Для будь-якого хвильового руху характерні явища інтерференції та дифракції. Оскільки світло має хвильову природу, можна спостерігати й інтерференцію світла. Слід зазначити, що одним з перших це явище на практиці застосував Ньютон, хоча йому так і не вдалося пояснити його причину, адже з позицій корпускулярної теорії світла, прихильником якої був учений, це було неможливо. Отже, дізнаємось, що це за явище і в чому його причина.
Характеризуємо хвильові властивості світла
Для будь-яких хвиль виконується принцип суперпозиції, тобто, якщо в певну точку простору надходять хвилі від декількох джерел, то ці хвилі накладаються одна на одну. За певних умов унаслідок такого накладання в деяких точках простору може відбуватися посилення коливань, а в деяких — послаблення.
Інтерференція — явище накладання хвиль, унаслідок якого в певних точках простору спостерігається стійке в часі посилення або послаблення результуючих коливань.
З’ясуємо, що означає це явище для світла. Оскільки світло має електромагнітну природу, то при поширенні світлової хвилі в кожній точці простору, де поширюється хвиля, відбувається періодична зміна напруженості та магнітної індукції електромагнітного поля. Якщо через деяку точку простору поширюються дві світлові хвилі, то напруженості полів векторно додаються. Результуюча напруженість характеризуватиме світлову енергію, що надходить в дану точку.
Чим більша напруженість, тим більшою є енергія, що надходить. Так само додаються і вектори магнітної індукції.
У випадку, коли напрямки напруженостей полів двох світлових хвиль збігаються, результуюча напруженість збільшується, і в точці спостерігається максимальне збільшення освітленості. І навпаки, коли напруженості полів напрямлені протилежно, результуюча напруженість зменшується, і світло гаситиметься світлом.
Зверніть увагу: під час інтерференції енергія не зникає — відбувається Ті перерозподіл у просторі.
Для того щоб в певних точках простору весь час могло відбуватися посилення або послаблення результуючих коливань, необхідне виконання двох умов, які називаються умовами когерентності хвиль: 1) хвилі повинні мати однакову частоту; 2) різниця початкових фаз Δφ цих хвиль має бути постійною.
Хвилі, які відповідають умовам когерентності, називають когерентними хвилями.
ИЗа яких умов утворюються максимум і мінімум інтерференції
Розглянемо дві когерентні світлові хвилі, які надходять у довільну точку М, розташовану на відстані dl від джерела S, і на відстані d2 від джерела S2. Відстань Ad = dt- d2 називається геометричною різницею ходу хвиль (рис. 44.1).
Якщо хвилі відходять від джерел Sj і S2 в однакових фазах, а різниця ходу Ad = 0, то в точку М хвилі надходять також в однакових фазах. У цьому випадку в точці М весь час відбуваються електромагнітні коливання зі збільшеною амплітудою (рис. 44.2), отже, спостерігається максимум освітленості. Те саме відбуватиметься і при Ad*0 за умови, що на відрізку Ad укладається будь-яке ціле число довжин хвиль (парне число півхвиль).
Рис. 44.1. Геометрична різниця ходу двох хвиль
Рис. 44.2. У точках інтерференційних максимумів коливання посилюють одне одне: 4=Д+Д, де 4,, 42 — амплітуди вихідних коливань, А — амплітуда результуючих коливань
Умова максимуму; в даній точці простору весь час відбувається посилення результуючих світлових коливань, якщо геометрична різниця ходу двох світлових хвиль, що надходять в цю точку, дорівнює цілому числу довжин хвиль (парному числу півхвиль):
Ad
= kk = 2k—, 2
де λ — довжина світлової хвилі у середовищі, k — ціле число.
239
Якщо на відрізку Ad укладається непарне число півхвиль, тобто хвилі від джерел S, і S2 надходять в точку М із зсувом фаз π (або 3π, 5π і т. д.), то коливання напруженостей полів цих хвиль відбуваються в протилежних фазах. У цьому випадку в точці М весь час відбуваються електромагнітні коливання зі зменшеною амплітудою (рис. 44.3), отже, спостерігається мінімум освітленості. Умова мінімуму; в даній точці простору весь час відбувається послаблення результуючих світлових коливань, якщо геометрична різниця ходу двох світлових хвиль, що надходять в цю точку, дорівнює непарному числу півхвиль:
Зверніть увагу: під час розв’язування задач слід враховувати, що довжина
світлової хвилі у середовищі менша за довжину
світлової хвилі у вакуумі в п разів:
абсолютний показник заломлення середовища.
Як спостерігати інтерференцію світла
Ви добре знаєте, що якщо в кімнаті ввімкнути додаткове джерело світла, то освітленість посилиться в будь-якій точці кімнати (інтерференція не спостерігатиметься). Річ у тім, що спостерігати
інтерференційну картину від двох незалежних джерел світла (за винятком лазерів) неможливо. Причина в тому, що атоми джерел випромінюють світло незалежно один від одного окремими «цугами» («обривками хвиль») довжиною до 3 м, тривалість імпульсу — порядку 10~8 с. Фази «цугів», випромінених окремими атомами, і площина коливань вектора напруженості хаотично змінюються. Отже, інтерференційна картина від двох незалежних джерел світла змінюється кожну ЇСИ с. Через інерційність зору людина не може помітити настільки швидкі процеси (зорові відчуття на сітківці зберігаються протягом 0,1 с),
Для одержання когерентних джерел світла вдаються до штучного прийому: пучок світла від одного джерела S (рис. 44.4) розділяють на два (або більше) пучки світлових хвиль. Ці хвилі когерентні (випромінюються
тим самим джерелом світла) і мають деяку різницю ходу (йдуть до екрана різними шляхами). Якщо різниця ходу для певної точки екрана дорівнює парному числу півхвиль, то в цій точці спостерігається максимум освітленості, якщо непарному — мінімум освітленості. Отже, на екрані створюється інтерференційна картина: чергування світлих і темних смуг у разі монохроматичного джерела світла або чергування райдужних смуг у разі джерела білого світла.
Інтерференція на тонких плівках. Кільця Ньютона
Із проявами інтерференції світла в природі ми найчастіше зустрічаємось тоді, коли світло падає на тонку прозору плівку (рис. 44.5). Світлова хвиля частково відбивається від зовнішньої поверхні плівки (хвиля 1), частково проходить через плівку і, відбившись від її внутрішньої поверхні, повертається в повітря (хвиля 2). Оскільки хвиля 2 проходить більшу відстань, ніж хвиля 1, то між ними існує різниця ходу. Обидві хвилі когерентні, оскільки створені одним джерелом, тому в результаті їх накладання спостерігається стійка інтерференційна картина. Якщо хвиля 2 відстає від хвилі 1 на парне число півхвиль, то спостерігається посилення світла (максимум інтерференції), якщо на непарне — послаблення (мінімум інтерференції). Саме інтерференцією світла зумовлений переливчастий колір багатьох комах (рис. 44.6).
Біле світло поліхроматичне, воно складається з хвиль різної довжини, тому для посилення світла різного кольору потрібна різна товщина плівки. Отже, якщо плівка має різну товщину і освітлюється білим світлом, то вона виявиться райдужно забарвленою (райдужні мильні плівки, райдужна масляна плівка на поверхні води). Крім того, різниця ходу хвиль у тонкій плівці залежатиме від кута падіння світла на плівку (зі збільшенням кута падіння різниця ходу збільшується).
З інтерференцією світла на плівці пов’язана поява інтерференційної картини у вигляді концентричних кілець, що отримали назву кільця Ньютона (рис. 44.7).
Роль плівки у цьому випадку виконує повітряний проміжок між скляною поверхнею лінзи і скляною ж пластиною. Якщо освітлювати лінзу монохроматичним світлом, то спостерігається чергування світлих і темних кілець, причому радіуси кілець залежатимуть від довжини хвилі світла. Якщо ж лінзу освітити білим світлом, то кільця виявляться спектрально забарвленими.
Застосування інтерференції
Інтерференцію на тонких плівках застосовують для просвітлення оптики. Цей метод був відкритий українським фізиком Олександром Смакулою (1900-1983) у 1935 р.
В оптичних системах, які містять кілька лінз, унаслідок відбиття може втрачатися до 40 % енергії світла. Щоб знизити втрати, на поверхню лінз наносять тонку плівку, показник заломлення якої менший, ніж показник заломлення матеріалу лінзи. Товщину плівки добирають таким чином, щоб різниця ходу між променями, відбитими від зовнішньої та внутрішньої поверхонь плівки, дорівнювала півхвилі. У цьому випадку у відбитому світлі виконується умова мінімуму, отже, відбиті промені гаситимуться, і через лінзу проходитиме більше світла.
Але одна плівка не може забезпечити гасіння хвиль всіх довжин, тому товщину плівки добирають так, щоб повне гасіння за нормального падіння відбувалося для хвиль середньої частини спектра, до яких найбільш чутливе око людини. Якщо треба забезпечити гасіння в широкому діапазоні довжин хвиль, використовують багатошарові плівки.
За допомогою інтерференції оцінюють якість шліфування поверхні виробу. Для цього між поверхнею зразка і дуже гладенькою еталонною пластиною створюють повітряний прошарок. На тонкому повітряному клині між зразком і пластиною утворюється інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг. Якість шліфування визначають за формою смуг: наявність нерівності навіть порядку 10~8 м призводить до викривлення інтерференційних смуг (рис. 44.8).
Для точних вимірювань коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів, коефіцієнтів заломлення речовин, для вияву досить малих концентрацій домішок у газах та рідинах і т. д. використовують інтерферометри — надточні вимірювальні прилади, принцип дії яких ґрунтується на явищі інтерференції світла.
Рис. 44.8. Перевірка якості шліфування за допомогою інтерференції (о); якщо зразок гладенький, то інтерференційні смуги паралельні (б); якщо ж на поверхні зразка є подряпина — інтерференційні смуги викривлені в бік збільшення товщини повітряного клину (в)
Як приклад розглянемо будову інтерферометра Майкельсона (рис. 44.9). Він складається з двох дзеркал М, і М2, напівпрозорої пластини Ру та прозорої пластини Р2. Світло від джерела падає на пластину Pv де розділяється на два
пучки: пучок 1 відбивається в напрямку до дзеркала Міг пучок 2 поширюється в напрямку до дзеркала М2. Відбиті від дзеркал пучки потрапляють в зорову трубу. Оскільки обидві хвилі когерентні, то око спостерігача побачить інтерференційні смуги. Якщо необхідно виміряти, наприклад, коефіцієнт заломлення деякої речовини, її розташовують на шляху променя 1 або 2, внаслідок чого інтерференційні смуги зміщуються. За цим зміщенням визначають коефіцієнт заломлення.
Серед різноманітних практичних застосувань інтерференції світла одним з найцікавіших є голографія (від грец. όλος — повний і γράφω — пишу).
Сутність голографії полягає в записуванні повної оптичної інформації про предмет, тобто інформації не тільки про амплітуду світлової хвилі, а й про її фазу. Річ у тім, що хвиля, відбита будь-яким тілом, містить інформацію не лише про його освітленість, а й про положення тіла та взаємне розташування його частин: чим далі від оптичної системи перебуває предмет або його частина, тим довше поширюється світло й тим більшою буде його фаза.
Якщо об’єкт спостереження освітити монохроматичним і просторово когерентним світловим пучком, то хвилі, відбиті від далеких від оптичної системи та близьких до неї ділянок об’єкта, накладаючись, створюють інтерференційну картину — голограму, яку записують на фотопластинці. Голографічне зображення предмета жодною мірою не відповідає його зовнішньому вигляду. Але після відновлення зображення з голограми можна побачити просторове зображення тіла. Цікаво, що зображення предмета з голограми можна відновити за будь-якою, навіть невеликою її частиною.
Це матеріал з підручника Фізика 11 клас Бар'яхтар