Електромагнітна природа світла Інтерференція світла.

План.

1. Особливості світлових хвиль. Когерентність.

2. Способи здійснення інтерференції світла.

3. Інтерферометри і використання їх

Рис. 1

Методи визначення швидкості світла. Світло поширюється зі скінченою швидкістю. Уперше виміряти швидкість світла вдалося датському вченому О. К. Ремеру (1644—1710) у 1676 р., коли він спостерігав затемнення супутників Юпітера. Спостереження показали, що затемнення супутника Юпітера залежно від положення Землі в її русі навколо Сонця закінчується з деяким запізненням. Це зумовлено тим, що світлу потрібний певний час, щоб пройти різницю відстані між двома крайніми положеннями Землі на її орбіті. Значення швидкості, яке дістав уперше Ремер, через низьку точність вимірювання дорівнювало 215 000 км/с. У лабораторії швидкість світла виміряв уперше французький фізик І. Л. Фізо (1819—1896) у 1849 р. За допомогою напівпрозорого дзеркала А (рис.1 ) світло від джерела направлялося на зубчасте колесо К з числом зубців N, що оберталося навколо точки 0. Проходячи між зубцями, світло досягало дзеркала Дз, яке знаходилося від колеса на відстані = 8,6 км. Якщо колесо К обертається досить швидко, то відбите од дзеркала світло потрапляє на зубець так, що до спостерігача С воно не доходить. Тоді швидкість світлових хвиль: , де — найменша кутова швидкість обертання колеса, при який світло не доходить до спостерігача.

Американський фізик А. А. Майкельсон (1852—1931) замість зубчастого колеса застосував обертове восьмигранне дзеркало.

За сучасними даними, швидкість світла у вакуумі дорівнює:= 299792456,2М/сМ/с.

Досліди свідчать, що швидкість світла в різних середовищах дорівнює: , де — швидкість світла у вакуумі, — абсолютний показник заломлення даного середовища.

Природа світла. За останні 300 років погляди на природу світла дуже змінювалися. В кінці 17 ст. сформувалися дві принципово різні теорії відносно природи світла: корпускулярна теорія Ньютона та хвильова теорія Гюйгенса.

Згідно корпускулярної теорії світло є потік матеріальних часток (корпускул), які летять з великою швидкістю від джерела світла.

Згідно хвильової теорії світло є хвилею, яка розповсюджується від джерела та поширюється з великою швидкістю у „всесвітньому ефірі” – нерухомій пружній речовині, яка безперервно заповнює весь Всесвіт.

Обидві теорії мали досягнення та вади у змалюванні різних проявів та явищ пов’язаних зі світлом. До кінця 19 ст. більшість фізиків підтримувала корпускулярну теорію Ньютона; на початку 19 ст. хвильова теорія отримала суттєві теоретичні доповнення, що дало змогу більш детально з’ясовувати з її допомогою більшість світлових явищ, які до цього не мали роз’яснення; тому хвильова теорія Гюйгенса-Френеля отримала загальне визнання, а корпускулярна теорія на тривалий час була забута. Слабким місцем хвильової теорії був ефір, але згодом потреба в цій гіпотетичній субстанції відпала бо завдяки електромагнітній теорії Максвела з’ясувалося, що світло, як електромагнітна хвиля, поширюється в електромагнітному полі. Видиме світло є електромагнітними хвилями з довжиною від 770 нм до 380 нм, які породжуються коливанням зарядів в атомах та молекулах.

Таким чином хвильова теорія трансформувалася в електромагнітну теорію світла. До кінця 19 ст. ця нова теорія світла не мала великих застережень, але згодом накопичився практичний матеріал, який примусив прийняти гіпотезу М. Планка (1900 р.) відносно дискретного (переривчастого) характеру випромінювання та поглинання світла; народилася квантова теорія світла А. Ейнштейна (1905 р.). Таким чином потік квантів світла – фотонів дуже нагадував корпускулярну теорію Ньютона. Але фотони не частинки – всі фотони рухаються зі швидкістю світла, маючи при цьому конечну масу („маса спокою” фотона дорівнює нулю). За сучасними уявленнями природа світло носить подвійний характер — квантово-хвильовий дуалізм природи світла.

Світло – складний електромагнітний процес, який має як хвильові, так і корпускулярні властивості.

В таких явищах, як: інтерференція, дифракція, поляризація світло виявляє хвильові властивості. А в таких явищах, як: фотоефект, люмінесценція, атомні та молекулярні спектри, тиск світла на поверхню світло проявляє себе як потік матеріальних часток – квантів. Сучасна фізика намагається створити єдину теорію відносно природи світла, яка б відображала квантово-хвильовий дуалізм світла, проте розробка такої теорії поки що не завершена.

Інтерференція світла. Інтерференцією називають накладання когерентних хвиль, при якому вони стабільно підсилюються або ослаблюються. Когерентні хвилі — це хвилі однакової частоти, стабільної різниці фаз (в точці додавання) та однакового напряму коливань відповідних векторів. Смуги в інтерференційній картині можуть бути різного кольору. Один з методів утворення когерентних хвиль — розщеплення хвилі, що випромінюється одним джерелом, на дві, шлях яких до точки спостереження різний.

1. Спосіб Юнга. У 1807 р. Т. Юнг дістав два когерентні джерела у вигляді двох невеличких отворів в екрані, освітлюваному вузьким пучком світла. За принципом Гюйгенса-Френеля отвори можна вважати вторинними джерелами світла, утворюваними джерелом S. Неважко помітити, що будь-яка зміна фази коливання джерела S викликатиме таку саму зміну фаз у джерел, але різниця їхніх фаз залишатиметься незмінною; джерела є когерентними.

Б) Дзеркала Френеля. Французький фізик Френель (1788—1827) здійснив інтерференцію світла в чистому вигляді за допомогою двох дзеркал, розміщених під кутом, близьким до 180° За цим способом одна частина кожної світлової хвилі, випромінюваної точковим джерелом S, відбиваючись від дзеркала QN, а друга від дзеркала QM, змінюють свій напрям поширення так, що далі сходяться на екрані і інтерферують. Щоб світло від джерела S безпосередньо не потрапляло на екран, джерело екранують. Когерентні хвилі, що утворюються способом відбиття від двох дзеркал, немовби випромінюються джерелами S' і S", які є уявними зображеннями в дзеркалах джерела S. Точки S' і S" можна розглядати як два когерентних джерела світла, бо ж будь-яка зміна фази коливання в джерелі S тією ж самою мірою буде повторюватися в його зображеннях S' і S", але різниця фаз між ними залишатиметься сталою. Результат інтерференції світла в заданій точці на екрані залежатиме від різниці ходів хвиль від джерел S' і S" до даної точки. Нехай з точки О виходять дві когерентні плоскі хвилі з однаковими фазами. Їхні шляхи умовно позначимо стрілками. До точки Р перша хвиля проходить у середовищі з показником заломлення n1 , шлях r1 а друга – в середовищі з показником заломлення n2 шлях r2. Тоді в точці спостереження коливання описуватимуться рівняннями

r1 n1

Р

O· r2 n2

Де — фазова швидкість. Тоді різниця фаз коливань, які спостерігаються в точці Р, дорівнює , де λ— довжина хвилі у вакуумі. Величина Δ=, називається оптичною різницею ходу.

Якщо оптична різниця ходу Δ дорівнює цілому числу довжин хвиль у вакуумі Δ=±m λ (m=0,1,2…), то різниця фаз Δφ= ±2π і інтенсивність в точці Р буде максимальною, це умова max. Якщо Δ=±(m+) λ, то Δφ= ±(2m+1)π і інтенсивність у точці Р min, це умова min.

В результаті інтерференції спостерігатимуться підсилення монохроматичного світла в місцях, де оптична різниця ходу дорівнюватиме цілому числу довжин хвиль: — це умова максимуму. Або, коли різниця фаз дорівнюватиме нулю, або парному числу : .

Якщо оптична різниця дорівнює непарному числу півхвиль , то для даної довжини хвилі виконується умова мінімуму освітленості ( ослаблення світла, темна смуга).

Мінімальна амплітуда буде і тоді, коли різниця фаз дорівнюватиме непарному числу :

Оптичний шлях, це величина, яка дорівнює добутку геометричного шляху на показник заломлення даного середовища.

Кільця Ньютона. Інтерференційну картину, що з'являється між плоско-опуклою поверхнею скла великого радіуса кривизни і скляною пластинкою при освітленні монохроматичним світлом, називають кільцями Ньютона. Промінь 1 , що пройшов два рази повітряний зазор, проінтерферує з променем 2. Інтерференційна картина має вигляд світлих і темних кілець, бо всі точки на кільці з радіусом мають однакову різницю ходу променів і послаблюють, або підсилюють світло. При використанні білого світла інтерференційна картина має вигляд кольорових райдужних кілець. Знаючи радіус кривизни лінзи і вимірявши радіус -го темного кільця Ньютона, можна визначити довжину хвилі певного кольору світла за формулою

Радіус темного кільця у відбитому світлі

Радіус світлого кільця Ньютона у відбитому світлі

Застосування явища інтерференції. Явище інтерференції використовується в спеціальних приладах — інтерферометрах, призначених для точного вимірювання довжини світлових хвиль, визначення показника заломлення газів, перевірки якості обробки поверхонь тощо. За допомогою інтерференції можна зменшити відбивання світла від поверхонь лінз, що поліпшує їхню характеристику (просвітлення оптики). Для цього на зовнішню поверхню оптичної системи (об'єктива) наносять тонку плівку з показником заломлення п меншим, ніж показник заломлення скла . Якщо товщину плівки підібрати так, щоб відбитий від поверхні об'єктива промінь мав різницю ходу, кратну половині довжини хвилі в плівці, то на межі повітря — плівка спостерігатиметься послаблення хвилі, яка відбивається. Внаслідок цього значно зменшується частина світлової енергії, що відбивається, і збільшується частина, що проходить крізь об'єктив. Погасити відбиті хвилі всіх частот неможливо. Тому товщину плівки підбирають так, щоб у разі нормального падіння гасилися хвилі середньої довжини в спектрі видимого світла (тобто світлові хвилі зеленого кольору, = 555 мкм).

Прилади, в яких явище інтерференції використовується для визначення довжини світлової хвилі, показника заломлення речовини, точних вимірювань довжини, для контролю якості обробки поверхні тощо, називають інтерферометрами. Інтерферометр Майкельсона. Схема будови інтерферометра зображена на рис. 4. Паралельний пучок світла від джерела падає під кутом 45° на скляну пластинку P; задня поверхня пластинки покрита напівпрозорим шаром срібла. Цей шар розділяє промінь на дві частини: перший — відбитий промінь — спрямовується на плоске дзеркало S1, а другий проходить через шар срібла і попадає на дзеркало S2. Відбиваючись від дзеркал, обидва промені зводяться, інтерферують і проходять у зорову трубку T. Оскільки перший промінь до накладання з другим проходить товщу пластинки P тричі, а другий промінь один раз, то для компенсації цієї різниці на шляху другого променя розміщують таку саму скляну пластинку P1.

Залежно від різниці ходів обох променів поле зору труби буде світлим або темним. Очевидно, коли б ми змістили дзеркало S2 на відстань l/4, то різниця ходів обох променів змінилася на l/2, а фон поля зору помінявся на протилежний. Для точнішої оцінки зміщень дзеркала S2 нерухоме дзеркало S1 дещо нахиляють до падаючих променів, завдяки чому хід променів до різних точок цього дзеркала буде різним; різні й різниці ходів у відповідних променів, відбитих від дзеркал S1 і S2. Тому в полі зору трубки замість однорідного фону буде система паралельних світлих і темних інтерференційних смуг. Тепер будь-яке зміщення дзеркала S2 зумовлюватиме в полі зору труби переміщення смуг; його можна виміряти з великою точністю, а за ним знайти зміщення дзеркала S2. Таким способом вперше порівняли міжнародний еталон метра з довжиною хвилі червоної спектральної лінії кадмію. Тепер метр визначається через довжину хвилі оранжевої лінії випромінювання криптону 86 у вакуумі, а саме: 1 м = 1650763,73 l0.

Інтерферометр Лінніка. Для контролю високої частоти обробки металічних і різних оптичних поверхонь користуються мікро інтерферометром В. П.Лінніка. (рис.5).

Рис. 5

Рис. 4