Реферат: Развитие взглядов на природу света. Явление интерференции света

Развитие взглядов на природу света. Явление интерференции света

ОГЛАВЛЕНИЕ

РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА

Два способа передачи взаимодействий

Корпускулярная и волновая теории света

ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА

Сложение двух монохроматических волн

Условия максимумов и минимумов интерференционной картины

Интерференционная картина

Почему световые волны от двух источников не когерентны

Идея Огюстена Френеля

Бипризма Френеля

Размеры источников света

Длина световой волны

Длина световой волны и цвет воспринимаемого глазом света

ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ

Идея Томаса Юнга

Локализация интерференционных полос

КОЛЬЦА НЬЮТОНА

Изменение длины волны в веществе

Почему плёнки должны быть тонкими

НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Эксперимент Майкельсона

Проверка качества обработки поверхностей

Просветление оптики

Интерференционный микроскоп

Звёздный интерферометр

Радиоинтерферометр

Список литературы

РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА

Первые представления древних учёных о том, что такое свет, были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Останавливаться подробно на подобных воззрениях, разумеется, нет нужды, но отследить вкратце за развитием научных представлений о том, что такое свет, следует.

Два способа передачи взаимодействий

От источника свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, свет вызывает зрительные ощущения - мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника света) к другому телу (приёмнику света).

Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами: либо посредством переноса вещества от источника к приёмнику, либо посредством изменения состояния окружающей среды, в которой находятся тела, т.е. без переноса вещества.

Можно, например, заставить зазвенеть колокольчик, находящийся на некотором удалении, удачно попав в него шариком. Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе: привязать шнур к язычку колокольчика и заставить колокольчик звенеть, посылая по шнуру волны, раскачивающие его язычок. В этом случае переноса вещества не происходит. По шнуру распространяются волны, т.е. изменяется форма шнура. Таким образом, действие от одного тела к другому может передаваться и посредством волн.

Корпускулярная и волновая теории света

В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приёмнику возникли и начали развиваться две, совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причём возникли они почти одновременно в XVII веке. Одна из этих теорий связана с именем английского физика Исаака Ньютона, а другая - с именем голландского физика Христиана Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной (от латинского слова korpusculum - частица) теории света, согласно которой свет - это поток частиц, распространяющихся от источника во все стороны (т.е. перенос вещества). Согласно же представлениям Гюйгенса, свет - это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем во внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство учёных отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время экспериментально открытые законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями. На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят сквозь друг друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопределённое положение относительно природы света длилось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибание светом препятствий) и интерференции света (усиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присущи исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда английский физик Джеймс Клерк Максвелл во второй половине XIX века доказал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения в конце XIX века электромагнитных волн немецким физиком Генрихом Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведёт себя как волна, не осталось. Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория всё же имеет отношение к действительности.

Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц. Были обнаружены прерывистые, или, как говорят физики, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения можно было объяснить, согласившись с тем, что свет - это поток частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой физической теории - квантовой электродинамике. С течением времени выяснилось, что двойственность свойств, присуща не только свету, а и любой другой форме материи. Итак, для того чтобы быть уверенным в том, что свет имеет волновую природу, необходимо найти экспериментальные доказательства интерференции и дифракции света.

ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА

Известно, что для наблюдений интерференции поперечных механических волн на поверхности воды использовались два источника волн (например, два шарика, закреплённых на колеблющемся коромысле). Получить же интерференционную картину (чередование минимумов и максимумов освещённости) с помощью двух естественных независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение же ещё одной лампочки лишь увеличивает освещённость освещаемой поверхности. Выясним, в чём причина этого.

Сложение двух монохроматических волн

Посмотрим, что получится в результате сложения двух бегущих волн с одинаковыми частотами колебаний . Известно, что гармонические световые волны называются монохроматическими (Впоследствии мы увидим, что цвет определяется частотой волны (или её длиной), поэтому гармоническая волна может быть названа монохроматической (т.е. одноцветной)). Пусть эти волны распространяются от двух точечных источников S₁ и S₂ , находящихся на расстоянии  друг от друга. Результат сложения волн будем рассматривать на расстоянии  от источников, много большем  (т.е. ). Экран, на который падают световые волны, расположим параллельно линии, соединяющей источники (смотри рисунок 1).

Световая волна - это, согласно электромагнитной теории света, электромагнитная волна. В электромагнитной, волне, распространяющейся в вакууме, напряжённость электрического поля  по модулю, в системе Гаусса, равна магнитной индукции . Мы рассмотрим сложение волн напряжённости электрического поля. Впрочем, уравнение бегущей волны имеет одну и ту же форму для волн любой физической природы.

Итак, источники S₁ и S₂ испускают две сферические монохроматические волны. Амплитуды этих волн убывают с расстоянием . Однако если мы будем рассматривать сложение волн на расстояниях r₁ и r₂ от источников, много больших расстояния  между источниками (т.е.  и ), то амплитуды от обоих источников можно считать равными.

Волны, пришедшие от источников S₁ и S₂ в точку А экрана, имеют приблизительно одинаковые амплитуды  и одинаковые частоты ω колебаний. В общем случае начальные фазы колебаний в источниках волн могут различаться. Уравнение бегущей сферической волны в общем случае можно записать так:

,

где φ₀ - начальная фаза колебаний в источнике ().

При сложении двух волн в точке А возникает результирующее гармоническое колебание напряжённости:

Здесь мы считаем, что колебания напряжённостей  и  происходят вдоль одной прямой. Обозначим через:

 - начальную фазу колебаний первой волны в точке А, а через:  - начальную фазу колебаний второй волны в этой же точке. Тогда:

для разности фаз получим выражение:

Амплитуда результирующих колебаний напряжённости в точке А равна:

Известно что, интенсивность излучения I прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний напряжённости, значит для одной волны: I~E , а для результирующих колебаний: I~E . Поэтому для интенсивности волны в точке А имеем:

 (1)

Условия максимумов и минимумов интерференционной картины

Интенсивность света в данной точке пространства определяется разностью фаз колебаний φ₁ - φ₂. Если колебания источников синфазны, то φ₀₁ - φ₀₂ = 0 и:

 (2)

Разность фаз определяется разностью расстояний от источников до точки наблюдения . Напомним, что разность расстояний называется разностью хода интерферирующих волн от их источников. В тех точках пространства, для которых выполняется следующее условие:

, k=0, 1, 2… (3)

волны, складываясь, усиливают друг друга, и результирующая интенсивность в 4 раза превосходит интенсивность каждой из волн. Напротив, при:

 (4)

волны гасят друг друга (I = 0).

В результате в пространстве возникает интерференционная картина, представляющая собой чередование максимумов и минимумов интенсивности света, а значит, и освещённости экрана. Условия интерференционных максимумов (смотри формулу 3) и минимумов (смотри формулу 4) точно такие же, как и в случае интерференции механических волн.

Интерференционная картина

Если через источники провести какую либо плоскость, то максимум интенсивности будет наблюдаться в точках плоскости, удовлетворяющих условию:

При вращении гиперболы вокруг оси, проходящей через источники S₁ и S₂ , получаются две поверхности, образующие двух полостной гиперболоид вращения (смотри рисунок 2), когда различным значениям k соответствуют различные гиперболоиды. Интерференционная картина на экране зависит от расположения экрана. Форма интерференционных полос задаётся линиями пересечения плоскости экрана с этими гиперболоидами. Если экран А перпендикулярен линии l, соединяющей источники света S₁ и S₂ (смотри рисунок 2), то интерференционные полосы имеют форму окружностей. Если же экран В расположен параллельно линии, соединяющей источники света S₁ и S₂ , то интерференционные полосы будут гиперболами. Но эти гиперболы при большом расстоянии D между источниками света и экраном вблизи точки О приближённо можно рассматривать как отрезки параллельных прямых.

Найдём распределение интенсивности света на экране (смотри рисунок 1) вдоль прямой MN, параллельной линии S₁S₂ . Для этого найдём зависимость разности фаз (смотри формулу 2) от расстояния: h=OA. Применяя теорему Пифагора к треугольникам  и , получим:

Вычитая почленно из первого равенства второе, найдём:

 или

Считая l<<D, приближённо будем иметь  и, следовательно:

Интенсивность света (смотри формулу 1) меняется с изменением h:

 (5)

График этой функции показан (смотри рисунок 3). Интенсивность меняется периодически и достигает максимумов при условии:

, k=0, 1, 2,… (6)

Величина h_k определяет положение максимума номера k.

Расстояние между соседними максимумами:

 (7)

Оно прямо пропорционально длине световой волны λ и тем больше, чем меньше расстояние l между источниками света по сравнению с расстоянием D до экрана.

В действительности интенсивность не будет неизменной при переходе от одного интерференционного максимума к другому интерференционному максимуму и не остаётся постоянной вдоль одной интерференционной полосы. Дело в том, что амплитуды световых волн от источников света S₁ и S₂ равны точно, только в точке О. В других точках они равны, лишь, приблизительно.