Интерференция света. Условия наблюдения интерференционной картины

Интерференция - это явление усиления или ослабления колебаний, которое происходит в результате сложения двух или не­скольких волн с одинаковыми периодами, распространяющихся в про­странстве, и зависит от соотношения между фазами складывающихся колебаний. В оптике наблюдают обычно не амплитуду, а интенсивность света.
Явление интерференции света состоит в том, что при сложении двух или нескольких световых волн, суммарная интенсивность света отличается от суммы интенсивностей.

В идеальном случае монохроматических источников при наложении двух пучков света с интенсивностями и распределение интенсивности в интерференционной картине описывается формулой:

Характер наблюдаемой интерференционной картины зависит от взаимного расположения источников и и плоскости наблюдения P (рис. 1.1). Интерференционные полосы могут иметь, например, вид семейства концентрических колец или гипербол. Наиболее простой вид имеет интерференционная картина, полученная при наложении двух плоских монохроматических волн, когда источники и

находятся на достаточном удалении от экрана. В этом случае интерференционная картина имеет вид чередующихся темных и светлых прямолинейных полос (интерференционные максимумы и минимумы), расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Именно этот случай реализуется во многих оптических интерференционных схемах.

Каждый интерференционный максимум (светлая полоса) соответствует разности хода , где m – целое число, которое называется порядком интерференции. В частности, при возникает интерференционный максимум нулевого порядка.

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление можно наблюдать при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, a в минимумах – меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто. Цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек – все это проявление интерференции.

Простое качественное объяснение наблюдаемым при интерференции явлениям можно дать на основе волновых представлений. Действительно, согласно принципу суперпозиции, полное световое поле, возникающее при наложении волн, равно их сумме. Результирующее поле существенно зависит от фазовых соотношений, которые оказываются различными в различных точках пространства. В некоторые точки пространства интерферирующие волны приходят в фазе и дают результирующее колебание с амплитудой, равной сумме амплитуд слагаемых (имеется ввиду интерференция двух лучей); в других точках волны оказываются противофазными, и амплитуда результирующего колебания есть . Интенсивность результирующего поля в первом случае оказывается равной , во втором , в то время как сумма интенсивностей есть .Таким образом, в первом случае , во втором .В тех точках пространства, в которых фазовый сдвиг отличен от 0 и , реализуется некоторое промежуточное значение интенсивности – мы получаем, таким образом, характерное для интерференции двух лучей плавное чередование светлых и темных полос. Разумеется, приведенные соображения можно отнести не только к свету, но и к волнам любой физической природы.

Пусть две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

A 1 cos(ωt + α 1), A 2 cos(ωt + α 2). Амплитуда результирующего колебания в данной точке определяется формулойA 2 =A 1 2 +A 2 2 + 2A 1 A 2 cos(α 2 –α 1).

Если разность фаз α 2 - α 1 возбуждаемых волнами колебаний остается постоянной во времени, то волны называются когерентными. Источники таких волн также называются когерентными . В случае некогерентных волн α 2 - α 1 непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения, вследствие чего среднее по времени значение cos(α 2 - α 1) равно нулю. В этом случае A2 = A 1 2 + A 2 2 .

Отсюда, приняв во внимание соотношение I~nA 2 , заключаем, что интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности:

В случае когерентных волн cos(α 2 -α 1) имеет постоянное во времени (но свое для каждой точки пространства) значение, так что

I = I 1 + I 2 + 2 cos(α 2 - α 1).

В тех точках пространства, для которых cos(α 2 -α 1) > 0,Iбудет превышатьI 1 +I 2 ; в точках, для которыхcos(α 2 -α 1) < 0,Iбудет меньшеI 1 +I 2 .

Таким образом, при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией волн . Особо отчетливо проявляется интерференция в том случае, когда интенсивность обеих интерферирующих волн одинакова: I 1 = I 2 . Тогда в минимумах I = 0, а в максимумах же I = 4I 1 . Для некогерентных волн при том же условии получается всюду одинаковая освещенность I = 2I 1 .

Интерференцию света обычно рассматривают не в одной точке, а на плоском экране. Поэтому говорят об интерференционной картине, под которой понимают чередующиеся полосы относительно большей и меньшей интенсивности света. Основными характеристиками интерференционной картины являются ширина полос интерференции и видность интерференционной картины.

17.2. Способы получения интерференционных картин.

Существует ряд способов получения интерференционных картин: Метод Юнга, зеркала Френеля, бипризма Френеля и т.д. Рассмотрим подробно метод Юнга.

Источником сета служит ярко освещенная щель S (рис.17.3), от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели и, параллельные щелиS . Таким образом, щели играют роль когерентных источников. Интерференционная картина наблюдается на экране (Э ), расположенном на некотором расстоянии от щелей и. В такой постановке Юнг осуществил первое наблюдение интерференции.

17.3. Интерференция в тонких пленках.

Пластинка постоянной толщины. При падении световой волны на тонкую прозрачную пластинку (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пластинки. В результате возникают две световые волны, которые при определенных условиях могут интерферировать.

Пусть на прозрачную плоскопараллельную пластинку падает плоская световая волна (параллельный пучок света) (рис.17.4). В результате отражений от поверхностей пластинки, часть света возвращается в исходную среду.

В любую точку P, находящуюся с той же стороны от пластинки, что и источник, приходят два луча. Эти лучи образуют интерференционную картину.

Для определения вида полос можно представить себе, что лучи выходят из мнимых изображений S 1 и S 2 источника S , создаваемых поверхностями пластинки. На удаленном экране, расположенном параллельно пластинке, интерференционные полосы имеют вид концентрических колец с центрами на перпендикуляре к пластинке, проходящем через источник S . Этот опыт предъявляет менее жесткие требования к размерам источника S , чем рассмотренные выше опыты. Поэтому можно в качестве S применить ртутную лампу без вспомогательного экрана с малым отверстием, что обеспечивает значительный световой поток. С помощью листочка слюды (толщиной 0,03 – 0,05 мм) можно получить яркую интерференционную картину прямо на потолке и на стенах аудитории. Чем тоньше пластинка, тем крупнее масштаб интерференционной картины, т.е. больше расстояние между полосами.

Полосы равного наклона. Особенно важен частный случай интерференции света, отраженного двумя поверхностями плоскопараллельной пластинки, когда точка наблюдения P находится в бесконечности, т.е. наблюдение ведется либо глазом, аккомодированным на бесконечность, либо на экране, расположенном в фокальной плоскости собирающей линзы (рис. 17.5).

В этом случае оба луча, идущие от S к P , порождены одним падающим лучом и после отражения от передней и задней поверхностей пластинки параллельны друг другу. Оптическая разность хода между ними в точке P такая же, как на линии DC :

Здесь n – показатель преломления материала пластинки. Предполагается, что над пластинкой находится воздух, т.е. . Так как
,
(h – толщина пластинки, и– углы падения и преломления на верхней грани;
), то для разности хода получаем

Следует также учесть, что при отражении волны от верхней поверхности пластинки в соответствии с формулами Френеля ее фаза изменяется на π. Поэтому разность фаз δ складываемых волн в точке P равна:

,

где– длина волны в вакууме.

В соответствии с последней формулой светлые полосы расположены в местах, для которых
, гдеm – порядок интерференции . Полоса, соответствующая данному порядку интерференции, обусловлена светом, падающим на пластинку под вполне определенным углом α. Поэтому такие полосы называют интерференционными полосами равного наклона. Если ось объектива расположена перпендикулярно пластинке, полосы имеют вид концентрических колец с центром в фокусе, причем в центре картины порядок интерференции максимален.

Полосы равного наклона можно получить не только в отраженном свете, но и в свете, прошедшем сквозь пластинку. В этом случае один из лучей проходит прямо, а другой – после двух отражений на внутренней стороне пластинки. Однако видимость полос при этом низкая.

Для наблюдения полос равного наклона вместо плоскопараллельной пластинки удобно использовать интерферометр Майкельсона (рис.17.6). Рассмотрим схему интерферометра Майкельсона: з1 и з2 – зеркала. Полупрозрачное зеркало посеребрено и делит луч на две части – луч 1 и 2. Луч 1, отражаясь от з1 и проходя, дает, а луч 2, отражаясь от з2 и далее от, дает. Пластинкииодинаковы по размерам.ставится для компенсации разности хода второго луча. Лучиикогерентны и интерферируют.

Полосы равной толщины (интерференция от клина). Мы рассмотрели интерференционные опыты, в которых деление амплитуды световой волны от источника происходило в результате частичного отражения на поверхностях плоскопараллельной пластинки. Локализованные полосы при протяженном источнике можно наблюдать и в других условиях. Оказывается, что для достаточно тонкой пластинки или пленки (поверхности которой не обязательно должны быть параллельными и вообще плоскими) можно наблюдать интерференционную картину, локализованную вблизи отражающей поверхности. Возникающие при этих условиях полосы называют полосами равной толщины . В белом свете интерференционные полосы окрашены. Поэтому такое явление называют цветами тонких пленок . Его легко наблюдать на мыльных пузырях, на тонких пленках масла или бензина, плавающих на поверхности воды, на пленках окислов, возникающих на поверхности металлов при закалке, и т.п.

Рассмотрим интерференционную картину, получаемую от пластинок переменной толщины (от клина).

Направления распространения световой волны, отраженной от верхней и нижней границы клина, не совпадают (рис.17.7). Отраженные и преломленные лучи встречаются, поэтому интерференционную картину при отражении от клина можно наблюдать и без использования линзы, если поместить экран в плоскость точек пересечения лучей (хрусталик глаза помещают в нужную плоскость).

Интерференция будет наблюдаться только во 2-й области клина, так как в 1-й области оптическая разность хода будет больше длины когерентности.

Результат интерференции в точках и экрана определяется по известной формуле,подставляя в неё толщину пленки в месте падения луча (или). Свет обязательно должен быть параллельным (): если одновременно будут изменяться два параметраb и α, то устойчивой интерференционной картины не будет.

Поскольку разность хода лучей, отразившихся от различных участков клина, будет неодинаковой, освещенность экрана будет неравномерной, на экране будут темные и светлые полосы (или цветные при освещении белым светом, как показано на рис.17.8). Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины .

Кольца Ньютона. На рис.17.9 изображена оправа, в которой зажаты две стеклянные пластины. Одна из них слегка выпуклая, так что пластины касаются друг друга в какой-то точке. И в этой точке наблюдается нечто странное: вокруг нее возникают кольца. В центре они почти не окрашены, чуть дальше переливаются всеми цветами радуги, а к краю теряют насыщенность цветов, блекнут и исчезают.

Так выглядит эксперимент, в XVII веке положивший начало современной оптике. Ньютон подробно исследовал это явление, обнаружил закономерности в расположении и окраске колец, а также объяснил их на основе корпускулярной теории света.

Кольцевые полосы равной толщины , наблюдаемые в воздушном зазоре между соприкасающимися выпуклой сферической поверхностью линзы малой кривизны и плоской поверхностью стекла называют кольцами Ньютона .

Общий центр колец расположен в точке касания. В отраженном свете центр темный, так как при толщине воздушной прослойки, на много меньшей, чем длина волны , разность фаз интерферирующих волн обусловлена различием в условиях отражения на двух поверхностях и близка к π. Толщина h воздушного зазора связана с расстоянием r до точки касания:

.

Здесь использовано условие
. При наблюдении по нормали темные полосы, как уже отмечалось, соответствуют толщине
, поэтому для радиусаm -го темного кольца получаем

(m = 0, 1, 2, …).

Если линзу постепенно отодвигать от поверхности стекла, то интерференционные кольца будут стягиваться к центру. При увеличении расстояния на картина принимает прежний вид, так как место каждого кольца будет занято кольцом следующего порядка. С помощью колец Ньютона, как и в опыте Юнга, можно сравнительно простыми средствами приближенно определить длину волны света.

Итак, полосы равного наклона получаются при освещении пластинки постоянной толщины рассеянным светом , в котором содержатся лучи разных направлений. Полосы равной толщины наблюдаются при освещении пластинки переменной толщины (клина) параллельным пучком света . Полосы равной толщины локализованы вблизи пластинки.

Волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции. Суть последних заключается в том, что при определенных условиях в области, освещаемой двумя источниками света, создается периодическое изменение освещенности в пространстве наблюдения.Если же один из источников погасить, то освещенность в той же области изменяется монотонно.

Пусть в пространстве распространяются две бегущие электромагнитные волны, электрические векторы которых параллельны:

Здесь r 1 и r 2 - расстояния от источников волн до рассматриваемой точки пространства, ω 1 - угловые частоты колебаний, - волновые числа.

Предполагая, что область наблюдения далека от источников и невелика по размерам, мы можем пренебречь изменением амплитуды с расстоянием. Тогда суммарное колебание в некоторой точке опишется выражением:

где знаком Δ обозначена разность соответствующих величин.

Так как почти все приемники света реагируют на энергию и обладают значительной инерцией, то восприятие этих волн будет определяться средним по времени значением квадрата амплитуды:

(здесь мы учли, что средний квадрат косинуса равен 1/2). Но интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды, следовательно, в этом случае интенсивности просто складываются:

Это и наблюдается при освещении поля зрения независимыми источниками. Колебания (и источники) такого рода называются некогерентными (несогласованными). Совершенно иной результат получается, если источники удовлетворяют жестким (но осуществимым па практике) условиям:

а) частоты колебаний их строго равны;

б) разность начальных фаз постоянна в течение всего времени наблюдения (для простоты мы примем ее равной нулю).

Источники, удовлетворяющие указанным условиям, называются когерентными (согласованными); В этом случае вместо (3.1) получаем:

(3.2)

Таким образом, теперь интенсивность света существенно зависит от положения точки наблюдения: при

она максимальна (и превышает интенсивность двух таких же некогерентных источников вдвое); при

она обращается в нуль.

С классической точки зрения излучение света атомами вещества в простейшем случае можно представить следующим образом: каждый атом, будучи возбужден тем или Иным способом, излучает за время τ изл (10 -10 – 10 -8 с) «обрывок косинусоиды» (цуг волн); затем он пребывает в невозбужденном состоянии некоторое время τ, после чего снова возбуждается и создает новый цуг. Последующие «обрывки косинусоид» никак не связаны друг с другом; акты излучения отдельных атомов также совершенно независимы. Поэтому когерентность существует только в пределах каждого цуга, и «время когерентности» τ ког не может превышать времени излучения τ изл. Путь, проходимый волной за время когерентности, равный l КОГ -сτ КОГ, называют «длиной когерентности»; она всегда меньше длины цуга l ц =сτ изл.

Для обычных газовых источников света (не лазеров) длина когерентности обычно не превышает сантиметра. При средней частоте световых волн v=5x10 14 Гц в цуге укладывается большое число волн - порядка сотен тысяч; при этом свет довольно монохроматичен. Источники когерентного излучения (лазеры), в -которых акты излучения отдельных атомов связаны друг с другом, обладают громадным временем когерентности, достигающим 10 -5 -10 -3 с, и длиной когерентности порядка сотен метров. При этом, конечно,монохроматичность резко улучшается. В радиотехнических генераторах относительная монохроматичность излучения близка к лазерной и даже превышает ее на несколько порядков. Из-за большого периода колебаний время когерентности возрастает до десятков часов, а длина когерентности (из-за большой длины волны) достигает 10 10 км, т. е. размеров солнечной системы. Поэтому на радиочастотах можно в течение нескольких минут наблюдать интерференцию волн от двух независимых источников - простых генераторов электрических колебаний.

Итак, в обычной оптике источники некогерентны, и для получения когерентных излучений приходится пользоваться вторичными - зависимыми - источниками излучения; они создаются путем разделения волны первичного источника на две волны, проходящие различные пути и снова сходящиеся. Естественно, что время запаздывания одной волны относительно другой в точке наблюдения не должно превышать времени когерентности источника. Поэтому размеры области, где может наблюдаться интерференция, определяются разностью расстояний от точки наблюдения до источников и длиной когерентности последних.

Природа света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса . Большая заслуга в развитии волновой теорий принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c .

Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.

В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны . Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной:

\(~c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}\) .

Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт.

Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν ). Таким путем было найдено значение c = 299792458 ± 1,2 м/с превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет , но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ). По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν .

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10 -9 м = 10 -7 см = 10 -3 мкм.

Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм.

Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну .

Наиболее существенные свойства света как электромагнитной волны

1. При распространении света в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения удобно изображать в виде колебаний векторов напряженности электрического поля \(~\vec E\) и индукции магнитного поля \(~\vec B\) в каждой точке пространства. Свет - поперечная волна, так как \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) и \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
2. Колебания векторов \(~\vec E\) и \(~\vec B\) в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковы фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям \(~\vec E \perp \vec B\) в каждой точке пространства.
3. Период света как электромагнитной волны (частота) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливо соотношение \(~\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac{\upsilon}{\nu}\) . В вакууме \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac{c}{\nu}\) – длина волны наибольшая по сравнению с λ в другой среде, так как ν = const и изменяется только υ и λ при переходе от одной среды к другой.
4. Свет является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны. Объемная плотность энергии электромагнитной поля определяется выражением \(~\omega_{em} = \dfrac{\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2}{2} + \dfrac{B^2}{2 \cdot \mu \cdot \mu_0}\)
5. Свет, как и другие волны, распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают преломление при переходе из одной среды во вторую, отражаются от металлических преград. Для них характерны явления дифракции и интерференции.

Интерференция света

Для наблюдений интерференции волн на поверхности воды использовались два источника волн (два шарика, закрепленные на колеблющемся стерженьке). Получить интерференционную картину (чередование минимумов и максимумов освещенности) с помощью двух обычных независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.

Для того чтобы при наложении световых волн наблюдалась устойчивая интерференционная картина, необходимо, чтобы волны были когерентны, т. е. имели одинаковую длину волны и постоянную разность фаз.

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 независи-мых источников не являются когерентными. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн. Длительность непрерывного излучения атома около 10 с. За это время свет проходит путь длиной около 3 м (рис. 1).

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 некогерентны из-за того, что разность начальных фаз не остается постоянной. Фазы φ 01 и φ 02 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 τ всевозможные значения от 0 до 2π . В результате за время τ много большее времени нерегулярных изменений фазы (порядка 10 -8 с), среднее значение cos (φ 1 – φ 2) в формуле

\(~I = 4 I_0 \cos^2 \dfrac{\varphi_1 - \varphi_2}{2} = 2 I_0 \) .

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 дает интерференционной картины. Это главная, но не единственная причина. Другая причина заключается в том, что длина световой волны, как мы скоро увидим, очень мала. Это сильно затрудняет наблюдение интерференции, если даже располагать когерентными источниками волн.

Условия максимумов и минимумов интерференционной картины

В результате наложения двух или более когерентных волн в пространстве возникает интерференционная картина , представляющая собой чередование максимумов и минимумов интенсивности света, а значит, и освещенности экрана.

Интенсивность света в данной точке пространства определяется разностью фаз колебаний φ 1 – φ 2 . Если колебания источников синфазны, то φ 01 – φ 02 = 0 и

\(~\Delta \varphi = \varphi_1 - \varphi_2 = 2 \pi \dfrac{r_2 - r_1}{\lambda}\) . (1)

Разность фаз определяется разностью расстояний от источников до точки наблюдения Δr = r 1 – r 2 (разность расстояний называется разностью хода ). В тех точках пространства, для которых выполняется условие

\(~\Delta r = r_1 - r_2 = k \lambda ; k = 0, 1, 2, \ldots\) . (2)

волны, складываясь, усиливают друг друга, и результирующая интенсивность в 4 раза превосходит интенсивность каждой из волн, т.е. наблюдается максимум . Напротив, при

\(~\Delta r = r_1 - r_2 = \dfrac{\lambda}{2} (2k + 1)\) . (3)

волны гасят друг друга (I = 0), т.е. наблюдается минимум .

Принцип Гюйгенса – Френеля

Волновая теория основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 2). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, объясняет явление дифракции, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса – Френеля , световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.

Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и предположил, что если между источником и точкой наблюдения находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии – такая же, как при отсутствии экрана. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света.

Способы получения интерференционной картины

Идея Огюстена Френеля

Для получения когерентных источников света французский физик Огю-стен Френель (1788-1827) нашел в 1815 г. 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, дает определенную интерференционную картину. При наложении этих картин друг на друга получается достаточно интенсивное распределение освещенности 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 (две призмы, сложенные основаниями), билинзу (разрезанную пополам линзу с раздвинутыми половинами) и др.

Кольца Ньютона

Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лаборатор-ных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис. 3 а, б).

Ньютон не смог объяснить с точки зрения корпускулярной теории, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов.

Опыт Юнга с двумя щелями

Предложенный Т. Юнгом эксперимент убедительно демонстрирует волновую природу света. Для лучшего понимания результатов опыта Юнга полезно сначала рассмотреть ситуацию, когда свет проходит через одну щель в перегородке. В опыте с одной щелью монохроматический свет от источника проходит через узкую щель и регистрируется на экране. Неожиданным является то, что при достаточно узкой щели на экране видна не узкая светящаяся полоска (изображение щели), а плавное распределение интенсивности света, имеющее максимум в центре и постепенно убывающее к краям. Это явление обусловлено дифракцией света на щели и также есть следствие волновой природы света.

Пусть теперь в перегородке сделаны две щели (рис. 4). Последовательно закрывая то одну, то другую щель, можно убедиться, что картина распределения интенсивности на экране будет такой же, как и в случае одной щели, но только положение максимума интенсивности будет каждый раз соответствовать положению открытой щели. Если же открыть обе щели, то на экране возникает чередующаяся последовательность светлых и темных полос, причем яркость светлых полос убывает с расстоянием от центра.

Некоторые применения интерференции

Применения интерференции очень важны и обширны.

Существуют специальные приборы - интерферометры - действие которых основано на явлении интерференции. Назначение их может быть различным: точное измерение длин световых волн, измерение показателя преломления газов и др. Имеются интерферометры специального назначения. Об одном из них, сконструированном Майкельсоном для фиксации очень малых изменений скорости света, будет рассказано в главе «Основы теории относительности».

Мы остановимся только на двух применениях интерференции.

Проверка качества обработки поверхностей

С помощью интерференции можно оценить качество шлифовки поверхности изделия с погрешностью до 10 -6 см. Для этого нужно создать тонкую прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной (рис. 5).

Тогда неровности поверхности до 10 -6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани эталонной пластины.

В частности, качество шлифовки линзы можно проверить, наблюдая кольца Ньютона. Кольца будут правильными окружностями только в том случае, если поверхность линзы строго сферическая. Любое отступление от сферичности, большее 0,1λ будет заметно сказываться на форме колец. В том месте, где на линзе имеется выпуклость, кольца будут выгибаться к центру.

Любопытно, что итальянский физик Э. Торричелли (1608- 1647) умел шлифовать линзы с погрешностью до 10 -6 см. Его линзы хранятся в музее, и качество их проверено современными методами. Как же это ему удавалось? Ответить на этот вопрос трудно. В то время секреты мастерства обычно не выдавались. Видимо, Торричелли обнаружил интерференционные кольца задолго до Ньютона и догадался, что с их помощью можно проверять качество шлифовки. Но, разумеется, никакого представления о том, почему кольца появляются, у Торричелли быть не могло.

Отметим еще, что, используя почти строго монохроматический свет, можно наблюдать интерференционную картину при отражении от плоскостей, находящихся друг от друга на большом расстоянии (порядка нескольких метров). Это позволяет измерять расстояния в сотни сантиметров с погрешностью до 10 -6 см.

Просветление оптики

Объективы современных фотоаппаратов или кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол - линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверхностей в современных фотообъективах превышает 10, а в перископах подводных лодок доходит до 40. При падении света перпендикулярно поверхности от каждой поверхности отражается 5-9% всей энергии. Поэтому сквозь прибор часто проходит всего 10-20% поступающего в него света. В результате этого освещенность изображения получается малой. Кроме того, ухудшается качество изображения. Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения. На фотографических изображениях, например, по этой причине образуется «вуаль».

Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхностей оптических стекол надо уменьшить долю отраженной энергии света. Даваемое прибором изображение делается при этом ярче, «просветляется». Отсюда и происходит термин просветление оптики .

Просветление оптики основано на интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления n n , меньшим показателя преломления стекла n с. Для простоты рассмотрим случай нормального падения света на пленку (рис. 6).

Условие того, что отраженные от верхней и нижней поверхностей пленки волны гасят друг друга, запишется (для пленки минимальной толщины) следующим образом:

\(~2h = \dfrac{\lambda}{2 n_n}\) . (4)

где \(~\dfrac{\lambda}{n_n}\) - длина волны в пленке, а 2h - разность хода.

Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы добиться этого, подбирают соответствующим образом показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух граничащих сред.

На линзу при обычных условиях падает белый свет. Выражение (4) показывает, что требуемая толщина пленки зависит от длины волны. Поэтому осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра (зеленый цвет, λ з = 5,5·10 -7 м); она должна быть равна четверти длины волны в пленке:

\(~h = \dfrac{\lambda}{4 n_n}\) . (4)

Отражение света крайних участков спектра - красного и фиолетового - ослабляется незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок. Сейчас даже простые дешевые фотоаппараты имеют просветленную оптику. В заключение еще раз подчеркнем, что гашение света светом не означает превращения световой энергии в другие формы. Как и при интерференции механических волн, гашение волн друг другом в данном участке пространства означает, что световая энергия сюда просто не поступает. Гашение отраженных волн у объектива с просветленной оптикой означает, что весь свет проходит сквозь объектив.

Приложение

Сложение двух монохроматических волн

Рассмотрим более детально сложение двух гармонических волн одинаковой частоты ν в некоторой точке А однородной среды, считая, что источники этих волн S 1 и S 2 находятся от точки А на расстояниях, соответственно, l 1 и l 2 (рис. 7).

Предположим для простоты, что рассматриваемые волны - либо продольные, либо перечные плоско поляризованные, а их амплитуды равны a 1 и a 2 . Тогда, в соответствии с \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\) , уравнения этих волн в точке А имеют вид

\(~x_1(l_1,t) = a_1 \cdot \sin (\omega t - k l_1 + \varphi_{01})\) . (5) \(~x_2(l_2,t) = a_2 \cdot \sin (\omega t - k l_2 + \varphi_{02})\) . (6)

Уравнение результирующей волны, являющейся суперпозицией волн (5), (6), представляет собой их сумму:

\(~x(t) = x_1(l_1,t) + x_2(l_2,t) = a \cdot \sin (\omega t + \varphi)\) , (7)

причем, как можно доказать, используя известную из геометрии теорему косинусов, квадрат амплитуды результирующего колебания определяется формулой

\(~a^2 = a^2_1 + a^2_2 + 2 a_1 a_2 \cos \Delta \varphi\)> , (8)

где Δφ - разность фаз колебаний:

\(~\Delta \varphi = k(l_1 - l_2) - (\varphi_{01} - \varphi_{02})\) . (9)

(Выражение для начальной фазы φ 01 результирующего колебания мы приводить не будем из-за его громоздкости).

Из (8) видно, что амплитуда результирующего колебания является периодической функцией разности хода Δl . Если разность хода волн такова, что разность фаз Δφ равна

\(~\Delta \varphi = \pm 2 \pi n ; n = 0, 1, 2, \ldots\) , (10)

то в точке А амплитуда результирующей волны будет максимальной (условие максимума ), если же

\(~\Delta \varphi = \pm (2n +1) \pi\) , (11)

то амплитуда в точке А минимальна (условие минимума ).

Считая для простоты, что φ 01 = φ 02 и a 1 = a 2 , и учитывая равенство \(~k = \dfrac{\omega}{\upsilon} = \dfrac{2 \pi}{\lambda}\) , условия (10) и (11) и соответствующие выражения для амплитуды а можно записать в виде:

\(~\Delta l = \pm n \lambda\) (условие максимума ), (12)

и тогда а = a 1 + a 2 , и

\(~\Delta l = \pm (2n +1) \dfrac{\lambda}{2}\) (условие минимума ), (13)

и тогда a = 0.

Литературы

1. Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. – М.: Дрофа, 2002. – 464 с.
2. Буров Л.И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.

Идея Огюстена Френеля

Для получения когерентных источников света французский физик Огюстен Френель (1788—1827) нашел в 1815 г. 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, дает определенную интерференционную картину. При наложении этих картин друг на друга получается достаточно интенсивное распределение освещенности 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 (две призмы, сложенные основаниями), билинзу (разрезанную пополам линзу с раздвинутыми половинами) и др.

Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону . Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис. 3 а, б).

Рис.3а Рис.3б

Ньютон не смог объяснить с точки зрения корпускулярной теории, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов.

Опыт Юнга с двумя щелями

Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.

При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля.

При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.

Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в.

В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда e к его массе m не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что q = const. Значит, растет масса.

Основные физические процессы в полупроводниках и их свойства. Собственный полупроводник и собственная электропроводность

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий , кремний , селен , теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10 −19 Дж против 11,2·10 −19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками).

Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10 −19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью . В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Собственный полупроводник - это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10 −8 … 10 −9 %. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Технология позволяет получать материалы с высокой степенью очистки, среди которых можно выделить непрямозонные полупроводники: Si (при комнатной температуре количество носителей n i =p i =1,4·10 10 см -3), Ge (при комнатной температуре количество носителей n i =p i =2,5·10 13 см -3) и прямозонный GaAs.

Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью , которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого дрейфовым током i др. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:

i др = i n + i p ,

где индекс n соответствует электронному вкладу, а p - дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет.

Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.

Выпаривание: сущность процесса, способы его организации

Выпаривание - процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении.

Испарение при температурах ниже температуры кипения данного раствора происходит с его поверхности, в то время как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего раствора, что значительно интенсифицирует процесс удаления растворителя из раствора.

Процесс выпаривания широко применяется:

1) для повышения концентрации разбавленных растворов,

2)выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации,

3)иногда для выделения растворителя (например, при получении питьевой или технической воды в выпарных опреснительных установках).

Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным, хотя, конечно, для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители. Образующийся при выпаривании растворов пар, называют вторичным, или соковым.

Таким образом, выпаривание - типичный процесс переноса теплоты от более нагретого теплоносителя - греющего пара -к кипящему раствору.

Выпаривание проводят: при атмосферном давлении ; под вакуумом ; под давлением, большим атмосферного.

Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключается в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.

В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов: греющей камеры, или кипятильника, (как правило, в виде пучка труб) и сепаратора, предназначенного для улавливания капель раствора из пара, образующегося при кипении раствора. Для более полного улавливания в сепараторе устанавливают различные по конструкции брызгоуловители.

Для снижения скорости отложения загрязнений (накипи) на стенках труб в выпарных аппаратах создают условия для интенсивной циркуляции раствора (при этом скорость движения раствора в трубах составляет 1-3 м/с). Естественно, циркуляцию раствора также следует учитывать при расчете выпарных аппаратов. Выпарной аппарат указанного типа работает по принципу направленной естественной циркуляции, которая вызывается различием плотностей кипящего раствора в циркуляционной трубе и в кипятильных трубах греющей камеры.

Разность плотностей обусловливается различием удельного теплового потока, приходящегося на единицу объема раствора: в кипятильных трубах он выше, чем в циркуляционной трубе.

Поэтому интенсивность кипения, а следовательно, и парообразование в них тоже выше; образующаяся здесь парожидкостная смесь имеет меньшую плотность чем в циркуляционной трубе. Это приводит к направленной циркуляции кипящего раствора, который по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубам поднимается вверх. Парожидкостная смесь попадает затем в сепаратор в котором пар отделяется от раствора, и его выводят из аппарата. Упаренный раствор выходит из штуцера в днище аппарата. Таким образом, в аппаратах с естественной циркуляцией раствора создается организованный циркуляционный контур по схеме: кипятильные (подъемные) трубы → паровое пространство → циркуляционная (опускная) труба → подъемные трубы, и т.д.

В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной. Если же в установке имеются два или более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной. В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего, и т.д.

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на простейших преградах. Дифракция Фраунгофера на одной щели

1. Явление дифракции

Дифракция волн заключается в огибании волнами препятствий или в отклонении волн в область геометрической тени при прохождении через отверстия при условии, что линейные размеры этих препятствий порядка или меньше длины волны. Тип волн не имеет значения: дифракция наблюдается и для звука, и для света, и для любых других волновых процессов.

Наблюдение дифракции световых волн возможно только тогда, когда размеры препятствий будут порядка 10 -6 -10 -7 м (для видимого света) . Когда размеры щели сравниваются по порядку с длиной волны, щель становится источником вторичных сферических волн, интерференция которых и определяет картину распределения интенсивности за щелью. В частности, свет проникает в геометрически недоступную область. Таким образом, в видимой области спектра наблюдать дифракцию нелегко. Для электромагнитных волн в других диапазонах дифракция наблюдается повседневно, везде и всюду, так как, если бы не это явление, мы не смогли бы, например, слушать радио в закрытых помещениях.

Согласно общепринятому определению, Дифракция света, явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие дифракция света при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос.

Поскольку дифракция свойственна всякому волновому движению, открытие дифракции света в 17 в. итальянским физиком и астрономом Ф. Гримальди и её объяснение в начале 19 в. французским физиком О. Френелем явились одним из основных доказательств волновой природы света. Приближённая теория дифракция света основана на применении Гюйгенса - Френеля принципа. Для качественного рассмотрения простейших случаев дифракция света может быть применено построение зон Френеля. При прохождении света от точечного источника через небольшое круглое отверстие в непрозрачном экране или вокруг круглого непрозрачного экрана наблюдаются дифракционные полосы в виде концентрических окружностей.

Если отверстие оставляет открытым чётное число зон, то в центре дифракционной картины получается тёмное пятнышко, при нечётном числе зон - светлое. В центре тени от круглого экрана, закрывающего не слишком большое число зон Френеля, получается светлое пятнышко. Принцип Гюйгенса - Френеля позволяет объяснить явление дифракции и дать методы ее количественного расчета.

Различают два случая дифракции. Если преграда, на которой происходит дифракция, находится вблизи от источника света или от экрана, на котором производится наблюдение, то фронт падающих или дифрагированных волн имеет криволинейную поверхность; этот случай называется дифракцией Френеля или дифракцией в расходящихся лучах, т. е. где b - размер отверстия, z - расстояние точки наблюдения от экрана, l - длина волны (дифракция Френеля), и дифракция света в параллельных лучах, при которой отверстие много меньше одной зоны Френеля, т. е. (дифракция Фраунгофера).

В последнем случае при падении параллельного пучка света на отверстие пучок становится расходящимся с углом расходимости j ~ l/b (дифракционная расходимость). Плоские волны получаются либо удалением источника света и места наблюдения от преграды, вызывающей дифракцию, либо применением соответственного расположения линз.

С точки зрения представлений геометрической оптики о прямолинейном распространении света граница тени за непрозрачным препятствием резко очерчена лучами, которые проходят мимо препятствия, касаясь его поверхности. Следовательно, явление дифракции необъяснимо с позиций геометрической оптики. По волновой теории Гюйгенса, рассматривающей каждую точку поля волны как источник вторичных волн, распространяющихся по всем направлениям, в том числе и в область геометрической тени препятствия, вообще неясно, как может возникнуть сколько-нибудь отчетливая тень. Тем не менее, опыт убеждает нас в существовании тени, но не резко очерченной, как утверждает теория прямолинейного распространения света, а с размытыми краями. Причем в области размытости наблюдается система интерференционных максимумов и минимумов освещенности

2. Дифракция на щели

Большое практическое значение имеет случай дифракция света на щели. При освещении щели параллельным пучком монохроматического света на экране получается ряд тёмных и светлых полос, быстро убывающих по интенсивности. Если свет падает перпендикулярно к плоскости щели, то полосы расположены симметрично относительно центральной полосы, а освещённость меняется вдоль экрана периодически с изменением j, обращаясь в нуль при углах j, для которых sin j = m/lb (m = 1, 2, 3 ....).

При промежуточных значениях освещённость достигает максимальных значений. Главный максимум имеет место при m = 0, при этом sin j = 0, т. е. j = 0. Следующие максимумы, значительно уступающие по величине главному, соответствуют значениям j, определённым из условий: sin j = 1,43 l/b, 2,46 l/b, 3,47 l/b и т.д. С уменьшением ширины щели центральная светлая полоса расширяется, а при данной ширине щели положение минимумов и максимумов зависит от l, т. е. расстояние между полосами тем больше, чем больше l.

Поэтому в случае белого света имеет место совокупность соответствующих картин для разных цветов. При этом главный максимум будет общим для всех l и представится в виде белой полоски, переходящей в цветные полосы с чередованием цветов от фиолетового к красному. Если имеются 2 идентичные параллельные щели, то они дают одинаковые накладывающиеся друг на друга дифракционные картины, вследствие чего максимумы соответственно усиливаются, а, кроме того, происходит взаимная интерференция волн от первой и второй щелей, значительно осложняющая картину. В результате минимумы будут на прежних местах, т.к. это те направления, по которым ни одна из щелей не посылает света. Кроме того, возможны направления, в которых свет, посылаемый двумя щелями, взаимно уничтожается.

Таким образом, прежние минимумы определяются условиями: b sin j = l, 2l, 3l, ..., добавочные минимумы d sin j = l/2, 3l/2, 5l/2, ... (d - размер щели b вместе с непрозрачным промежутком а), главные максимумы d sin j = 0,l, 2l, 3l, ..., т. е. между двумя главными максимумами располагается один добавочный минимум, а максимумы становятся более узкими, чем при одной щели. Увеличение числа щелей делает это явление ещё более отчётливым. Дифракция света играет существенную роль при рассеянии света в мутных средах, например на пылинках, капельках тумана и т.п. На дифракция света основано действие спектральных приборов с дифракционной решёткой (дифракционных спектрометров).

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.). Благодаря дифракция света изображение точечного источника (например, звезды в телескопе) имеет вид кружка с диаметром lflD, где D - диаметр объектива, а f - его фокусное расстояние. Расходимость излучения лазеров также определяется дифракция света. Для уменьшения расходимости лазерного пучка его преобразуют в более широкий пучок при помощи телескопа, и тогда расходимость излучения определяется диаметром D объектива по формуле j ~ l/D.

Дифракционная картина, наблюдаемая на экране, поставленном за перегородкой с одной щелью, может быть рассчитана на основании принципа суперпозиции и интерференции волн. Пусть на щель падает монохроматический пучок света длиной λ. Размеры щели d сравнимы с λ: d ~ λ. Расстояние от щели до экрана L >> d. Каждая точка щели является, согласно принципу Гюйгенса, источником вторичной сферической волны. Эти волны интерферируют между собой, так что истинное положение фронта результирующей волны является огибающей вторичных волн с учетом их интерференции. Рассмотрим наложение двух таких волн, идущих от середины щели и от одного из краев, и вычислим разность хода таких волн в произвольной точке экрана. Из простых геометрических соображений с учетом малости угла Θ можно получить, что разность хода этих двух волн равна:

где y - координата точки наблюдения на экране. Интерференция двух волн будет деструктивной, если разность хода будет равна целому числу полуволн m(λ /2). Отсюда находятся координаты тех точек на экране, где возникают темные полосы:

Распределение интенсивности света в дифракционной картине имеет резкий максимум. Следует отметить, что измерения положения минимумов позволяют (при известных параметрах d и L) определить длину волны света.

3. Дифракционная решетка

Более совершенным прибором, позволяющим проводить спектральный анализ света, является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой систему большого числа одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей, лежащих в одной плоскости и разделенных непрозрачными промежутками, равными по ширине. Дифракционная решетка изготавливается путем нанесения параллельных штрихов на поверхность стекла с помощью делительных машин. Места, прочерченные делительной машиной, рассеивают свет во все стороны и являются, таким образом, практически непрозрачными промежутками между неповрежденными частями пластинки, которые играют роль щелей.

Число штрихов на 1 мм определяется областью спектра исследуемого излучения - от 300 1/мм (в инфракрасной области) до 1200 1/мм (в ультрафиолетовой). Это устройство бывает двух типов: пропускающие (прозрачные щели, чередующиеся с непрозрачными промежутками) и отражательные (участки, отражающие свет, чередуются с участками, рассеивающими свет). И в том и в другом случае на поверхность наносится большое количество щелей или рассеивающих свет полос, причем число штрихов доходит до 10 3 на 1 мм, а общее число штрихов ~ 10 5 . Расстояние между двумя соседними щелями называется периодом решетки. Две волны, идущие от краев двух соседних щелей, интерферируют конструктивно, если:

Ясно, что в этом случае волны от всех щелей будут усиливать друг друга (разность хода, определяемая точками, отстоящими друг от друга на целое число периодов решетки, не нарушает условия конструктивной интерференции), и после фокусировки всех лучей с помощью линзы на экране возникнут максимумы интенсивности. Таким образом, предыдущая формула определяет положение максимумов дифракционной картины, создаваемой дифракционной решеткой. Положение всех максимумов, кроме главного максимума, отвечающего m = 0, зависит от длины волны. Поэтому если на решетку падает белый свет, то он разлагается в спектр. С помощью дифракционной решетки можно очень точно измерять длину волны, так как при большом числе щелей области максимумов интенсивности сужаются, превращаясь в тонкие яркие полосы, а расстояния между максимумами (ширина темных полос) растут.

Наилучшим качеством обладают отражательные дифракционные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки настолько малые, что, отражая свет, они рассеивают его вследствие дифракции. Таким образом, пучок света разбивается на множество когерентных лучей.

Если ширина прозрачных участков а, а ширина непрозрачных промежутков b, то величина d=a+b называется периодом решетки. Если на решетку нормально (перпендикулярно) к ее поверхности падает свет с длиной волны l то, как следует из рисунка 1, лучи, рассеянные под углом j к первоначальному направлению от соответствующих мест каждой из щелей, обладают разностями хода dsinj (I и II лучи), 2dsinj (I и III лучи) и т. д.

Волны усиливают друг друга при интерференции, если эта разность хода равна целому числу волн. Углы, под которыми наблюдаются максимумы, находятся из соотношения

K = 0, ±1, ±2, ±3… (1)

Максимумы наблюдаются по обе стороны от падающего луча, а центральный максимум (k=0) наблюдается в направлении падающего луча.

Зеркальная поверхность лазерного компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности в отраженном свете заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски создаваемых им бликов. Луч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь, что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой.

Схема прибора (прибор №1), для наблюдения дифракции света на кусочке компакт-диска, играющего роль отражательной дифракционной решетки, представлена на рисунке 2. Здесь: 1 - источник света - лазер-брелок, укрепленной на поворачивающейся планке, 2 - отражательная дифракционная решетка - кусочек компакт-диска, 3 - зажим для крепления препарата, 4 - транспортир для измерения углов дифракции, 5 - транспортир для измерения угла падения луча света, 6 - зажим для крепления поляроида.

4. Принцип Гюйгенса - Френеля

Особенность дифракционных эффектов состоит в том, что дифракционная картина в каждой точке пространства является результатом интерференции лучей от большого числа вторичных источников Гюйгенса. Объяснение этих эффектов было осуществлено Френелем и получило название принципа Гюйгенса - Френеля.

Сущность принципа Гюйгенса - Френеля можно представить в виде нескольких положений:

1) всю волновую поверхность, возбуждаемую каким-либо источником S 0 площадью S, можно разбить на малые участки с равными площадями dS, которые будут являться системой вторичных источников, испускающих вторичные волны;

2) эти вторичные источники, эквивалентные одному и тому же первичному источнику S 0 , когерентны между собой. Поэтому волны, распространяющиеся от источника S 0 , в любой точке пространства должны являться результатом интерференции всех вторичных волн;

3) мощности излучения всех вторичных источников - участков волновой поверхности с одинаковыми площадями - одинаковы;

4) каждый вторичный источник (с площадью dS) излучает преимущественно в направлении внешней нормали п к волновой поверхности в этой точке; амплитуда вторичных волн в направлении, составляющем с п угол, тем меньше, чем больше угол а, и равна нулю;

5) амплитуда вторичных волн, дошедших до данной точки пространства, зависит от расстояния вторичного источника до этой точки: чем больше расстояние, тем меньше амплитуда;

6) когда часть волновой поверхности S прикрыта непрозрачным экраном, вторичные волны излучаются только открытыми участками этой поверхности. При этом часть световой волны, закрытая непрозрачным экраном, не действует совсем, а открытые области волны действуют так, как если бы экрана совсем не было.

5. Метод зон Френеля

Дифракция Френеля играет основную роль в волновой теории, т.к. вопреки принципу Гюйгенса и на основе принципа Гюйгенса - Френеля, объясняет прямолинейность распространения света в свободной от препятствий однородной среде. Чтобы показать это, рассмотрим действие сферической световой волны от точечного источника s0 в произвольной точке пространства Р. Волновая поверхность такой волны симметрична относительно прямой S0P. Амплитуда искомой волны в точке Р зависит от результата интерференции вторичных волн, излучаемых всеми участками dS поверхности S. Амплитуды и начальные фазы вторичных волн зависят от расположения соответствующих источников dS по отношению к точке Р.

Воспользовавшись симметрией задачи, Френель предложил оригинальный метод разбиения волновой поверхности на зоны (метод зон Френеля). По этому методу волновая поверхность разбивается на кольцевые зоны, построенные так, что расстояния от краев каждой зоны до точки Р отличаются на (длина световой волны в той среде, в которой распространяется волна). Если обозначить через r0 расстояние от вершины волновой поверхности О до точки Р, то расстояния r 0 + k образуют границы всех зон, где k - номер зоны. Колебания, приходящие в точку Р от аналогичных точек- двух соседних зон, противоположны по фазе, так как разность хода от этих зон до точки Р равна. Поэтому при наложении эти колебания взаимно ослабляют друг друга, и результирующая амплитуда выразится суммой:

А=А 1 -А 2 +А 3 -А 4 +….

Величина амплитуды а к зависит от площади - й зоны и угла между внешней нормалью к поверхности зоны в любой ее точке и прямой, направленной из этой точки в точку Р. Можно показать, что площадь - й зоны не зависит от номера зоны в условиях. Таким образом, в рассматриваемом приближении площади всех зон Френеля равновелики и мощность излучения всех зон Френеля - вторичных источников - одинакова. Вместе с тем, с увеличением k возрастает угол между нормалью к поверхности и направлением в точку Р, что приводит к уменьшению интенсивности излучения k-й зоны в данном направлении, т.е. к уменьшению амплитуды A k по сравнению с амплитудами предыдущих зон. Амплитуда A k уменьшается также вследствие - увеличения расстояния от зоны до точки Р с ростом k. В итоге

A 1 > A 2 > A 3 > A 4 > ... > A k >….

Вследствие большого числа зон убывание A k носит монотонный характер и приближенно можно считать, что с учетом малости амплитуды удаленных зон, все выражения в скобках равны нулю. Полученный результат означает, что колебания, вызываемые в точке Р сферической волновой поверхностью, имеют такую же амплитуду, как если бы действовала только половина центральной зоны Френеля. Следовательно, свет от источника S 0 в точку Р распространяется как бы в пределах очень узкого прямого канала, т.е. прямолинейно. Мы приходим к выводу, что в результате явления интерференции уничтожается действие всех зон, кроме первой.

6. Дифракция Фраунгофера одной щели

Практически щель представляется прямоугольным отверстием, длина которого значительно больше ширины. В этом случае свет дифрагирует вправо и влево от щели. Если наблюдать изображение источника в направлении, перпендикулярном направлению образующей щели, то можно ограничиться рассмотрением дифракционной картины в одном измерении (вдоль х). Бели волна падает нормально к плоскости щели, в соответствии с принципом Гюйгенса - Френеля, точки щели являются вторичными источниками волн, колеблющимися в одной фазе, так как плоскость щели совпадает с фронтом падающей волны. Разобьем площадь щели на ряд узких полосок равной ширины, параллельных образующей щели. Фазы волн от разных полосок на одинаковых расстояниях, в силу вышесказанного, равны, амплитуды также равны, т.к. выбранные элементы имеют равные площади и одинаково наклонены к направлению наблюдения.

Если бы при прохождении света через щель соблюдался закон прямолинейного распространения света (не было бы дифракции), то на экране Э, установленном в фокальной плоскости линзы L 2 получалось бы изображение щели. Следовательно, направление = 0 определяет недифрагированную волну с амплитудой a 0 , равной амплитуде волны, посылаемой всей щелью.

Вследствие дифракции световые лучи отклоняются от прямолинейного распространения на углы. Отклонение вправо и влево симметрично относительно осевой линии ОС0 (рис. 8.5, С и С,). Для отыскания действия всей щели в направлении, определяемом углом, необходимо учесть разность фаз, характеризующую волны, доходящие до точки наблюдения С от различных полосок (зон Френеля), т.к. как указывалось выше, в побочном фокусе линзы С собираются все параллельные лучи, падающие на линзу под углом к ее оптической оси ОС0, перпендикулярной фронту падающей волны. Проведем плоскость FD, перпендикулярную к направлению дифрагированных лучей и представляющую фронт новой волны.

Так как линза не вносит дополнительной разности хода лучей, ход всех лучей от плоскости FD до точки С одинаков. Следовательно, полная разность хода лучей от щели FE задается отрезком ED. Проведем плоскости, параллельные волновой поверхности FD, таким образом, чтобы они разделили отрезок ED на несколько участков, каждый из которых имеет длину /2. Эти плоскости разделят щель на вышеупомянутые полоски - зоны Френеля, причем разность хода от соседних зон равна в соответствии с методом Френеля. Тогда результат дифракции в точке C определится числом зон Френеля, укладывающихся в щели: если число зон четное (z = 2k), в точке С наблюдается минимум дифракции, если z - нечетное (z = 2k+1), в точке С - максимум дифракции.

Число зон Френеля, укладывающихся на щели FE, определяется тем, сколько раз в отрезке ED содержится, т.е. z = 0. Отрезок ED, выраженный через ширину щели и угол дифракции, запишется как ED = 0. В итоге для положения максимумов дифракции получаем условие, где k - 1,2,3.. - целые числа. Величина k, принимающая значения чисел натурального ряда, называется порядком дифракционного максимума. Знаки + и - в формулах соответствуют лучам света, дифрагирующим от щели под углами + и - и собирающимся в побочных фокусах линзы L2: C и C, симметричных относительно главного фокуса С 0 . В направлении = 0 наблюдается самый интенсивный центральный максимум нулевого порядка, т.к. колебания от всех зон Френеля приходят в точку С0 в одной фазе.

Положение центрального максимума (= 0) не зависит от длины волны и, следовательно, является общим для всех длин волн. Поэтому в случае белого света центр дифракционной картины представится в виде белой полоски. Ясно, что положение максимумов и минимумов зависит от длины волны. Поэтому простое чередование темных и светлых полос имеет место только при монохроматическом свете. В случае белого света дифракционные картины для волн с разными сдвигаются в соответствии с длиной волны. Центральный максимум белого цвета имеет радужную окраску только по краям (на ширине щели укладывается одна зона Френеля).

Боковые максимумы для разных длин волн уже не совпадают между собой; ближе к центру располагаются максимумы, соответствующие более коротким волнам. Длинноволновые максимумы отстоят друг от друга дальше, чем коротковолновые. Поэтому дифракционный максимум представляет собой спектр, обращенный к центру фиолетовой частью. Полное гашение света не происходит ни в одной точке экрана, так как максимумы и минимумы света с разными перекрываются.

Теория относительности (Альберт Эйнштейн)

Пространство и время едины, существует связь между массой и энергией - специальная теория относительности, перевернувшая в начале прошлого столетия общепринятые представления о мире, до сих пор продолжает будоражить умы и сердца людей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета - попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать - это ваша скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно.

Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.

2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных.

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира - среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда - твердая, жидкая или газообразная.

Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя - как это и показывали эксперименты.