Реферат: Развитие взглядов на природу света. Явление интерференции света

Как и в случае механических волн, образование интерференционной картины не означает превращение световой в какие - либо другие формы. Она только перераспределяется в пространстве. Среднее значение суммарной интенсивности света равно сумме интенсивностей от двух источников света. Действительно, среднее значение интенсивности света по всей длине интерференционной картины (смотри формулу 5) равно 2I₀ , так как среднее значение косинуса при всевозможных значениях аргумента в зависимости от h равно нулю.

Почему световые волны от двух источников не когерентны

Интерференционная картина от двух источников, которую мы описали, возникает только при сложении монохроматических волн одинаковых частот. У монохроматических волн разность фаз колебаний в любой точке пространства постоянна. Волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз называются когерентными. Только когерентные волны, налагаясь друг на друга, дают устойчивую интерференционную картину с неизменным расположением в пространстве максимумов и минимумов колебаний. Световые же волны от двух независимых источников не являются когерентными.

Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (т.е. цугами) синусоидальных волн. Длительность непрерывного излучения атома около 10^-8 секунд. За это время свет проходит путь длиной около 3м (смотри рисунок 4).

Эти цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. Разность фаз колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги от различных источников сдвинуты друг относительно друга. Волны от различных источников света не когерентны из-за того, что разность начальных фаз не остаётся постоянной (исключение составляют квантовые генераторы света - лазеры, созданные в 1960 году). Фазы φ₀₁ и φ₀₂ меняются случайным образом, и из-за этого случайным образом меняется разность фаз результирующих колебаний в любой точке пространства.

При случайных «обрывах» и «возникновениях» колебаний разность фаз меняется беспорядочно, принимая за время наблюдения всевозможные значения от 0 до 2π. В результате за время τ, много большее времени нерегулярных изменений фазы (порядка 10^-8 секунд), среднее значение соs(φ₁-φ₂) в формуле для интенсивности (смотри формулу 1) равно нулю. Интенсивность света оказывается равной сумме интенсивностей от отдельных источников, и никакой интерференционной картины наблюдаться не будет.

В некогерентности световых волн заключается главная причина того, что свет от двух источников не даёт интерференционной картины. Это главная, но не единственная причина. Другая причина заключается в том, что длина световой волны, как мы скоро увидим, очень и очень мала. Это сильно затрудняет наблюдение интерференции, если даже располагать когерентными источниками волн. Итак, для того чтобы при наложении световых волн наблюдалась устойчивая интерференционная картина, необходимо, чтобы световые волны были когерентны, т.е. имели одинаковую длину волны и постоянную разность фаз.

Идея Огюстена Френеля

Для получения когерентных источников света французский физик Огюстен Френель нашёл в 1815 году простой и остроумный способ. Надо свет от одного источника разделить на два пучка и, заставив их пройти различные пути, свести вместе. Тогда цуг волн, испущенных отдельным атомом, разделится на два когерентных цуга. Так будет для цугов волн, испускаемых каждым атомом источника. Свет, испускаемый одним атомом, даёт определённую интерференционную картину. При наложении этих картин друг на друга получается достаточно интенсивное распределение освещённости на экране: интерференционную картину можно наблюдать.

Имеется много способов получения когерентных источников света, но суть их одинакова. С помощью разделения пучка на две части получают два мнимых источника света, дающих когерентные волны. Для этого используют два зеркала (бизеркала Френеля), бипризму Френеля (две призмы, сложенные основаниями), билинзу (разрезанную пополам линзу с раздвинутыми половинками) и многое другое. А сейчас мы подробно рассмотрим одно из устройств.

Бипризма Френеля

Бипризма Френеля состоит из двух призм с малыми преломляющими углами, сложенных вместе (смотри рисунок 5). Свет от источника S падает на верхние грани бипризмы, и после преломления возникают два световых пучка.

Продолжения, преломлённых верхней и нижней призмами, лучей в обратном направлении пересекаются в двух точках S₁ и S₂ , представляющих собой мнимые изображения источника S. При малых значениях преломляющих углов θ призмы источник и его оба мнимых изображения лежат практически в одной плоскости. Волны в обоих пучках когерентны, так как фактически они испущены одним и тем же источником.

Оба пучка налагаются друг на друга и интерферируют. Возникает интерференционная картина, описанная ранее.

Очень наглядным доказательством того, что мы имеем дело именно с интерференцией, служит простое изменение эксперимента. Если одну половинку бипризмы прикрыть непрозрачным экраном, то интерференционная картина исчезает, так как наложения волн не происходит. Расстояния между интерференционными полосами (смотри формулу 7) зависит от длины интерферирующих волн λ, расстояния b от бипризмы до экрана расстояния l между мнимыми источниками света. Вычислим это расстояние.

Для вычисления l проще всего рассмотреть ход луча, падающего на призму нормально (т.е. перпендикулярно к её поверхности). Такого луча в действительности нет, но его можно построить, мысленно продолжив преломляющую грань призмы (смотри рисунок 6). Продолжения всех лучей, падающих на грань призмы, пересекаются в точке S₁ - мнимом источнике. Как видно из рисунка,  и , где а - расстояние от источника до бипризмы. Согласно закону преломления для малых углов: . (Углы малы при малом преломляющем угле призмы и при а, много большем размеров бипризмы.)

Расстояние:

Расстояние между интерферирующими полосами (смотри формулу 8) равно:

 (8)

где b - расстояние от бипризмы до экрана.

Таким образом, чем меньше преломляющий угол призмы θ, тем больше расстояние между интерференционными максимумами. Соответственно интерференционную картину легче наблюдать. Именно поэтому бипризма должна иметь малые преломляющие углы.

Размеры источников света

Для наблюдения интерференции с помощью бипризмы и подобных ей устройств геометрические размеры источника света должны быть малы. Дело в том, что группы атомов левой, к примеру, части источника, дают свою интерференционную картину, а правой - свою. Эти картины смещены друг относительно друга (смотри рисунок 7).

При больших размерах источника света максимумы одной интерференционной картины совпадут с минимумами другой интерференционной картины и в результате интерференционная картина «размажется» (т.е. освещённость экрана станет равномерной).

Длина световой волны

Интерференционная картина позволяет определить длину световой волны. Это можно сделать, в частности, в экспериментах с бипризмой. Зная расстояния а и b, а также преломляющий угол бипризмы θ и её показатель преломления n, измеряя расстояния между интерференционными максимумами Δh, можно рассчитать длину световой волны (смотри формулу 8). При освещении бипризмы белым светом только центральный максимум остаётся белым, а все остальные максимумы имеют «радужную» окраску. Ближе к центру интерференционной картины появляется фиолетовая окраска, а дальше центра интерференционной картины появляется красная окраска. Это означает (смотри формулу 6), что длина световой волны, воспринимаемой глазом как красный цвет, максимальна, а длина световой волны, воспринимаемой глазом как фиолетовый цвет, минимальна. Расстояние интерференционного максимума от центра:

интерференционной картины можно рассчитать по следующей формуле:h = k D/L

Лишь при k=0, h_k=0 для всех длин волн, поэтому «нулевой» максимум не «радужный», а белый. Зависимость цвета воспринимаемого глазом света от длины световой волны легко обнаружить, помещая на пути белого света, падающего на бипризму, различные светофильтры. Расстояния между максимумами для лучей красного света больше, чем для лучей жёлтого света, чем для лучей зелёного света и всех других цветов лучей. Измерения дают для света красного цвета  метров, а для света фиолетового цвета  метров. Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, имеют промежуточные, вышеупомянутым длинам световых волн, значения.

Для любого цвета длина световой волны очень и очень мала. Некоторое наглядное представление о длине световой волны можно получить из следующего сравнения. Если бы морская волна, длиной в несколько метров, увеличилась бы во столько же раз, во сколько раз надо было бы увеличить длину световой волны, для того чтобы она сравнялась бы с шириной данного отчёта по моей курсовой работе, то на всём Атлантическом океане (от Нью-Йорка в США до Лиссабона в Португалии) уместилась бы только одна морская волна. Но всё же длина световых примерно в тысячу раз больше диаметра одного атома, который приблизительно равен м.

Длина световой волны и цвет воспринимаемого глазом света

Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину световой волны. Одновременно выясняется, что подобно тому, как высота звука, воспринимаемого ухом, определяется частотой распространяющихся механических колебаний, цвет света, воспринимаемого глазом, определяется частотой распространяющихся электромагнитных колебаний, принадлежащих диапазону «Видимый свет». Зная, от какой физической характеристики световой волны зависит цветовое восприятие света, можно дать более глубокое определение явлению дисперсии света. Дисперсией следует называть зависимость показателя преломления оптически прозрачной среды не от цвета, распространяющегося света, а от частоты распространяющихся электромагнитных колебаний.

Вне нас в природе нет никаких красок, есть лишь электромагнитные колебания различной частоты, распространяющиеся в виде электромагнитных волн различной длины. Глаз - это сложный физический прибор, способный различать незначительную (около 10^-6см) разницу в длине световых волн. Интересно, что большинство животных, в том числе и собаки, неспособны различать цвета, а различают лишь интенсивность света, т.е. они видят чёрно-белую картину, как в не цветном кинофильме или на экране не цветного телевизора. Не различают цвета также люди-дальтоники, страдающие цветовой слепотой.

ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ

Итак, Френель придумал метод получения когерентных волн для наблюдения явления интерференции света. Однако не он первым наблюдал явление интерференции и не он открыл для человечества явление интерференции света. Некоторый курьёз состоял в том, что явление интерференции света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчёта. Многим множество раз приходилось наблюдать интерференционную картину, когда в детстве, развлекаясь пусканием мыльных пузырей, видели радужные переливы их всеми цветами радуги или неоднократно приходилось аналогичную картину на поверхности воды, покрытой тонкой плёнкой нефтепродуктов.

Идея Томаса Юнга

Английский физик Томас Юнг первым пришёл в 1802 году к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких плёнок наложением световых волн, одна из которых отражается от наружной поверхности плёнки, а вторая - от внутренней. (Справедливости ради следует заметить, что, публикуя свои работы по явлению интерференции, Френель ничего не знал о работах Юнга) Световые волны, так как они испущены одним атомом S протяжённого источника света (смотри рисунок 8). Световые волны 1 и 2 усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от разности хода. Эта разность хода Δr возникает из-за того, что световая волна 2 проходит внутри плёнки дополнительный путь АВ+ВС, а световая волна 1 при этом проходит лишь дополнительное расстояние DC. Нетрудно подсчитать, что при пренебрежении преломлением света (т.е.) разность хода:

где h -толщина плёнки, α - угол падения света. Усиление света происходит, если разность хода Δr световых волн 1 и 2 равна целому числу длин волн, а ослабление света происходит при разности хода Δr, равной нечётному числу длин полуволн.

Световые волны, соответствующие разным цветам, имеют разную длину волны. Для взаимного гашения более длинных световых волн «нужна» большая толщина плёнки, чем для взаимного гашения более коротких световых волн. Следовательно, если плёнка имеет неодинаковую толщину в различных местах, то должны появиться различные цвета при освещении плёнки белым светом.

Локализация интерференционных полос

Явление интерференции в тонких плёнках наблюдается при освещении их поверхности весьма протяжёнными источниками света, даже при освещении рассеянным светом пасмурного неба. Здесь не нужны жёсткие ограничения на размеры источника, как в экспериментах Френеля с бипризмой и другими приспособлениями. Но зато в экспериментах Френеля интерференционная картина не локализована. Экран за бипризмой (смотри рисунок 5) можно расположить в любом месте, где перекрываются световые пучки от мнимых источников. Интерференционная же картина в тонких плёнках уже локализована определённым образом, так как для её наблюдения на экране нужно с помощью линзы получить на нём изображение поверхности плёнки, потому что при визуальном наблюдении изображение поверхности плёнки получается на сетчатке глаза.

В этом случае световые лучи от разных участков источника, падающие на одно и то же место плёнки, собираются затем на экране (или на сетчатке глаза) вместе (смотри рисунок 9). Для любой пары световых лучей разность хода примерно одинакова, так как для них одинакова толщина плёнки, а углы падения различаются весьма незначительно. Лучи же с сильно различающимися углами падения не попадут в линзу, а тем более в зрачок глаза, имеющие весьма незначительные размеры.

Так как для всех участков плёнки равной толщины разность хода интерферирующих лучей одна и та же, то, следовательно, одинакова и освещённость экрана, на котором получается изображение этих участков. В результате на экране видны полосы, каждая из которых соответствует одной и той же толщине плёнки. Поэтому их (полосы) так и называют - полосы равной толщины плёнки.

Если же на экране сфокусирована поверхность источника света, то световые лучи от данного участка поверхности источника света попадают в одну и ту же точку экрана после отражения от разных участков поверхности плёнки, имеющей разную толщину (смотри рисунок 10). Поэтому интерференционная картина на экране получается размытой, так как для разных пар световых лучей разность хода различна из-за различной толщины плёнки.