

Новости