Priroda svetlosti

Prve ideje o prirodi svjetlosti nastale su među starim Grcima i Egipćanima. Pronalaskom i usavršavanjem različitih optičkih instrumenata (parabolična ogledala, mikroskop, teleskop), ove ideje su se razvile i transformisale. Krajem 17. veka pojavile su se dve teorije svetlosti: korpuskularno(I. Newton) i talas(R. Hooke i H. Huygens).

Talasna teorija posmatrao svetlost kao talasni proces sličan mehaničkim talasima. Talasna teorija se zasnivala na Hajgensov princip. Velike zasluge za razvoj talasnih teorija pripadaju engleskom fizičaru T. Youngu i francuskom fizičaru O. Fresnelu, koji su proučavali fenomene interferencije i difrakcije. Sveobuhvatno objašnjenje ovih pojava moglo bi se dati samo na osnovu teorije talasa. Važna eksperimentalna potvrda validnosti teorije talasa dobijena je 1851. godine, kada je J. Foucault (i nezavisno od njega A. Fizeau) izmerio brzinu svetlosti u vodi i dobio vrednost υ < c.

Iako je do sredine 19. veka teorija talasa bila opšteprihvaćena, pitanje prirode svetlosnih talasa ostalo je nerešeno.

Maksvel je 60-ih godina 19. veka ustanovio opšte zakone elektromagnetnog polja, što ga je dovelo do zaključka da je svetlost elektromagnetnih talasa. Važna potvrda ovog gledišta bila je podudarnost brzine svjetlosti u vakuumu s elektrodinamičkom konstantom:

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

Elektromagnetna priroda svjetlosti prepoznata je nakon eksperimenata G. Hertza (1887–1888) u proučavanju elektromagnetnih valova. Početkom 20. veka, nakon eksperimenata P. N. Lebedeva o merenju svetlosnog pritiska (1901), elektromagnetna teorija svetlosti postala je čvrsto utvrđena činjenica.

Najvažniju ulogu u razjašnjavanju prirode svjetlosti odigralo je eksperimentalno određivanje njene brzine. Od kraja 17. vijeka više puta se pokušava izmjeriti brzina svjetlosti raznim metodama (astronomska metoda A. Fizeaua, metoda A. Michelsona). Moderna laserska tehnologija omogućava mjerenje brzine svjetlosti With veoma visoka tačnost zasnovana na nezavisnim merenjima talasne dužine λ i frekvencije svetlosti ν (c = λ · ν ). Na taj način je pronađena vrijednost c= 299792458 ± 1,2 m/s, što premašuje po tačnosti sve prethodno dobijene vrijednosti za više od dva reda veličine.

Svetlost igra izuzetno važnu ulogu u našim životima. Čovjek prima ogromnu količinu informacija o svijetu oko sebe uz pomoć svjetlosti. Međutim, u optici kao grani fizike, svjetlost se ne razumije samo vidljivo svetlo, ali i susjedni široki opsezi spektra elektromagnetnog zračenja - infracrveni(IR) i UV(UV). U pogledu svojih fizičkih svojstava, svjetlost se u osnovi ne razlikuje od elektromagnetnog zračenja u drugim opsezima - različiti dijelovi spektra razlikuju se jedan od drugog samo po talasnoj dužini λ i frekvencija ν .

Za mjerenje valnih dužina u optičkom opsegu koriste se jedinice dužine 1 nanometar(nm) i 1 mikrometar(µm):

1 nm = 10 -9 m = 10 -7 cm = 10 -3 µm.

Vidljiva svjetlost zauzima raspon od približno 400 nm do 780 nm, odnosno 0,40 µm do 0,78 µm.

Periodično promjenjivo elektromagnetno polje koje se širi u svemiru je elektromagnetni talas.

Najvažnija svojstva svjetlosti kao elektromagnetnog talasa

1. Kako se svjetlost širi, periodično ponavljajuće promjene u električnim i magnetskim poljima se javljaju u svakoj tački prostora. Pogodno je prikazati ove promjene u obliku oscilacija vektora jakosti električnog polja \(~\vec E\) i indukcije magnetskog polja \(~\vec B\) u svakoj tački u prostoru. Svjetlost je poprečni val, budući da \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) i \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
2. Oscilacije vektora \(~\vec E\) i \(~\vec B\) u svakoj tački elektromagnetnog talasa javljaju se u istim fazama iu dva međusobno okomita pravca \(~\vec E \perp \vec B \) u svakom prostoru tačaka.
3. Period svetlosti kao elektromagnetnog talasa (frekvencija) jednak je periodu (frekvenciji) oscilacija izvora elektromagnetnih talasa. Za elektromagnetne talase važi relacija \(~\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac(\upsilon)(\nu)\). U vakuumu \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac(c)(\nu)\) – talasna dužina je najduža u poređenju sa λ u drugom okruženju, jer ν = const i samo promjene υ I λ pri prelasku iz jedne sredine u drugu.
4. Svetlost je nosilac energije, a prenos energije se odvija u pravcu širenja talasa. Volumetrijska gustina energije elektromagnetnog polja određena je izrazom \(~\omega_(em) = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2)(2) + \dfrac(B^2)(2 \cdot \mu \cdot \mu_0)\)
5. Svjetlost se, kao i drugi valovi, širi pravolinijski u homogenom mediju, lomi se pri prelasku iz jednog medija u drugi i odbija se od metalnih barijera. Karakteriziraju ih fenomeni difrakcije i interferencije.

Interferencija svjetlosti

Za promatranje interferencije valova na površini vode korištena su dva izvora valova (dvije kugle postavljene na oscilirajuću šipku). Nemoguće je dobiti obrazac interferencije (naizmjenični minimumi i maksimumi osvjetljenja) koristeći dva obična nezavisna izvora svjetlosti, na primjer dvije sijalice. Uključivanje druge sijalice samo povećava osvjetljenje površine, ali ne stvara izmjenu minimuma i maksimuma osvjetljenja.

Da bi se mogao uočiti stabilan interferentni obrazac kada su svjetlosni valovi superponirani, potrebno je da valovi budu koherentni, odnosno da imaju istu valnu dužinu i konstantnu faznu razliku.

Zašto svjetlosni talasi iz dva izvora nisu koherentni?

Interferencijski obrazac iz dva izvora koje smo opisali nastaje samo kada se dodaju monokromatski valovi istih frekvencija. Za monohromatske talase, fazna razlika između oscilacija u bilo kojoj tački u prostoru je konstantna.

Zovu se talasi sa istom frekvencijom i konstantnom faznom razlikom koherentan.

Samo koherentni valovi, koji se međusobno suponiraju, daju stabilan interferencijski obrazac sa konstantnom lokacijom u prostoru maksimuma i minimuma oscilacija. Svjetlosni talasi iz dva nezavisna izvora nisu koherentni. Atomi izvora emituju svjetlost neovisno jedan o drugom u zasebnim "otpadcima" (slagovima) sinusoidnih valova. Trajanje kontinuiranog zračenja atoma je oko 10 s. Za to vreme, svetlost putuje stazom dužine oko 3 m (slika 1).

Ovi talasni nizovi iz oba izvora su superponirani jedan na drugi. Fazna razlika oscilacija u bilo kojoj tački prostora se haotično mijenja s vremenom, ovisno o tome kako su vlakovi iz različitih izvora pomjereni jedan u odnosu na drugi u datom trenutku vremena. Talasi iz različitih izvora svjetlosti su nekoherentni zbog činjenice da razlika u početnim fazama ne ostaje konstantna. Faze φ 01 i φ 02 se nasumično mijenja, i zbog toga se fazna razlika nastalih oscilacija nasumično mijenja u bilo kojoj tački prostora.

U slučaju nasumičnih prekida i pojave oscilacija, fazna razlika se nasumično mijenja, uzimajući vrijeme posmatranja τ sve moguće vrijednosti od 0 do 2 π . Kao rezultat, vremenom τ mnogo duže od vremena nepravilne promene faze (oko 10 -8 s), prosečna vrednost cos ( φ 1 – φ 2) u formuli

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

jednako nuli. Pokazalo se da je intenzitet svjetlosti jednak zbiru intenziteta pojedinačnih izvora i neće se primijetiti nikakav interferencijski obrazac. Nekoherentnost svjetlosnih valova je glavni razlog zašto svjetlost iz dva izvora ne proizvodi interferencijski obrazac. Ovo je glavni, ali ne i jedini razlog. Drugi razlog je taj što je talasna dužina svetlosti, kao što ćemo uskoro videti, veoma kratka. Ovo otežava posmatranje interferencije, čak i ako imamo koherentne izvore talasa.

Uvjeti za maksimume i minimume interferentnog uzorka

Kao rezultat superpozicije dva ili više koherentnih talasa u prostoru, a interferencijski obrazac, što je izmjena maksimuma i minimuma intenziteta svjetlosti, a samim tim i osvjetljenja ekrana.

Intenzitet svjetlosti u datoj tački prostora određen je razlikom u fazama oscilovanja φ 1 – φ 2. Ako su izvorne oscilacije u fazi, onda φ 01 – φ 02 = 0 i

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

Fazna razlika je određena razlikom u udaljenostima od izvora do tačke posmatranja Δ r = r 1 – r 2 (razlika u udaljenosti se naziva razlika udara ). Na onim tačkama u prostoru za koje je uslov ispunjen

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

talasi, kada se dodaju, pojačavaju jedan drugog, a rezultujući intenzitet je 4 puta veći od intenziteta svakog od talasa, tj. posmatrano maksimum . Naprotiv, kada

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

talasi se međusobno poništavaju ( I= 0), tj. posmatrano minimum .

Huygens–Fresnel princip

Talasna teorija se zasniva na Hajgensovom principu: svaka tačka do koje talas stigne služi kao centar sekundarnih talasa, a omotač ovih talasa daje položaj fronta talasa u sledećem trenutku.

Neka ravni talas normalno pada na rupu u neprozirnom ekranu (slika 2). Prema Huygensu, svaka točka prednjeg dijela valova izolirana rupom služi kao izvor sekundarnih valova (u homogenom izotropnom mediju oni su sferni). Nakon što smo konstruisali omotač sekundarnih talasa za određeni trenutak u vremenu, vidimo da front talasa ulazi u oblast geometrijske senke, tj. da talas obilazi ivice rupe.

Hajgensov princip rešava samo problem pravca prostiranja talasnog fronta, objašnjava fenomen difrakcije, ali se ne bavi pitanjem amplitude, a samim tim i intenziteta talasa koji se šire u različitim pravcima. Fresnel je u Huygensov princip stavio fizičko značenje, dopunivši ga idejom interferencije sekundarnih valova.

Prema Huygens–Fresnel princip, svjetlosni talas pobuđen nekim izvorom S može se predstaviti kao rezultat superpozicije koherentnih sekundarnih talasa koje „emituju“ fiktivni izvori.

Takvi izvori mogu biti beskonačno mali elementi bilo koje zatvorene površine koja obuhvata izvor S. Obično se jedna od valnih površina bira kao ova površina, tako da svi fiktivni izvori djeluju u fazi. Dakle, talasi koji se šire od izvora su rezultat interferencije svih koherentnih sekundarnih talasa. Fresnel je isključio mogućnost pojave povratnih sekundarnih talasa i pretpostavio da ako postoji neproziran ekran sa rupom između izvora i tačke posmatranja, onda je na površini ekrana amplituda sekundarnih talasa nula, a u rupa je ista kao u odsustvu paravana. Uzimanje u obzir amplituda i faza sekundarnih talasa omogućava da se u svakom konkretnom slučaju pronađe amplituda (intenzitet) nastalog talasa u bilo kojoj tački u prostoru, odnosno da se utvrde obrasci širenja svetlosti.

Metode za dobijanje interferentnog uzorka

Ideja Augustina Fresnela

Da bi dobio koherentne izvore svjetlosti, francuski fizičar Augustin Fresnel (1788-1827) pronašao je jednostavnu i genijalnu metodu 1815. godine. Potrebno je podijeliti svjetlost iz jednog izvora na dva snopa i, prisiljavajući ih da idu različitim putevima, spojiti ih. Tada će se niz valova koje emituje pojedinačni atom podijeliti na dva koherentna niza. Ovo će biti slučaj za nizove talasa koje emituje svaki atom izvora. Svjetlost koju emituje jedan atom proizvodi specifičan interferencijski obrazac. Kada se ovi obrasci nalože jedan na drugi, dobija se prilično intenzivna distribucija osvetljenja na ekranu: može se uočiti uzorak interferencije.

Postoji mnogo načina za dobijanje koherentnih izvora svjetlosti, ali njihova suština je ista. Podjelom zraka na dva dijela dobijaju se dva zamišljena izvora svjetlosti koji proizvode koherentne valove. Da biste to učinili, koristite dva zrcala (Fresnelova bi-ogledala), biprizmu (dvije prizme presavijene na osnovama), bilins (leća prerezana na pola s razdvojenim polovicama) itd.

Njutnovo prstenje

Prvi eksperiment koji je posmatrao interferenciju svetlosti u laboratorijskim uslovima pripada I. Newtonu. Uočio je interferencijski obrazac koji nastaje kada se svjetlost reflektira u tankom sloju zraka između ravne staklene ploče i plosko-konveksnog sočiva velikog radijusa zakrivljenosti. Interferentni uzorak imao je oblik koncentričnih prstenova, tzv Njutnovo prstenje(Sl. 3 a, b).

Newton nije mogao objasniti sa stanovišta korpuskularne teorije zašto su se prstenovi pojavili, ali je shvatio da je to zbog neke periodičnosti svjetlosnih procesa.

Youngov eksperiment sa dvostrukim prorezom

Eksperiment koji je predložio T. Young uvjerljivo pokazuje talasnu prirodu svjetlosti. Da bismo bolje razumjeli rezultate Jungovog eksperimenta, korisno je prvo razmotriti situaciju u kojoj svjetlost prolazi kroz jedan prorez u pregradi. U eksperimentu sa jednim prorezom, monohromatsko svetlo iz izvora prolazi kroz uski prorez i snima se na ekranu. Ono što je neočekivano je da sa dovoljno uskim prorezom na ekranu nije vidljiva uska svetleća traka (slika proreza), već glatka raspodela intenziteta svetlosti, sa maksimumom u centru i postepeno opadajućim prema ivicama . Ova pojava je uzrokovana difrakcijom svjetlosti na prorezu i također je posljedica valne prirode svjetlosti.

Napravimo sada dva proreza u pregradi (slika 4). Uzastopnim zatvaranjem jednog ili drugog proreza, možete osigurati da će obrazac raspodjele intenziteta na ekranu biti isti kao u slučaju jednog proreza, ali će samo pozicija maksimalnog intenziteta svaki put odgovarati poziciji otvoreni prorez. Ako se otvore oba proreza, na ekranu se pojavljuje naizmjenični niz svijetlih i tamnih pruga, a svjetlina svijetlih pruga opada s udaljenosti od centra.

Neke primjene smetnji

Primene interferencije su veoma važne i široke.

Postoje posebni uređaji - interferometri- čije je djelovanje zasnovano na fenomenu interferencije. Njihova namena može biti različita: precizno merenje talasnih dužina svetlosti, merenje indeksa prelamanja gasova itd. Postoje interferometri za posebne namene. Jedna od njih, koju je Michelson dizajnirao da bilježi vrlo male promjene u brzini svjetlosti, biće razmatrana u poglavlju „Osnove teorije relativnosti“.

Fokusiraćemo se samo na dvije primjene smetnji.

Provjera kvaliteta površinske obrade

Pomoću interferencije možete ocijeniti kvalitetu brušenja površine proizvoda s greškom do 10 -6 cm. Da biste to učinili, trebate stvoriti tanak sloj zraka između površine uzorka i vrlo glatke reference ploča (sl. 5).

Tada će površinske nepravilnosti do 10 -6 cm uzrokovati primjetnu zakrivljenost interferencijskih rubova nastalih kada se svjetlost reflektira od površine koja se testira i donjeg ruba referentne ploče.

Posebno, kvalitet brušenja sočiva može se provjeriti promatranjem Newtonovih prstenova. Prstenovi će biti pravilni krugovi samo ako je površina sočiva strogo sferna. Svako odstupanje od sferičnosti veće od 0,1 λ značajno će uticati na oblik prstenova. Tamo gdje postoji izbočina na sočivu, prstenovi će se saviti prema sredini.

Zanimljivo je da je talijanski fizičar E. Torricelli (1608-1647) uspio brusiti sočiva s greškom do 10-6 cm. Njegova sočiva se čuvaju u muzeju, a njihov kvalitet je testiran savremenim metodama. Kako mu je to pošlo za rukom? Teško je odgovoriti na ovo pitanje. U to vrijeme tajne majstorstva se obično nisu odavale. Očigledno, Torricelli je otkrio interferentne prstenove mnogo prije Njutna i pretpostavio je da se oni mogu koristiti za provjeru kvaliteta mljevenja. Ali, naravno, Torricelli nije mogao imati pojma zašto se prstenovi pojavljuju.

Napominjemo da se, koristeći gotovo strogo monokromatsko svjetlo, može promatrati interferencijski uzorak kada se reflektira od ravni koje se nalaze na velikoj udaljenosti jedna od druge (reda nekoliko metara). To vam omogućava mjerenje udaljenosti od stotine centimetara s greškom do 10 -6 cm.

Optika premaz

Objektivi savremenih kamera ili filmskih projektora, podmorskih periskopa i raznih drugih optičkih uređaja sastoje se od velikog broja optičkih stakala - sočiva, prizmi itd. Prolazeći kroz takve uređaje, svjetlost se odbija od mnogih površina. Broj reflektirajućih površina u modernim fotografskim sočivima prelazi 10, a u podmorskim periskopima dostiže 40. Kada svjetlost pada okomito na površinu, 5-9% ukupne energije reflektira se od svake površine. Stoga samo 10-20% svjetlosti koja ulazi u njega često prolazi kroz uređaj. Kao rezultat toga, osvjetljenje slike je slabo. Osim toga, kvaliteta slike se pogoršava. Dio svjetlosnog snopa, nakon ponovljene refleksije od unutrašnjih površina, i dalje prolazi kroz optički uređaj, ali se raspršuje i više ne učestvuje u stvaranju jasne slike. Na fotografskim slikama, na primjer, iz tog razloga se formira "veo".

Da bi se otklonile ove neugodne posljedice refleksije svjetlosti od površina optičkih stakala, potrebno je smanjiti udio reflektirane svjetlosne energije. Slika koju proizvodi uređaj postaje svjetlija i "posvjetljuje". Odatle dolazi taj termin čišćenje optike.

Optičko čišćenje se zasniva na smetnji. Tanak film indeksa prelamanja nanosi se na površinu optičkog stakla, kao što je sočivo. n n, manji od indeksa prelamanja stakla n With. Radi jednostavnosti, razmotrimo slučaj normalnog upada svjetlosti na film (slika 6).

Uslov da se valovi reflektirani od gornje i donje površine filma međusobno poništavaju biće zapisan (za film minimalne debljine) na sljedeći način:

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

gdje je \(~\dfrac(\lambda)(n_n)\) talasna dužina filma, a 2 h- razlika u udarcu.

Ako su amplitude oba reflektovana talasa iste ili veoma blizu jedna drugoj, onda će gašenje svetlosti biti potpuno. Da bi se to postiglo, indeks prelamanja filma je odabran u skladu s tim, jer je intenzitet reflektirane svjetlosti određen omjerom indeksa loma dva susjedna medija.

U normalnim uslovima, bela svetlost pada na sočivo. Izraz (4) pokazuje da potrebna debljina filma zavisi od talasne dužine. Stoga je nemoguće potisnuti reflektirane valove svih frekvencija. Debljina filma je odabrana tako da dođe do potpunog izumiranja pri normalnoj incidenci za valne dužine u srednjem dijelu spektra (zelena boja, λ h = 5,5·10 -7 m); trebalo bi da bude jednaka četvrtini talasne dužine filma:

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

Refleksija svjetlosti od ekstremnih dijelova spektra - crvenog i ljubičastog - je blago oslabljena. Stoga, sočivo s optikom s premazom ima lila nijansu u reflektiranom svjetlu. Sada čak i jednostavne jeftine kamere imaju obloženu optiku. U zaključku, još jednom naglašavamo da gašenje svjetlosti svjetlošću ne znači pretvaranje svjetlosne energije u druge oblike. Kao i kod interferencije mehaničkih talasa, poništavanje talasa jedni od drugih u datoj oblasti prostora znači da svetlosna energija jednostavno ne stiže ovde. Slabljenje reflektovanih talasa u sočivu sa obloženom optikom znači da sva svetlost prolazi kroz sočivo.

Aplikacija

Sabiranje dva monohromatska talasa

Razmotrimo detaljnije dodavanje dva harmonijska talasa iste frekvencije ν u nekom trenutku A homogenu sredinu, s obzirom da su izvori ovih talasa S 1 i S 2 su iz tačke A na udaljenostima, odnosno l 1 i l 2 (sl. 7).

Pretpostavimo radi jednostavnosti da su valovi koji se razmatraju ili uzdužno ili poprečno polarizirani, a njihove amplitude jednake a 1 i a 2. Zatim, u skladu sa \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\), jednačine ovih talasa u tački A izgleda kao

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

Jednačina rezultujućeg talasa, koji je superpozicija talasa (5), (6), je njihov zbir:

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

Štoviše, kao što se može dokazati korištenjem kosinusne teoreme poznate iz geometrije, kvadrat amplitude rezultirajuće oscilacije određen je formulom

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

gdje je Δ φ - fazna razlika oscilacije:

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

(Izraz za početnu fazu φ 01 nećemo dati rezultirajuću vibraciju zbog njegove glomaznosti).

Iz (8) je jasno da je amplituda rezultujuće oscilacije periodična funkcija razlike putanje Δ l. Ako je razlika putanje talasa takva da je razlika faza Δ φ jednak

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

onda u tački A amplituda rezultujućeg talasa će biti maksimalna ( maksimalno stanje), ako

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

zatim amplituda u tački A minimalno ( minimalno stanje).

Pretpostavljajući to zbog jednostavnosti φ 01 = φ 02 i a 1 = a 2, a uzimajući u obzir jednakost \(~k = \dfrac(\omega)(\upsilon) = \dfrac(2 \pi)(\lambda)\), uslove (10) i (11) i odgovarajuće izraze za amplitudu a se može napisati u obliku:

\(~\Delta l = \pm n \lambda\) ( maksimalno stanje), (12)

i onda A = a 1 + a 2, i

\(~\Delta l = \pm (2n +1) \dfrac(\lambda)(2)\) ( minimalno stanje), (13)

i onda a = 0.

Literature

1. Myakishev G.Ya. Fizika: Optika. Kvantna fizika. 11. razred: Obrazovni. za dubinsko proučavanje fizike / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. – M.: Drfa, 2002. – 464 str.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika od A do Ž: za studente, kandidate, nastavnike. – Mn.: Paradox, 2000. – 560 str.

Ako se svjetlost koja izlazi iz jednog izvora podijeli na određeni način, na primjer, u dva snopa, a zatim se nadoveže jedan na drugi, tada će se intenzitet u području superpozicije snopova mijenjati od jedne točke do druge. U tom slučaju se u nekim tačkama postiže maksimalni intenzitet, koji je veći od zbira intenziteta ova dva snopa, i minimum, gdje je intenzitet nula. Ova pojava se naziva svjetlosna interferencija. Ako su puzeći snopovi svjetlosti striktno monokromatski, tada se uvijek javljaju smetnje. Ovo se, naravno, ne može odnositi na stvarne izvore svjetlosti, jer oni nisu striktno monokromatski. Amplituda i faza prirodnog izvora svjetlosti podložne su kontinuiranim fluktuacijama, a one se javljaju vrlo brzo tako da ljudsko oko ili primitivni fizički detektor ne mogu otkriti te promjene. U snopovima svjetlosti koji dolaze iz različitih izvora, fluktuacije su apsolutno nezavisne; kaže se da su takvi snopovi međusobno nekoherentni. Kada su takvi izvori interferencije superponirani, ne primećuje se interferencija, ukupan intenzitet je jednak zbiru intenziteta pojedinačnih svetlosnih snopova.

Metode za proizvodnju interferirajućih svjetlosnih zraka

Postoje dvije opće metode za proizvodnju snopova svjetlosti koji mogu ometati. Ove metode čine osnovu za klasifikaciju uređaja koji se koriste u interferometriji.

U prvom od njih, snop svjetlosti se dijeli prilikom prolaska kroz rupe koje se nalaze blizu jedna drugoj. Ova metoda se zove metoda podjele talasnog fronta. Primjenjivo je samo ako koristite male izvore svjetlosti.

Prvi eksperimentalni set za demonstriranje interferencije svjetlosti napravio je Young. U njegovom eksperimentu, svjetlost iz monokromatskog točkastog izvora padala je na dvije male rupe u neprozirnom ekranu, koje su bile smještene blizu jedna drugoj na jednakoj udaljenosti od izvora svjetlosti. Ove rupe na ekranu postale su sekundarni izvori svjetlosti, svjetlosni snopovi iz kojih se emituju mogli smatrati koherentnim. Svjetlosni snopovi ovih sekundarnih izvora se preklapaju, a u području njihovog preklapanja uočava se interferencijski obrazac. Interferentni uzorak se sastoji od skupa svijetlih i tamnih traka, koje se nazivaju interferencijskim rubovima. Jednako su razmaknute jedna od druge i usmjerene pod pravim uglom na liniju koja povezuje sekundarne izvore svjetlosti. Interferencijske ivice se mogu uočiti u bilo kojoj ravnini područja preklapanja divergentnih zraka iz sekundarnih izvora. Takve smetnje se nazivaju nelokalizirane.

U drugoj metodi, svjetlosni snop se dijeli pomoću jedne ili više površina koje djelimično reflektiraju, a djelimično propuštaju svjetlost. Ova metoda se naziva metodom podjele amplitude. Može se koristiti za proširene izvore. Njegova prednost je u tome što se uz njegovu pomoć postiže veći intenzitet od metode front podjele.

Interferentni uzorak, koji se dobija dijeljenjem amplitude, može se dobiti ako se ravnoparalelna ploča od prozirnog materijala osvijetli svjetlošću iz tačkastog izvora kvazi-monohromatskog svjetla. U ovom slučaju, dva zraka stižu u bilo koju tačku koja se nalazi na istoj strani kao i izvor svjetlosti. Neki od njih su se reflektovali od gornje površine ploče, drugi su se reflektovali od njene donje površine. Reflektirane zrake interferiraju i formiraju interferencijski obrazac. U ovom slučaju, pruge u ravninama koje su paralelne sa pločom imaju oblik prstenova, sa osom koja je normalna na ploču. Vidljivost takvih prstenova se smanjuje kako se veličina izvora svjetlosti povećava. Ako je tačka posmatranja u beskonačnosti, onda se posmatranje vrši okom koje je prilagođeno beskonačnosti ili u fokalnoj ravni sočiva teleskopa. Zrake koje se odbijaju od gornje i donje površine ploče su paralelne. Trake koje nastaju kao rezultat interferencije zraka koje upadaju na film pod istim uglovima nazivaju se pruge jednakog nagiba. (Za više informacija o interferenciji u ravno-paralelnoj ploči, pogledajte odjeljak "Interferencija u tankim filmovima")

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Kakav je položaj druge svijetle pruge u Youngovom eksperimentu, ako je razmak između proreza b, udaljenost od proreza do ekrana je l. Prorezi su osvetljeni monohromatskim svetlom talasne dužine jednake .
Rješenje	Oslikajmo situaciju svjetlosti koja prolazi od rupa ( i ) do ekrana u Youngovom eksperimentu (slika 1). Ekran je paralelan sa ravninom u kojoj se nalaze rupe. Naći ćemo razliku u putanji zraka na osnovu slike 1: Maksimalni uvjeti za ometajuće svjetlosne zrake (pogledajte odjeljak „Interferencija svjetlosti“): Prema uslovima zadatka, zanima nas položaj druge interferencijske ivice, dakle: . Primjenom izraza (1.1) i (1.2) dobijamo: Izrazimo iz formule (1.3):
Odgovori	m

PRIMJER 2

Vježbajte	U Youngovom eksperimentu, na putanji jedne od zraka koja izlazi iz sekundarnog izvora, okomito na ovu zraku postavljena je tanka staklena ploča s indeksom prelamanja n. U ovom slučaju, središnji maksimum se pomjerio na poziciju koju je prethodno zauzimao maksimalni broj m. Kolika je debljina ploče ako je talasna dužina svetlosti ?
Rješenje	Zapisujemo razliku u putanji zraka u prisustvu ploče, uzimajući u obzir da zraka pada na ploču duž normale kao:

Hajde da razmotrimo i opišemo obrazac interferencije za harmonijske talase.

Neka su izvori S t i S 2 koherentni i dobijeni nekom od navedenih metoda.

Razmotrimo dva cilindrična koherentna svjetlosna talasa koji izlaze iz izvora S t i S 2, koji imaju oblik paralelnih tankih svjetlećih niti ili uskih proreza (slika 5.4). Područje u kojem se ovi valovi preklapaju naziva se interferentno polje. Na cijelom ovom području se smjenjuju mjesta sa maksimalnim i minimalnim intenzitetom svjetlosti. Ako se u polje interferencije postavi ekran, tada će na njemu biti vidljiv interferentni uzorak koji ima oblik naizmjeničnih svijetlih i tamnih pruga. Izračunajmo širinu ovih pruga pod pretpostavkom da je ekran paralelan sa ravninom koja prolazi kroz izvore S 1 i S 2. Položaj tačke na ekranu će biti okarakterisan koordinatom x, merenom u pravcu okomitom na prave S 1 i S 2 .. Odabraćemo ishodište u tački O, u odnosu na koju S 1 i S 2. locirani simetrično. Smatraćemo da izvori osciliraju u istoj fazi. Od sl. 5.4 jasno je da

dakle,

U nastavku će biti pojašnjeno da da bi se dobio uočljiv obrazac interferencije, udaljenost između izvora d mora biti znatno manja od udaljenosti do ekrana l. Udaljenost x unutar koje se formiraju interferencijske ivice je također značajno manja od l. Pod ovim uslovima možemo staviti , onda

Množenjem s 2 -s 1 indeksom prelamanja medija n dobijamo razliku optičkog puta

Zamjena ove vrijednosti razlike putanje u uvjet maksimuma

daje da će maksimumi intenziteta biti uočeni pri x vrijednostima jednakim

Ovo je talasna dužina u medijumu koja ispunjava prostor između izvora i ekrana.

Zamjena vrijednosti (5.1) u uslov

dobijamo koordinate minimuma intenziteta:

Nazovimo udaljenost između dva susjedna maksimuma intenziteta razdaljinom između interferencijskih rubova, a udaljenost između susjednih minimuma intenziteta širinom interferencijskog ruba. Iz formula (5.2) i (5.3) proizilazi da razmak između pruga i širina trake imaju istu vrijednost, jednaku

Prema formuli (5.4), rastojanje između pruga raste kako se udaljenost između izvora d smanjuje. Sa d uporedivim sa l, razmak između pruga bi bio istog reda kao i l, tj. bio bi nekoliko desetina mikrona. U ovom slučaju, pojedinačne pruge bi bile potpuno nerazlučive. Da bi obrazac interferencije postao jasan, mora biti ispunjen gore navedeni uslov: d<

U svakoj tački, dva talasa koja se šire u prostoru daju geometrijski zbir svojih oscilacija. Ovaj princip se naziva superpozicija talasa. Ovaj zakon se poštuje sa neverovatnom preciznošću. Međutim, u rijetkim slučajevima može se zanemariti. Ovo se odnosi na situacije u kojima se talasi šire u složenim medijima, kada njihov intenzitet (amplituda) postaje veoma veliki. Ovaj princip znači da na određeni broj elektromagnetnih talasa koji se šire u određenom mediju, sam medij reaguje na vrlo specifičan način - reaguje samo na jedan talas, kao da nema drugih u blizini. Matematički, to znači da će u bilo kojoj tački odabranog medija jačina i indukcija elektromagnetnog polja biti jednaka vektorskom zbroju magnetnih indukcija i intenziteta svih kombinovanih polja. Zbog principa superpozicije elektromagnetnih talasa nastaju pojave kao što su difrakcija i interferencija svetlosti. Zanimljive su sa fizičke tačke gledišta, osim toga, zadivljuju svojom ljepotom.

Šta je smetnja?

Ovaj fenomen se može razmatrati samo pod posebnim uslovima. Interferencija svjetlosti je formiranje traka slabljenja i jačanja koje se izmjenjuju jedna s drugom. Jedan od važnih uslova je superpozicija elektromagnetnih talasa (snopova svetlosti) jedan na drugi, a njihov broj treba da bude dva ili više. Stajni talas je poseban slučaj. Treba napomenuti da je interferencija čisto talasni efekat, primenljiv ne samo na svetlost. U stojećem valu, koji nastaje zbog superpozicije na reflektirani ili upadni val, uočavaju se maksimumi intenziteta (antinodi) i minimumi (čvorovi) koji se međusobno izmjenjuju.

Osnovni uslovi

Interferencija talasa je posledica njihove koherentnosti. Šta ovaj izraz znači? Koherencija je konzistentnost talasa u fazi. Ako se dva talasa koji dolaze iz različitih izvora nalože jedan na drugi, tada će se njihove faze nasumično mijenjati. Svjetlosni valovi su posljedica zračenja atoma, pa je svaki od njih rezultat superpozicije ogromnog broja komponenti.

Minimum i maksimum

Za pojavu “ispravnih” pojačanja i slabljenja ukupnih valova u prostoru, potrebno je da se dodane komponente međusobno poništavaju u odabranoj tački. Odnosno, dugo vremena bi elektromagnetski talasi morali biti u antifazi kako bi razlika faza uvijek ostala ista. Maksimum se javlja kada su komponentni talasi u istoj fazi, odnosno kada su pojačani. Interferencija svjetlosti se opaža pod uslovom konstantne razlike faza u datoj tački. I takvi talasi se nazivaju koherentni.

Prirodni izvori

Kada se može uočiti takav fenomen kao što je smetnja svjetlosti? Emitirani elektromagnetski valovi iz prirodnih izvora su nekoherentni jer ih nasumično stvaraju različiti atomi, obično potpuno neusklađeni jedan s drugim. Svaki pojedinačni talas koji oslobađa atom je segment sinusnog talasa, apsolutno koherentan sam sa sobom. Dakle, potrebno je podijeliti jedan tok svjetlosti koji dolazi iz izvora na dva ili više snopa, a zatim preklopiti rezultirajuće zrake jedan na drugi. U ovom slučaju, moći ćemo uočiti minimume i maksimume takvog fenomena kao što je interferencija svjetlosti.

Uočavanje preklapanja talasa

Kao što je gore spomenuto, svjetlosna interferencija je vrlo širok koncept, u ​​kojem rezultat dodavanja svjetlosnih zraka nije jednak intenzitetu intenzitetu pojedinačnih zraka. Kao rezultat ovog fenomena dolazi do preraspodjele energije u prostoru – formiraju se upravo ti minimumi i maksimumi. Zato je interferentni uzorak jednostavno izmjena tamnih i svijetlih pruga. Ako koristite bijelo svjetlo, pruge će biti obojene u različite boje. Ali kada nailazimo na svjetlosne smetnje u svakodnevnom životu? Ovo se dešava prilično često. Njegove manifestacije uključuju mrlje od ulja na asfaltu, mjehuriće sapuna s duginim nijansama, igru ​​svjetlosti na površini očvrslog metala i šare na krilima vretenca. Sve je to interferencija svjetlosti u tankim filmovima. U stvarnosti, posmatranje ovog efekta nije tako lako kao što se čini. Ako gore dvije potpuno identične lampe, tada se dodaju njihovi intenziteti. Ali zašto nema efekta interferencije? Odgovor na ovo pitanje leži u odsustvu takve superpozicije najvažnijeg uslova – koherentnosti talasa.

Fresnel biprizma

Da bismo dobili interferencijski uzorak, uzimamo izvor, koji je uski osvijetljeni prorez postavljen paralelno s rubom same biprizme. Talas koji dolazi iz njega račvaće se zbog prelamanja u polovinama biprizme i doći do ekrana na dva različita načina, odnosno imaće razliku putanje. Na ekranu, u onom njegovom dijelu gdje se preklapaju snopovi svjetlosti iz polovica biprizme, pojavljuju se naizmjenično tamne i svijetle pruge. Razlika u udarcu je ograničena iz nekih razloga. U svakom aktu zračenja, atom oslobađa takozvani talasni niz (sistem elektromagnetnih talasa), koji se širi u prostoru i vremenu, zadržavajući svoju sinusoidnost. Trajanje ovog niza je ograničeno prigušenjem prirodnih vibracija čestice (elektrona) u atomu i sudarima ovog atoma s drugima. Ako bijelu svjetlost prođete kroz biprizmu, možete vidjeti interferenciju boja, kao što je bio slučaj sa tankim filmovima. Ako je svjetlost monokromatska (od lučnog pražnjenja u nekom plinu), tada će uzorak interferencije jednostavno biti svijetle i tamne pruge. To znači da su talasne dužine različitih boja različite, odnosno da je svetlost različitih boja i karakteriše je razlika u talasnim dužinama.

Dobivanje superponiranih talasa

Idealan izvor svjetlosti je laser (kvantni generator), koji je po svojoj prirodi koherentni izvor stimuliranog zračenja. Dužina koherentnog laserskog vlaka može doseći hiljade kilometara. Zahvaljujući kvantnim generatorima, naučnici su stvorili čitavo polje moderne optike, koje su nazvali koherentnom. Ova grana fizike je neverovatno obećavajuća u pogledu tehničkih i teorijskih dostignuća.

Područja primjene efekta

U širem smislu, koncept "interferencije svjetlosti" je modulacija u prostoru toka energije i njegovog stanja zračenja (polarizacija) u području sjecišta nekoliko elektromagnetnih valova (dva ili više). Ali gdje se koristi ovaj efekat? Upotreba svjetlosnih smetnji moguća je u širokom spektru tehnoloških i industrijskih polja. Na primjer, ovaj fenomen se koristi za preciznu kontrolu površina obrađenih proizvoda, kao i mehaničkih i toplinskih naprezanja u dijelovima, te za mjerenje volumena različitih objekata. Interferencija svjetlosti je također našla primjenu u mikroskopiji, infracrvenoj i optičkoj spektroskopiji. Ovaj fenomen leži u osnovi moderne trodimenzionalne holografije i aktivne Ramanove spektroskopije. Interferencija se, kao što se može vidjeti iz primjera, uglavnom koristi za visokoprecizna mjerenja i izračunavanje indeksa prelamanja u različitim medijima.

Potrebni su uvjerljiviji dokazi da se svjetlost kada putuje ponaša kao talas. Svako valno kretanje karakteriziraju fenomeni interferencije i difrakcije. Da bismo bili sigurni da svjetlost ima talasnu prirodu, potrebno je pronaći eksperimentalne dokaze interferencije i difrakcije svjetlosti.

Interferencija je prilično složen fenomen. Da bismo bolje razumjeli njegovu suštinu, prvo ćemo se fokusirati na interferenciju mehaničkih valova.

Sabiranje talasa. Vrlo često se nekoliko različitih valova istovremeno širi u mediju. Na primjer, kada nekoliko ljudi razgovara u prostoriji, zvučni valovi se međusobno preklapaju. Šta se dešava?

Najlakši način da se posmatra superpozicija mehaničkih talasa je posmatranje talasa na površini vode. Ako bacimo dva kamena u vodu, stvarajući tako dva prstenasta vala, onda je lako primijetiti da svaki val prolazi kroz drugi i nakon toga se ponaša kao da drugi val uopće ne postoji. Na isti način, bilo koji broj zvučnih valova može se istovremeno širiti zrakom, a da pritom ni najmanje ne ometaju jedni druge. Mnogi muzički instrumenti u orkestru ili glasovi u horu stvaraju zvučne talase koje naše uši istovremeno detektuju. Štaviše, uho je u stanju da razlikuje jedan zvuk od drugog.

Pogledajmo sada bliže šta se dešava na mestima gde se talasi preklapaju. Posmatrajući talase na površini vode od dva kamena bačena u vodu, može se primetiti da neka područja površine nisu poremećena, ali na drugim mestima je poremećaj pojačan. Ako se dva vala sretnu na jednom mjestu sa vrhovima, tada se na ovom mjestu pojačava poremećaj vodene površine.

Ako se, naprotiv, vrh jednog vala susreće s koritom drugog, tada površina vode neće biti poremećena.

Općenito, u svakoj tački medija, oscilacije uzrokovane dvama valovima jednostavno se zbrajaju. Rezultirajući pomak bilo koje čestice medija je algebarski (tj. uzimajući u obzir njihove predznake) zbir pomaka do kojih bi došlo tokom prostiranja jednog od talasa u odsustvu drugog.

Interferencija. Dodavanje talasa u prostoru, u kojem se formira vremenski konstantna distribucija amplituda nastalih oscilacija, naziva se interferencija.

Hajde da saznamo pod kojim uslovima dolazi do interferencije talasa. Da bismo to učinili, razmotrimo detaljnije dodavanje valova formiranih na površini vode.

Moguće je istovremeno pobuđivati ​​dva kružna talasa u kadi koristeći dve kugle postavljene na štap, koji vrši harmonijske oscilacije (Sl. 118). U bilo kojoj tački M na površini vode (slika 119), oscilacije uzrokovane dvama talasima (iz izvora O 1 i O 2) će se zbrajati. Amplitude oscilacija koje u tački M izazivaju oba talasa će se, generalno govoreći, razlikovati, jer talasi putuju različitim putanjama d 1 i d 2. Ali ako je udaljenost l između izvora mnogo manja od ovih putanja (l « d 1 i l « d 2), tada obje amplitude
može se smatrati gotovo identičnim.

Rezultat sabiranja talasa koji pristižu u tačku M zavisi od fazne razlike između njih. Nakon što su prešli različite udaljenosti d 1 i d 2, talasi imaju razliku putanje Δd = d 2 -d 1. Ako je razlika putanja jednaka talasnoj dužini λ, onda drugi talas kasni u odnosu na prvi za tačno jedan period (upravo tokom perioda talas putuje putanjom koja je jednaka talasnoj dužini). Shodno tome, u ovom slučaju se vrhovi (kao i korita) oba talasa poklapaju.

Maksimalno stanje. Slika 120 prikazuje vremensku ovisnost pomaka X 1 i X 2 uzrokovanih dvama valovima pri Δd= λ. Fazna razlika oscilacija je nula (ili, što je isto, 2n, pošto je period sinusa 2n). Kao rezultat sabiranja ovih oscilacija, pojavljuje se rezultirajuća oscilacija dvostruke amplitude. Fluktuacije u rezultirajućem pomaku prikazane su bojom (isprekidana linija) na slici. Ista stvar će se dogoditi ako segment Δd sadrži ne jednu, već bilo koji cijeli broj valnih dužina.

Amplituda oscilacija medija u datoj tački je maksimalna ako je razlika u putanjama dva talasa koji pobuđuju oscilacije u ovoj tački jednaka cijelom broju valnih dužina:

gdje je k=0,1,2,....

Minimalno stanje. Neka sada segment Δd odgovara polovini talasne dužine. Očigledno je da drugi talas zaostaje za prvim za polovinu perioda. Fazna razlika je jednaka n, tj. oscilacije će se pojaviti u antifazi. Kao rezultat sabiranja ovih oscilacija, amplituda rezultujuće oscilacije je nula, odnosno nema oscilacija u tački koja se razmatra (Sl. 121). Ista stvar će se dogoditi ako bilo koji neparan broj polutalasa stane na segment.

Amplituda oscilacija medija u datoj tački je minimalna ako je razlika u putanjama dva talasa koji pobuđuju oscilacije u ovoj tački jednaka neparnom broju polutalasa:

Ako razlika hoda d 2 - d 1 ima srednju vrijednost
između λ i λ/2, tada amplituda rezultirajuće oscilacije poprima neku međuvrijednost između dvostruke amplitude i nule. Ali najvažnije je da se amplituda oscilacija u bilo kojoj tački on mijenja tokom vremena. Na površini vode pojavljuje se određena, vremenski nepromjenjiva raspodjela amplituda vibracija, koja se naziva interferencijski obrazac. Na slici 122 prikazan je crtež sa fotografije interferentnog uzorka dva kružna talasa iz dva izvora (crni krugovi). Bijela područja u srednjem dijelu fotografije odgovaraju maksimumima zamaha, a tamna područja minimumima zamaha.

Koherentni talasi. Da bi se formirao stabilan interferentni obrazac, potrebno je da izvori talasa imaju istu frekvenciju i da je fazna razlika njihovih oscilacija konstantna.

Izvori koji zadovoljavaju ove uslove nazivaju se koherentnim. Talasi koje stvaraju nazivaju se i koherentnim. Samo kada se koherentni talasi saberu, formira se stabilan interferentni obrazac.

Ako razlika faza između oscilacija izvora ne ostane konstantna, tada će se u bilo kojoj tački medija promijeniti fazna razlika između oscilacija pobuđenih s dva vala. Stoga se amplituda nastalih oscilacija mijenja tokom vremena. Kao rezultat toga, maksimumi i minimumi se kreću u prostoru, a interferencijski obrazac je zamagljen.

Distribucija energije tokom smetnji. Talasi nose energiju. Šta se dešava sa ovom energijom kada se talasi međusobno poništavaju? Možda se pretvara u druge oblike i toplina se oslobađa u minimumima interferentnog uzorka? Ništa slično ovome. Prisustvo minimuma u datoj tački interferencijskog obrasca znači da energija ovde uopšte ne teče. Zbog smetnji se energija redistribuira u prostoru. Nije ravnomjerno raspoređen na sve čestice medija, već je koncentrisan u maksimumima zbog činjenice da uopće ne ulazi u minimume.

INTERFERENCIJA SVJETLOSNIH TALASA

Ako je svjetlost tok valova, onda treba promatrati fenomen svjetlosne interferencije. Međutim, nemoguće je dobiti uzorak interferencije (naizmjenični maksimumi i minimumi osvjetljenja) koristeći dva nezavisna izvora svjetlosti, na primjer dvije sijalice. Uključivanje druge sijalice samo povećava osvjetljenje površine, ali ne stvara izmjenu minimuma i maksimuma osvjetljenja.

Hajde da saznamo koji je razlog tome i pod kojim uslovima se može primetiti interferencija svetlosti.

Uslov za koherentnost svetlosnih talasa. Razlog je taj što svjetlosni valovi koje emituju različiti izvori nisu međusobno konzistentni. Da bi se dobio stabilan obrazac interferencije, potrebni su konzistentni talasi. Moraju imati iste talasne dužine i konstantnu faznu razliku u bilo kojoj tački u prostoru. Podsjetimo da se takvi konzistentni valovi sa identičnim talasnim dužinama i konstantnom faznom razlikom nazivaju koherentni.

Gotovo tačnu jednakost talasnih dužina iz dva izvora nije teško postići. Da biste to učinili, dovoljno je koristiti dobre svjetlosne filtere koji propuštaju svjetlost u vrlo uskom rasponu valnih dužina. Ali nemoguće je shvatiti konstantnost fazne razlike iz dva nezavisna izvora. Atomi izvora emituju svjetlost neovisno jedan o drugom u odvojenim "otpadcima" (slagovima) sinusnih valova, dužine oko metar. I takvi talasi iz oba izvora se međusobno preklapaju. Kao rezultat toga, amplituda oscilacija u bilo kojoj tački u prostoru se haotično mijenja s vremenom, ovisno o tome kako se, u datom trenutku, nizovi valova iz različitih izvora pomjeraju jedan u odnosu na drugi u fazi. Talasi iz različitih izvora svjetlosti su nekoherentni jer fazna razlika između valova ne ostaje konstantna. Nije uočen stabilan obrazac sa specifičnom raspodjelom maksimuma i minimuma osvjetljenja u prostoru.

Interferencija u tankim filmovima. Ipak, interferencija svjetlosti se može uočiti. Zanimljivo je da se to posmatralo jako dugo, ali jednostavno nisu shvatili.

I vi ste mnogo puta vidjeli uzorak interferencije kada ste se kao dijete zabavljali duvajući mjehuriće sapuna ili gledali dugine boje tankog filma kerozina ili ulja na površini vode. „Mjehur od sapunice koji lebdi u zraku... svijetli svim nijansama boja svojstvenim okolnim objektima. Mjehur od sapunice je možda najizuzetnije čudo prirode" (Mark Twain). Interferencija svjetlosti čini mehur od sapunice tako vrijednim za divljenje.

Engleski naučnik Thomas Young prvi je došao na briljantnu ideju o mogućnosti objašnjenja boja tankih filmova dodavanjem talasa 1 i 2 (slika 123), od kojih se jedan (1) odražava iz spoljnu površinu filma, a drugu (2) sa unutrašnje. U ovom slučaju dolazi do interferencije svjetlosnih valova - zbrajanja dvaju valova, zbog čega se u različitim točkama u prostoru uočava vremenski stabilan obrazac pojačanja ili slabljenja rezultirajućih svjetlosnih vibracija. Rezultat interferencije (pojačavanje ili slabljenje nastalih vibracija) ovisi o kutu upada svjetlosti na film, njegovoj debljini i talasnoj dužini. Pojačanje svjetlosti će se dogoditi ako prelomljeni val 2 zaostaje za cijelim brojem valnih dužina za reflektiranim valom 1. Ako drugi talas zaostaje za prvim za pola talasne dužine ili neparan broj polutalasa, tada će svetlost oslabiti.

Koherentnost valova reflektiranih od vanjske i unutrašnje površine filma osigurana je činjenicom da su oni dijelovi istog svjetlosnog snopa. Talasni niz iz svakog atoma koji emituje film se deli na dva dela, a zatim se ti delovi spajaju i interferiraju.

Jung je takođe shvatio da su razlike u boji posledica razlika u talasnoj dužini (ili frekvenciji svetlosnih talasa). Svjetlosni snopovi različitih boja odgovaraju valovima različitih dužina. Za međusobno pojačanje valova koji se međusobno razlikuju po dužini (pretpostavlja se da su upadni uglovi isti), potrebne su različite debljine filma. Stoga, ako film ima nejednaku debljinu, onda kada je osvijetljen bijelim svjetlom, trebale bi se pojaviti različite boje.

Jednostavan interferentni uzorak javlja se u tankom sloju zraka između staklene ploče i ravno-konveksne leće postavljene na nju, čija sferna površina ima veliki radijus zakrivljenosti. Ovaj interferentni obrazac ima oblik koncentričnih prstenova, nazvanih Newtonovi prstenovi.

Uzmite ploskokonveksno sočivo sa blagom zakrivljenošću sferne površine i stavite ga na staklenu ploču. Pažljivo pregledavajući ravnu površinu sočiva (po mogućnosti kroz lupu), naći ćete tamnu mrlju na mjestu kontakta između sočiva i ploče i skup malih duginih prstenova oko nje. Rastojanja između susjednih prstenova brzo se smanjuju kako se njihov radijus povećava (slika 111). Ovo su Njutnovi prstenovi. Njutn ih je posmatrao i proučavao ne samo u belom svetlu, već i kada je sočivo osvetljeno jednobojnim (monohromatskim) snopom. Pokazalo se da se radijusi prstenova istog serijskog broja povećavaju kada se kreću od ljubičastog kraja spektra do crvenog; crveni prstenovi imaju maksimalni radijus. Sve ovo možete provjeriti kroz nezavisna zapažanja.

Njutn nije bio u stanju da na zadovoljavajući način objasni zašto se pojavljuju prstenovi. Jung je uspeo. Pratimo tok njegovog rezonovanja. Zasnivaju se na pretpostavci da je svjetlost valova. Razmotrimo slučaj kada val određene dužine pada gotovo okomito na ravno-konveksno sočivo (slika 124). Talas 1 nastaje kao rezultat refleksije od konveksne površine sočiva na granici staklo-vazduh, a talas 2 kao rezultat refleksije od ploče na granici zrak-staklo. Ovi talasi su koherentni: imaju istu dužinu i konstantnu faznu razliku, koja nastaje zbog činjenice da talas 2 putuje dužom putanjom od talasa 1. Ako drugi talas zaostaje za prvim za ceo broj talasnih dužina, tada, zbrajajući, talasi jačaju jedan drugog prijatelja. Oscilacije koje izazivaju javljaju se u jednoj fazi.

Naprotiv, ako drugi val zaostaje za prvim za neparan broj poluvalova, tada će se oscilacije uzrokovane njima pojaviti u suprotnim fazama i valovi se međusobno poništavaju.

Ako je poznat polumjer zakrivljenosti R površine sočiva, onda je moguće izračunati na kojim udaljenostima od točke kontakta sočiva sa staklenom pločom razlike puta su takve da se valovi određene dužine λ međusobno poništavaju. Ove udaljenosti su poluprečniki Newtonovih tamnih prstenova. Na kraju krajeva, linije konstantne debljine zračnog raspora su kružnice. Mjerenjem radijusa prstenova mogu se izračunati valne dužine.

Talasna dužina svjetlosti. Za crvenu svjetlost mjerenja daju λ cr = 8 10 -7 m, a za ljubičastu - λ f = 4 10 -7 m. Talasne dužine koje odgovaraju drugim bojama spektra imaju srednje vrijednosti. Za bilo koju boju, talasna dužina svetlosti je veoma kratka. Zamislite prosječan morski val dug nekoliko metara, koji je narastao toliko da je zauzeo cijeli Atlantski okean od obala Amerike do Evrope. Talasna dužina svjetlosti pri istom uvećanju bila bi samo malo duža od širine ove stranice.

Fenomen interferencije ne samo da dokazuje da svjetlost ima valna svojstva, već nam omogućava i mjerenje talasne dužine. Baš kao što je visina zvuka određena njegovom frekvencijom, boja svjetlosti određena je frekvencijom vibracije ili talasnom dužinom.

Izvan nas u prirodi nema boja, postoje samo valovi različitih dužina. Oko je složen fizički uređaj sposoban da detektuje razlike u boji, koje odgovaraju vrlo maloj (oko 10-6 cm) razlici u dužini svetlosnih talasa. Zanimljivo je da većina životinja ne može razlikovati boje. Uvek vide crno-belu sliku. Daltonisti - ljudi koji pate od sljepoće za boje - također ne razlikuju boje.

Kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi, talasna dužina se mijenja. Može se otkriti ovako. Napunite zračni razmak između sočiva i ploče vodom ili drugom prozirnom tekućinom s indeksom prelamanja. Radijusi interferentnih prstenova će se smanjiti.

Zašto se ovo dešava? Znamo da kada svjetlost pređe iz vakuuma u neku sredinu, brzina svjetlosti se smanjuje za faktor n. Pošto je v = λv, tada se frekvencija ili talasna dužina moraju smanjiti n puta. Ali radijusi prstenova zavise od talasne dužine. Stoga, kada svjetlost uđe u medij, talasna dužina se mijenja n puta, a ne frekvencija.

Interferencija elektromagnetnih talasa. U eksperimentima sa mikrotalasnim generatorom može se uočiti interferencija elektromagnetnih (radio) talasa.

Generator i prijemnik su postavljeni jedan naspram drugog (Sl. 125). Zatim se metalna ploča dovodi odozdo u vodoravni položaj. Postepenim podizanjem ploče, otkriva se naizmjenično slabljenje i jačanje zvuka.

Fenomen se objašnjava na sljedeći način. Dio talasa iz sire generatora direktno ulazi u prijemni rog. Drugi dio se odbija od metalne ploče. Promjenom položaja ploče mijenjamo razliku između putanja direktnih i reflektiranih valova. Kao rezultat, valovi jačaju ili slabe jedni druge, ovisno o tome da li je razlika puta jednaka cijelom broju valnih dužina ili neparnom broju poluvalova.

Posmatranje interferencije svjetlosti dokazuje da svjetlost ispoljava valna svojstva kada se širi. Eksperimenti interferencije omogućavaju merenje talasne dužine svetlosti: ona je veoma mala, od 4 10 -7 do 8 10 -7 m.

Interferencija dva talasa. Fresnelova biprizma - 1