Меню

Интерференционные полосы белого света



Интерференционные полосы белого света

Новый Эталон Килограмма

может в ближайшее время заменить устаревший платиново-иридиевый. »»»

Солнце Становится Ближе

получены изображения высокого разрешения Солнца с космической обсерватории Solar Dynamics Observatory. »»»

Человек «Искрививший» Время

биография Альберта Эйнштейна — величайшего физика создавшего «Общую теорию относительности». »»»

Что за Очки у Будущего?

история создания, развития и будущее популярного оптического прибора. »»»

Интерференционные полосы, полученные в белом свете

Если заменить натриевую лампу источником белого света, то результаты суммируются таким образом:

а) Белая полоса находится в центре. Хотя белый свет состоит из лучей многих цветов различной длины волны, но лучи каждой длины волны из двух источников в центре экрана находятся в фазе.

В центре наблюдается полоса, где каждый отдельный цвет складывается друг с другом.

б) Темные полосы отсутствуют.

Рассмотрим точку, где происходит деструктивная интерференция лучей желтого цвета. Здесь отсутствует темная полоса, потому что хотя лучи желтого цвета в этом месте уничтожаются, но другие цвета нет. Мы поэтому видим белый свет минус желтый.

Положение может быть и не столь упрощенным, поскольку здесь могут взаимоусиливаться некоторые другие цвета. Общая картина будет представлять белый свет в центре и параллельные полосы различных цветов, симметрично расположенные по разные стороны относительно центральной белой полосы.

Вы можете ясно увидеть, что произойдет с интерференционной картиной, если поместить перед источником белого света различные цветные светофильтры. Если фильтр сделан из двух узких полос красного и синего цветов, то получится картина, схематично изображенная на рисунке.

Практическое использование интерференционных полос

Полосы образуются также при интерференции отраженного света. Если капнуть в воду масло или бензин, можно наблюдать цветные разводы. Они образуются вследствие интерференции лучей света, отраженного от верхней и нижней поверхностей очень тонких пленок масла или бензина. Тонкие клинообразные воздушные пленки (например, появляющиеся между предметными стеклами микроскопа, слегка наклоненными друг относительно друга) также образуют интерференционные полосы, когда свет отражается от их верхней и нижней поверхностей.

Тонкий клин при освещении монохроматическим светом образует полосы, параллельные краю этого клина. Когда нижняя пластина клина передвигается, полосы также перемещаются и чрезвычайно малое расстояние, на которое передвинута нижняя пластина, может быть подсчитано по числу полос, прошедших через фокус микроскопа. Стандартная длина в настоящее время определяется по числу интерференционных полосок красного кадмиевого света на 1 м.

Преимущество этого состоит в том, что исключается зависимость от температуры, а платиново-иридиевый сплав, который мы ранее рассматривали, должен находиться при определенной температуре. Другим примером интерференции света является интерференция света на мыльных пленках. Тонкие пленки показывают интерференционные цвета в отраженном или проходящем свете. Чем тоньше пленка, тем ярче цвет.

Эксперимент, аналогичный тому, который провел Юнг, может быть проведен с трехсантиметровыми электромагнитными волнами. Поместите источник трехсантиметровых волн симметрично позади параллельных прорезей А и В шириной около 2 см и расположенных на расстоянии около 6 см друг от друга (рис.). В качестве детектора используйте пробник, который модулирует 3 см волны в «звук» громкоговорителя. По мере того как вы двигаете этот пробник вдоль линии XY, вы получите максимум или минимум громкости звука. Отметьте положения конструктивной и деструктивной интерференции на большом листе бумаги и измерьте разности пройденных расстояний для различных максимумов и минимумов. Результаты должны подтвердить теоретические условия образования интерференционных максимумов и минимумов.

Источник

Глава 3.5. Интерференция света

Интерференция света — явление, возникающее при взаимодействии когерентных световых волн и заключающееся в том, что появляется новая результирующая волна. При этом образуется пространственное распределение интенсивности света в виде чередующихся максимумов и минимумов освещенности, называемое интерференционной картиной: При монохроматическом свете интерференционная картина в общем случае наблюдается в виде темных и светлых полос или колец, а при сложном белом свете — в виде цветных полос или колец.

Когерентными называются такие световые волны, которые имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз на протяжении времени, достаточного для наблюдения.

При взаимодействии когерентных волн амплитуды результирующей световой волны зависят от разности хода D этих волн (рис. 4). Разность хода двух волн — это разность оптических путей этих волн от когерентного источника света до точки их взаимодействия.

Амплитуда будет максимальной, если D равна четному числу полуволн (рис. 4, а),

тогда амплитуда А результирующей волны III равна сумме амплитуд первой (I) и второй (II) интерферирующих волн A1+A2, что соответствует максимальной интенсивности света.

Если же D равна нечетному числу полуволн,

то амплитуда результирующей волны будет минимальной A=A1A2 (рис. 4).

Различают два вида интерференционных картин: 1) полосы равного наклона; 2) полосы равной толщины.

Полосы равного наклона возникают при прохождении излучения через плоскопараллельную пластину при переменном значении угла падения в и постоянной толщине пластины d. Разность хода D интерферирующих лучей в этом случае будет зависеть от угла падения e. Полосы равного наклона локализованы в бесконечности и поэтому могут наблюдаться через зрительную трубу или на экране в фокальной плоскости объектива. На рис. 5 два параллельных когерентных луча, образованных от первичного луча за счет отражения от первой и второй поверхностей пластины, обладают разностью хода, зависящей от угла падения e.. Эти лучи собираются объективом ОБ на экране в фокальной точке М, где интерферируют. Так как от протяженного источника света лучи, падающие на пластину под одинаковым углом e, образуют конус, то на экране будет видна интерференционная картина в виде колец.

Читайте также:  Использование солнечного света для синтеза органических веществ

Если интерференционная картина наблюдается в монохроматическом свете, на экране видны чередующиеся светлые и темные кольца; если в белом свете, то видна система цветных колец.

Полосы равной толщины создаются при прохождении оптического излучения через плоскопараллельную пластину при одинаковом угле падения световых лучей и переменной толщине d этой пластины. Разность хода лучей в этом случае будет зависеть от толщины пластины. На поверхности пластины возникает интерференционная картина в виде чередующихся полос, расположенных параллельно ребру клина. Полосы равной толщины локализованы на поверхности пластины, и их можно рассматривать невооруженным глазом, через лупу, микроскоп или на экране с помощью проекционного устройства.

Интерференция света в виде, полос равной толщины наблюдается в пленках и тонких стеклянных пластинках. Световые лучи, отражаясь от верхней и нижней поверхностей пленки, интерферируют. Там, где разность хода интерферирующих лучей равна четному числу полуволн, возникают максимумы, а где разность хода равна нечетному числу полуволн — минимумы.

При освещении белым светом интерференционная картина представляет собой разноцветные полосы. Этим объясняются радужная окраска пятен масла и нефти на воде, цвета побежалости при закалке металлов и др.

Явление интерференции в тонких пленках называется цветами тонких пленок.

Глава 3.6. Дифракция света

При прохождении света через отверстия и препятствия незначительных размеров, узкие щели, а также мимо краев каких-либо тел происходит нарушение прямолинейности его распространения. (7, с.329.)

Явление отклонения света от прямолинейности его распространения, проявляющееся в огибании краев препятствий, называется дифракцией света. При этом происходит искажение фронта световой волны. Световые лучи, изменившие прямолинейное направление, называются дифрагированными.

Первоначальным теоретическим обоснованием дифракции света явился принцип Гюйгенса. Согласно этому принципу, каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн. Огибающая элементарных волн образует волновую поверхность в следующий момент времени. Это приводит к неизбежности отклонения световой волны от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.

Гюйгенс рассматривал дифракцию только с позиций геометрической оптики. Френель дополнил принцип Гюйгенса понятиями когерентности элементарных воли и их интерференции. Принцип Гюйгенса с дополнениями Френеля получил название принципа Гюйгенса — Френеля. На этом принципе базируется элементарная теория дифракции света.

Принцип Гюйгенса — Френеля раскрывает законы распространения волнового фронта и распределение интенсивности в дифракционной картине. Максимумы интенсивности (свет) наблюдаются в тех местах, где взаимодействующие элементарные волны усиливают друг друга, минимумы интенсивности (темнота или ослабление света) — там, где взаимодействующие элементарные волны гасят друг друга.

В результате интерференции диафрагмированных лучей возникает характерная дифракционная картина: дифракционное изображение точки при наблюдении в белом свете окружено цветными полосами или кольцами. В зависимости от формы волнового фронта различают дифракцию, наблюдаемую в сходящихся пучках световых лучей со сферическим волновым фронтом, — дифракцию Френеля и дифракцию, наблюдаемую в параллельных пучках световых лучей с плоским волновым фронтом, — дифракцию Фраунгофера.

При прохождении монохроматического света от точечного источника через небольшое круглое отверстие (рис. 6) в результате интерференции дифрагированных лучей на экране, расположенном за отверстием, наблюдается дифракционная картина в виде чередующихся темных и светлых концентрических колец. В центре дифракционной картины в зависимости от размеров экрана может быть темное или светлое пятно. Если отверстие в экране будет иметь вид щели (рис. 7), то в плоскости наблюдения получатся чередующиеся светлые и темные полосы. Яркость полос убывает от середины к краям. При освещении экрана белым светом дифракционная картина имеет радужную окраску.

Дифракция ограничивает разрешающую способность оптических систем. В реальных оптических системах вследствие дифракции света изображение точки в монохроматическом свете представляет собой кружок с центральным светлым ядром, окруженным светлыми кольцами, а в белом свете — кружок со светлым ядром, окруженным радужно окрашенными кольцами. Поскольку предмет есть совокупность точек, его изображение также будет состоять из соответствующих дифракционных изображений точек. Если две точки находятся на близком расстоянии одна от другой, их дифракционные изображения могут взаимно перекрываться и сливаться.

Читайте также:  Opel corsa 2008 ближний свет

Способность оптической системы давать раздельно изображения двух близко расположенных друг к другу точек предмета называется разрешающей способностью. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, при котором они наблюдаются раздельно, называется линейным пределом разрешения rN или угловым пределом разрешения c.

На использовании явления дифракции основано действие спектральных приборов, дифракционной решетки и т.д.

Дифракционная решетка — оптическая деталь, являющаяся основным диспергирующим элементом спектральных приборов. Дифракционные решетки делятся на прозрачные и отражательные. Прозрачные дифракционные решетки работают в проходящем свете, отражательные — в отраженном.

Источник

Интерференционные полосы белого света

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а 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 и жуков – все это проявление интерференции света.

Первый эксперимент по наблюдению 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 (рис. 3.7.1). Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис. 3.7.2).

Рисунок 3.7.1.

Ньютон не смог с точки зрения корпускулярной теории объяснить, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов (см. § 3.6).

Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель , падал на экран с двумя близко расположенными щелями и (рис. 3.7.3). Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели и , перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Рисунок 3.7.3.

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели и , которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника . При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками и , находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения разные расстояния и . Следовательно, фазы колебаний, создаваемых волнами от источников и в точке , вообще говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами. Утверждение о том, что волны от источников и распространяются независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом и носит название принципа суперпозиции .

Монохроматическая (или синусоидальная) волна , распространяющаяся в направлении радиус-вектора , записывается в виде

где – амплитуда волны, – волновое число, – длина волны, – круговая частота. В оптических задачах под следует понимать модуль вектора напряженности электрического поля волны. При сложении двух волн в точке результирующее колебание также происходит на частоте и имеет некоторую амплитуду и фазу :

Приборов, которые способны были бы следить за быстрыми изменениями поля световой волны в оптическом диапазоне, не существует; наблюдаемой величиной является поток энергии, который прямо пропорционален квадрату амплитуды электрического поля волны. Физическую величину, равную квадрату амплитуды электрического поля волны, принято называть интенсивностью : .

Несложные тригонометрические преобразования приводят к следующему выражению для интенсивности результирующего колебания в точке :

(*)

где – так называемая разность хода .

Из этого выражения следует, что интерференционный максимум (светлая полоса) достигается в тех точках пространства, в которых . При этом . Интерференционный минимум (темная полоса) достигается при . Минимальное значение интенсивности . На рис. 3.7.4 показано распределение интенсивности света в интерференционной картине в зависимости от разности хода .

Рисунок 3.7.4.

В частности, если , т. е. интенсивности обеих интерферирующих волн одинаковы, выражение (*) приобретает вид:

(**)

Формулы (*) и (**) являются универсальными. Они применимы к любой интерференционной схеме, в которой происходит сложение двух монохроматических волн одной и той же частоты.

Если в схеме Юнга через обозначить смещение точки наблюдения от плоскости симметрии, то для случая, когда и (в оптических экспериментах эти условия обычно выполняются), можно приближенно получить:

При смещении вдоль координатной оси на расстояние, равное ширине интерференционной полосы , т. е. при смещении из одного интерференционного максимума в соседний, разность хода изменяется на одну длину волны . Следовательно,

где – угол схождения «лучей» в точке наблюдения . Выполним количественную оценку. Допустим, что расстояние между щелями и равно 1 мм, а расстояние от щелей до экрана Э составляет , тогда . Для зеленого света получим . Для красного света Таким путем Юнг впервые измерил длины световых волн, хотя точность этих измерений была невелика.

Следует подчеркнуть, что в волновой оптике, в отличие от геометрической оптики, понятие луча света утрачивает физический смысл. Термин «луч» употребляется здесь для краткости для обозначения направления распространения волны. В дальнейшем этот термин будет употребляться без кавычек.

В эксперименте Ньютона (рис. 3.7.1) при нормальном падении волны на плоскую поверхность линзы разность хода приблизительно равна удвоенной толщине воздушного промежутка между линзой и плоскостью. Для случая, когда радиус кривизны линзы велик по сравнению с , можно приближенно получить:

где – смещение от оси симметрии. При написании выражения для разности хода следует также учесть, что волны 1 и 2 отражаются при разных условиях. Первая волна отражается от границы стекло–воздух, а вторая – от границы воздух–стекло. Во втором случае происходит изменение фазы колебаний отраженной волны на , что эквивалентно увеличению разности хода на . Поэтому

При то есть в центре (точка соприкосновения) поэтому в центре колец Ньютона всегда наблюдается интерференционный минимум – темное пятно. Радиусы последующих темных колец определяются выражением

Эта формула позволяет экспериментально определить длину волны света , если известен радиус кривизны линзы.

Проблема когерентности волн. Теория Юнга позволила объяснить интерференционные явления, возникающие при сложении двух монохроматических волн одной и той же частоты. Однако повседневный опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не просто. Если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке складываются интенсивности света и никакой интерференции не наблюдается. Возникает вопрос, в каких случаях нужно складывать напряженности (с учетом фазовых соотношений), в каких – интенсивности волн, т. е. квадраты напряженностей полей? Теория интерференции монохроматических волн не может дать ответа на этот вопрос.

Реальные световые волны не являются строго монохроматическими. В силу фундаментальных физических причин излучение всегда имеет статистический (или случайный) характер. Атомы светового источника излучают независимо друг от друга в случайные моменты времени, и излучение каждого атома длится очень короткое время ). Результирующее излучение источника в каждый момент времени состоит из вкладов огромного числа атомов. Через время порядка вся совокупность излучающих атомов обновляется. Поэтому суммарное излучение будет иметь другую амплитуду и, что особенно важно, другую фазу. Фаза волны, излучаемой реальным источником света, остается приблизительно постоянной только на интервалах времени порядка . Отдельные «обрывки» излучения длительности называются цугами . Цуги имеют пространственную длину, равную , где – скорость света. Колебания в разных цугах не согласованы между собой. Таким образом, реальная световая волна представляет собой последовательность волновых цугов с беспорядочно меняющейся фазой . Принято говорить, что колебания в разных цугах некогерентны . Интервал времени , в течение которого фаза колебаний остается приблизительно постоянной, называют временем когерентности .

Интерференция может возникнуть только при сложении когерентных колебаний, т. е. колебаний, относящихся к одному и тому же цугу. Хотя фазы каждого из этих колебаний также подвержены случайным изменениям во времени, но эти изменения одинаковы, поэтому разность фаз когерентных колебаний остается постоянной. В этом случае наблюдается устойчивая интерференционная картина и, следовательно, выполняется принцип суперпозиции полей. При сложении некогерентных колебаний разность фаз оказывается случайной функцией времени. Интерференционные полосы испытывают беспорядочные перемещения из стороны в сторону, и за время их регистрации, которая в оптических экспериментах значительно больше времени когерентности , происходит полное усреднение. Регистрирующее устройство (глаз, фотопластинка, фотоэлемент) зафиксирует в точке наблюдения усредненное значение интенсивности, равное сумме интенсивностей обоих колебаний. В этом случае выполняется закон сложения интенсивностей.

Таким образом, интерференция может возникнуть только при сложении когерентных колебаний. Волны, создающие в точке наблюдения когерентные колебания, также называются когерентными. Волны от двух независимых источников некогерентны и не могут дать интерференции. Т. Юнг интуитивно угадал, что для получения интерференции света нужно волну от источника разделить на две когерентные волны и затем наблюдать на экране результат их сложения. Так делается во всех интерференционных схемах. Однако, даже в этом случае интерференционная картина исчезает, если разность хода превысит длину когерентности .

Источник

Свет и его значения © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.