Интерференция света

Содержание

 

 

 

 

 

 

1. Введение

2. Явление интерференции

 

3. Развитие волновой теории света

 

4. Интерференция в тонких пленках. Кольца Ньютона

 

5.  Опыт Томаса Юнга

 

6. Области применения интерференции

 

7. Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Введение

С давних пор существовало два взгляда на природу свет. Одни ученые считали, что свет представляет собой волну, другие рассматривали свет как поток частиц (корпускул). Но до начала  XIX в. не было достаточно веских доказательств, ни в пользу волновых, ни в пользу корпускулярных представлений. Одним из важных открытий, относящихся к физической оптике, было открытие интерференции света.

В своем реферате я покажу хронологию изучения явления интерференции света, а также постараюсь раскрыть его сущность с различных точек зрения.

Явление интерференции

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн (т.е. волн с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз), вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

 В результате интерференции  происходит перераспределение энергии  в пространстве: в одних местах  интенсивность света больше суммы  интенсивностей двух или нескольких  волн, в других – меньше. Поэтому  интерференционная картина представляет чередование светлых и темных полос. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на мокром асфальте, радужная окраска мыльных пузырей (рис. 1), причудливые цветные рисунки на крыльях стрекозы (рис. 2) – все это проявления интерференции света.

Рис.1

Рис. 2

Явление интерференции можно наблюдать на волнах любой природы: упругих (например, звуковых волнах или волнах на поверхности воды) электромагнитных (например, радиоволн или световых волн). Однако повседневный опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не просто. Если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке складываются интенсивности света и никакой интерференции не наблюдается. Для наблюдения интерференции любых волн требуется выполнение определенного условия: волны должны быть когерентными.

 

 

 

Развитие волновой теории света

Простой опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключается в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.

Другой случай интерференции примерно в те же годы исследовал английский физик Роберт Гук (1635 - 1703). Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки.

Гук подошел к изучению этих явлений с правильной точки зрения. Он полагал, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными.

Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, и поэтому не смог разработать теорию интерференции. Толкование Гука содержит первый, правда, чисто качественный и расплывчатый вариант того, что мы сейчас называем интерференционным объяснением. Но никто, в том числе и Гук, не смог разобраться в этом явлении. Дело в том, что наблюдения делали в белом свете, и тут явления слишком многообразны и сложны. После открытия явления интерференции света его практически сразу же начали изучать.

Интерференция в тонких пленках 
 

Явление интерференции можно наблюдать, как уже говорилось выше,  например: 
 
- радужные разводы на поверхности жидкости при разливе нефти, керосина, в мыльных пузырях; 
 
Толщина пленки должна быть больше длины световой волны. 
 
 
 
 

При попадании монохроматического света (самый простой случай)  на тонкую пленку часть света отражается от наружной поверхности пленки, другая часть света, пройдя через пленку, отражается от внутренней поверхности.  
При попадании в глаз на сетчатке происходит наложение (сложение) двух когерентных волн и возникает интерференционная  (полосатая) картина, как результат усиления и ослабления волн. В случае белого света интерференционная картина будет радужной. 
После открытия явления интерференции света его практически сразу же начали изучать.

Исаак Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках. Количественные исследования в этой области трудны, так как толщина споев - порядка 1/1000 мм. Нужно измерять такие малые толщины. Соответственных устройств для этого тогда не было. Ньютон обходит трудность этого измерения замечательным приемом. На плоскую стеклянную поверхность он кладет выпуклой стороной плоско-выпуклую линзу - объектив телескопа с очень большим радиусом кривизны (рис.3).

Рис.3

Тогда между нижней плоской и верхней выпуклой поверхностями образуется чрезвычайно тонкий слой воздуха, обнаруживающий пестрые яркие цвета; цветные кольца в белом свете и чередование одноцветных светлых и темных колец - в однородном.

Гвоздь устройства в том, что, во-первых, толщина слоя различна в различных местах, т. е. мы имеем здесь как бы набор слоев различной величины, а главное, геометрия здесь такова, что расстояние от центра до данного места значительно, в несколько сот раз больше толщины слоя в этом месте. Измеряя это расстояние, мы определяем толщину, которая по малости не поддается непосредственному измерению, уже при помощи расчета. Вот результат - основной результат Ньютона. Слой воздуха не отражает, если его толщина h равна некоторой величине d или кратному d: h = d, 2d, 3d и т. д. Это уже замечательное явление. Если отставить нижнюю поверхность, то отражение получается; при присоединении второй поверхности это отражение, как этим опытом показал Ньютон, пропадает. Наоборот, слой сильно отражает, если толщина его равна h = 1/2 d, 3/2 d, 5/2 d и т. д.

Ньютон экспериментально определил эту толщину d, для цвета на границе между красным и желтым она оказалась равной 1/89000 дюйма.

                   Установка Ньютона для изучения явления интерференции

Как можно объяснить появление этих колец (называемых кольцами Ньютона) с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темных колец.

Но почему же на одних расстояниях от центра линзы свет отражается, а на других преломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи (световые частицы) испытывают «приступы легкого отражения», а в других - «приступы легкого преломления». Но почему это происходит, ученый не мог сказать.

Объяснение кольцам Ньютона было дано в начале XIX в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. Но об этом будет сказано позже. После Ньютона корпускулярная теории света становится общепризнанной. В течение всего XVIII в. ее придерживались почти все физики.

Опыт Томаса Юнга

 

 В конце XVIII в. оптическими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг.

В 1801 году Томас Юнг (1773—1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) » (от латинских слов inter - взаимно и ferio - ударяю) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Опыт Томаса Юнга 
 
 
 
От одного источника  через щель  А формировались  два пучка света ( через щели В и С), далее пучки света падали на экран Э. Так как  воны от  щелей В и С были когерентными, на экране можно было наблюдать интерференционную картину: чередование светлых и темных полос. 
 
Светлые полосы – волны усиливали друг друга  (соблюдалось условие максимума).

Условие максимума.

 

 

Разность хода волн равна целому числу длин волн ( иначе четному числу длин полуволн). 
 
 
 
где 
 
 
В этом случае волны в рассматриваемой точке  приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна удвоенной амплитуде. 
 
Темные полосы – волны складывались в противофазе и гасили друг друга (условие минимума).

 
Условие минимума: 
 
 
 
 
 
Разность хода волн равна  нечетному числу длин полуволн. 
 
 
 
 
где 
 
 
Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга. 
Амплитуда колебаний данной точки равна нулю.

Если в опыте Юнга использовался  источник монохроматического света  ( одной длины волны, то на экране наблюдались   только светлые и темные полосы данного цвета. 
 
 
 
Если  источник давал белый свет (т.е. сложный по своему составу), то на экране в области светлых полос наблюдались радужные полосы. Радужность объяснялась тем, что  условия максимумов и минимумов зависят от длин волн. 

 
При проведении своего опыта Юнгу впервые удалось измерить длину  световой волны. 
 
В результате опыта Юнг доказал, что свет обладает волновыми свойствами.

 

Условия интерференции

Волны должны быть когерентны. Когерентность - согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.

Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели. Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отверстия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника светаS1 и S2. Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: l1 и l2. На экране наблюдается чередование светлых и темных полос.

 

Использование интерференции

 

 

            Явление интерференции света  находит широкое применение в современной технике. Одним из таких применений является создание "просветленной" оптики. Отполированная поверхность стекла отражает примерно 4% падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа деталей, изготовленных из стекла. Проходя через каждую из этих деталей, свет ослабляется на 4%. Общие потери света в объективе фотоаппарата составляют примерно 25%, в призменном бинокле и микроскопе - 50% и т. д.           

 Для уменьшения световых  потерь в оптических приборах все стеклянные детали, через которые проходит свет, покрывают пленкой, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. Толщина пленки равна четверти длины волны.           

 Другим применением явления  интерференции является получение хорошо отражающих покрытий, необходимых во многих отраслях оптики. В этом случае используют тонкую пленку толщиной l/4 из материала, коэффициент преломления которого n2 больше коэффициента преломления n3. В этом случае отражение от передней границы происходит с потерей полволны, так как n1 < n2, а отражение от задней границы происходит без потери полволны (n2 > n3). В результате разность хода d = l/4+l/4+l/2=l  и отраженные волны усиливают друг друга.            

 Интерференция света широко используется при спектральном анализе для точного измерения расстояний и углов, в решении задач контроля качества поверхностей, для создания светофильтров, зеркал, просветляющих покрытий и др.; на явлениях Интерференция света  основана голография.

 

Заключение

 

Начиная с XIX века взгляды ученых-оптиков постепенно склоняются в пользу волновой теории света. Уже известные кольца Ньютона, цвета тонких пленок и ряд эффектов, говорящих о неаддитивности освещенности от нескольких источников, весьма смутно объяснялись корпускулярной теорией. В первую очередь благодаря работам Томаса Юнга появляется теория интерференции как явления перераспределения световой энергии в пространстве. При соблюдении некоторых условий (когерентность источников) суммарная интенсивность в данной точке может оказаться вдвое больше суммы интенсивностей от двух одинаковых источников света, причем в соседней точке она может оказаться нулевой. Ставший классическим интерференционный опыт Юнга с двумя щелями позволил впервые оценить длину световой волны.

 В то же время по мере развития физики к концу XIX  в. был открыт целый ряд экспериментальных фактов, которые можно было объяснить только на основе корпускулярных представлений о свете, т.е. рассматривая его как поток частиц.