A fény természete

Az első elképzelések a fény természetéről az ókori görögök és egyiptomiak körében merültek fel. A különféle optikai műszerek (parabolatükör, mikroszkóp, távcső) feltalálásával és továbbfejlesztésével ezek az ötletek fejlődtek és átalakultak. A 17. század végén két fényelmélet született: korpuszkuláris(I. Newton) és hullám(R. Hooke és H. Huygens).

Hullámelmélet a fényt a mechanikai hullámokhoz hasonló hullámfolyamatnak tekintették. A hullámelmélet azon alapult Huygens elv. A hullámelméletek kidolgozásáért nagy elismerés illeti T. Young angol fizikust és O. Fresnel francia fizikust, akik az interferencia és diffrakció jelenségeit tanulmányozták. E jelenségek átfogó magyarázata csak a hullámelmélet alapján adható. A hullámelmélet érvényességének fontos kísérleti megerősítését kapták 1851-ben, amikor J. Foucault (és tőle függetlenül A. Fizeau) megmérte a fény sebességét a vízben, és megkapta az értéket. υ < c.

Bár a 19. század közepére a hullámelmélet általánosan elfogadottá vált, a fényhullámok természetének kérdése megoldatlan maradt.

A 19. század 60-as éveiben Maxwell megállapította az elektromágneses mező általános törvényeit, amelyek arra a következtetésre vezették, hogy a fény elektromágneses hullámok. Ennek a nézőpontnak a fontos megerősítése volt a vákuumban mért fénysebesség és az elektrodinamikai állandó egybeesése:

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

A fény elektromágneses természetét G. Hertz (1887–1888) elektromágneses hullámok kutatásában végzett kísérletei után ismerték fel. A 20. század elején P. N. Lebegyev fénynyomásmérési kísérletei után (1901) a fény elektromágneses elmélete szilárdan megalapozott ténnyel vált.

A fény természetének tisztázásában a legfontosabb szerepet a fény sebességének kísérleti meghatározása játszotta. A 17. század vége óta ismételten kísérletek történtek a fénysebesség mérésére különféle módszerekkel (A. Fizeau csillagászati ​​módszere, A. Michelson módszere). A modern lézertechnológia lehetővé teszi a fénysebesség mérését Val vel nagyon nagy pontosság független hullámhossz mérések alapján λ és a fény frekvenciái ν (c = λ · ν ). Így sikerült megtalálni az értéket c= 299792458 ± 1,2 m/s, ami pontosságban több mint két nagyságrenddel meghaladja az összes korábban kapott értéket.

A fény rendkívül fontos szerepet játszik életünkben. Az ember a fény segítségével kapja meg a hatalmas mennyiségű információt az őt körülvevő világról. Az optikában, mint a fizika ágában azonban a fényt nemcsak látható fény, hanem a szomszédos elektromágneses sugárzás spektrum széles tartományai is - infravörös(IR) és UV(UV). A fény fizikai tulajdonságait tekintve alapvetően megkülönböztethetetlen az elektromágneses sugárzástól más tartományban - a spektrum különböző részei csak hullámhosszban különböznek egymástól λ és gyakorisága ν .

Az optikai tartományban lévő hullámhosszak mérésére hosszegységeket használnak 1 nanométer(nm) és 1 mikrométer(µm):

1 nm = 10-9 m = 10-7 cm = 10-3 um.

A látható fény körülbelül 400 nm és 780 nm, illetve 0,40 µm és 0,78 µm közötti tartományt foglal el.

A térben terjedő periodikusan változó elektromágneses tér az elektromágneses hullám.

A fény, mint elektromágneses hullám legfontosabb tulajdonságai

1. A fény terjedésével a tér minden pontjában időszakosan ismétlődő változások következnek be az elektromos és mágneses mezőben. Ezeket a változásokat célszerű az elektromos térerősség vektorok \(~\vec E\) és a mágneses tér indukciója \(~\vec B\) oszcillációi formájában ábrázolni a tér minden pontjában. A fény keresztirányú hullám, mivel \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) és \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
2. A \(~\vec E\) és \(~\vec B\) vektorok oszcillációi az elektromágneses hullám minden pontjában azonos fázisokban és két egymásra merőleges irányban \(~\vec E \perp \vec B) \) minden ponttérben.
3. A fény, mint elektromágneses hullám periódusa (frekvencia) megegyezik az elektromágneses hullámok forrásának rezgésének periódusával (frekvenciájával). Az elektromágneses hullámokra a \(~\lambda = \upszilon \cdot T = \dfrac(\upsilon)(\nu)\) összefüggés érvényes. Vákuumban \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac(c)(\nu)\) – a hullámhossz a leghosszabb ehhez képest λ más környezetben, mert ν = const és csak változások υ És λ amikor egyik környezetből a másikba kerül.
4. A fény energiahordozó, és az energiaátadás a hullámterjedés irányában történik. Az elektromágneses tér térfogati energiasűrűségét a \(~\omega_(em) = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2)(2) + \dfrac(B^2)(2) kifejezés határozza meg \cdot \mu \cdot \mu_0)\)
5. A fény, más hullámokhoz hasonlóan, egyenes vonalúan terjed homogén közegben, megtörik, amikor egyik közegből a másikba megy át, és visszaverődik a fémgátokról. Jellemzőjük a diffrakció és az interferencia jelensége.

A fény interferencia

A víz felszínén a hullámok interferenciájának megfigyelésére két hullámforrást használtak (két golyót egy oszcilláló rúdra szerelve). Két közönséges független fényforrás, például két izzó segítségével nem lehet interferenciamintát létrehozni (váltakozó megvilágítási minimumok és maximumok). Egy másik izzó bekapcsolása csak növeli a felület megvilágítását, de nem hozza létre a megvilágítás minimumának és maximumának váltakozását.

Ahhoz, hogy a fényhullámok egymásra helyezésekor stabil interferenciamintázat figyelhető meg, szükséges, hogy a hullámok koherensek legyenek, azaz azonos hullámhosszúak és állandó fáziskülönbséggel rendelkezzenek.

Miért nem koherensek a két forrásból származó fényhullámok?

Az általunk leírt két forrásból származó interferenciamintázat csak akkor jön létre, ha azonos frekvenciájú monokromatikus hullámokat adunk hozzá. Monokromatikus hullámok esetén a tér bármely pontjában a rezgések közötti fáziskülönbség állandó.

Azonos frekvenciájú és állandó fáziskülönbségű hullámokat nevezzük összefüggő.

Csak az egymásra helyezett koherens hullámok adnak stabil interferenciamintát, állandó térbeli elhelyezkedéssel az oszcillációk maximumának és minimumának. Két független forrásból származó fényhullámok nem koherensek. A források atomjai egymástól függetlenül bocsátanak ki fényt különálló szinuszos hullámok „hulladékaiban” (sorozatokban). Egy atom folyamatos sugárzásának időtartama körülbelül 10 s. Ezalatt a fény körülbelül 3 m hosszú utat tesz meg (1. ábra).

Ezek a mindkét forrásból származó hullámsorok egymásra vannak helyezve. Az oszcillációk fáziskülönbsége a tér bármely pontján kaotikusan változik az idő múlásával, attól függően, hogy a különböző forrásokból származó vonatok hogyan tolódnak el egymáshoz képest egy adott időpillanatban. A különböző fényforrásokból származó hullámok inkoherensek, mivel a kezdeti fázisok közötti különbség nem marad állandó. Fázisok φ 01 és φ 02 véletlenszerűen változik, és emiatt a keletkező rezgések fáziskülönbsége véletlenszerűen változik a tér bármely pontjában.

Véletlenszerű szünetek és oszcillációk előfordulása esetén a fáziskülönbség véletlenszerűen változik, figyelembe véve a megfigyelési időt τ az összes lehetséges értéket 0-tól 2-ig π . Ennek eredményeként idővel τ sokkal hosszabb, mint a szabálytalan fázisváltozások ideje (kb. 10-8 s), a cos ( φ 1 – φ 2) a képletben

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

egyenlő nullával. A fény intenzitása megegyezik az egyes forrásokból származó intenzitások összegével, és nem figyelhető meg interferenciamintázat. A fényhullámok inkoherenciája a fő oka annak, hogy a két forrásból származó fény nem hoz létre interferenciamintát. Ez a fő, de nem az egyetlen ok. Egy másik ok, hogy a fény hullámhossza, ahogy hamarosan látni fogjuk, nagyon rövid. Ez nagyon megnehezíti az interferencia megfigyelését, még akkor is, ha koherens hullámforrásaink vannak.

Az interferenciaminta maximumának és minimumának feltételei

A térben két vagy több koherens hullám szuperpozíciója következtében a interferencia minta, amely a fényintenzitás maximumának és minimumának, és ezáltal a képernyő megvilágításának váltakozása.

A fény intenzitását a tér adott pontjában az oszcillációs fázisok különbsége határozza meg φ 1 – φ 2. Ha a forrás rezgések fázisban vannak, akkor φ 01 – φ 02 = 0 és

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

A fáziskülönbséget a források és a megfigyelési pont közötti Δ távolságok különbsége határozza meg r = r 1 – r 2 (a távolságkülönbséget ún löket különbség ). A tér azon pontjain, amelyekre a feltétel teljesül

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

a hullámok, ha összeadjuk, erősítik egymást, és a kapott intenzitás 4-szer nagyobb, mint az egyes hullámok intenzitása, azaz. megfigyelt maximális . Éppen ellenkezőleg, mikor

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

a hullámok kioltják egymást ( én= 0), azaz megfigyelt minimális .

Huygens–Fresnel elv

A hullámelmélet Huygens elvén alapul: minden pont, ahová a hullám elér, a másodlagos hullámok középpontjaként szolgál, és ezeknek a hullámoknak a burkológörbéje adja meg a hullámfront helyzetét a következő időpillanatban.

Legyen egy síkhullám normál esetben egy átlátszatlan képernyőn lévő lyukra (2. ábra). Huygens szerint a lyukkal elkülönített hullámfrontszakasz minden pontja másodlagos hullámok forrásaként szolgál (homogén izotróp közegben gömb alakúak). A másodlagos hullámok burkolóját egy bizonyos időpillanatban megszerkesztve azt látjuk, hogy a hullámfront belép a geometriai árnyék tartományába, azaz a hullám körbejárja a lyuk széleit.

A Huygens-elv csak a hullámfront terjedési irányának problémáját oldja meg, megmagyarázza a diffrakció jelenségét, de nem tér ki az amplitúdó kérdésére, és ebből következően a különböző irányban terjedő hullámok intenzitására. Fresnel fizikai jelentést adott a Huygens-elvnek, kiegészítve azt a másodlagos hullámok interferenciájának gondolatával.

Alapján Huygens–Fresnel elv, egy S forrás által gerjesztett fényhullám a fiktív források által „kibocsátott” koherens másodlagos hullámok szuperpozíciójának eredményeként ábrázolható.

Ilyen források tetszőleges, az S forrást körülvevő zárt felület végtelen kis elemei lehetnek. Általában az egyik hullámfelületet választják ennek a felületnek, így minden fiktív forrás fázisban működik. Így a forrásból terjedő hullámok az összes koherens másodlagos hullám interferenciájának eredménye. Fresnel kizárta a visszafelé irányuló másodlagos hullámok előfordulásának lehetőségét, és feltételezte, hogy ha a forrás és a megfigyelési pont között van egy átlátszatlan képernyő, amelynek lyuk van, akkor a képernyő felületén a másodlagos hullámok amplitúdója nulla, és lyuk ugyanaz, mint képernyő hiányában. A másodlagos hullámok amplitúdóinak és fázisainak figyelembe vétele minden konkrét esetben lehetővé teszi a keletkező hullám amplitúdójának (intenzitásának) a tér bármely pontjában történő meghatározását, azaz a fényterjedési minták meghatározását.

Módszerek interferenciamintázat előállítására

Augustin Fresnel ötlete

A koherens fényforrások előállítására Augustin Fresnel francia fizikus (1788-1827) egyszerű és ötletes módszert talált 1815-ben. Az egyik forrásból származó fényt két sugárnyalábra kell osztani, és különböző utakra kényszerítve őket, össze kell hozni őket. Ekkor az egyes atomok által kibocsátott hullámok két koherens sorozatra oszlanak. Ez a helyzet a forrás egyes atomjai által kibocsátott hullámsorozatok esetében. Az egyetlen atom által kibocsátott fény sajátos interferenciamintázatot hoz létre. Ha ezeket a mintákat egymásra helyezzük, a képernyőn a megvilágítás meglehetősen intenzív eloszlása ​​érhető el: megfigyelhető az interferenciamintázat.

Sokféleképpen lehet koherens fényforrásokat szerezni, de lényegük ugyanaz. A sugarat két részre osztva két képzeletbeli fényforrást kapunk, amelyek koherens hullámokat hoznak létre. Ehhez használjon két tükröt (Fresnel bi-tükrök), egy biprizmát (két prizma az alapoknál összehajtva), egy bilens-t (egy félrevágott lencsét a felekkel széthúzva) stb.

Newton gyűrűi

Az első kísérlet, amely a fény interferenciáját laboratóriumi körülmények között figyelte meg, I. Newtoné. Megfigyelt egy interferenciamintázatot, amely akkor lép fel, amikor a fény egy vékony légrétegben verődik vissza egy sík üveglap és egy nagy görbületi sugarú síkonvex lencse között. Az interferenciamintázat koncentrikus gyűrűk, ún Newton gyűrűi(3. a, b ábra).

Newton a korpuszkuláris elmélet szemszögéből nem tudta megmagyarázni, miért jelentek meg a gyűrűk, de megértette, hogy ez a fényfolyamatok bizonyos periodikusságának köszönhető.

Young kettős rés kísérlete

A T. Young által javasolt kísérlet meggyőzően demonstrálja a fény hullámtermészetét. Ahhoz, hogy jobban megértsük Jung kísérletének eredményeit, érdemes először megvizsgálni azt a helyzetet, amikor a fény áthalad egy partíció egyik résén. Egy réses kísérletben a forrásból származó monokromatikus fény egy keskeny résen halad át, és rögzítésre kerül a képernyőn. A váratlan az az, hogy kellően keskeny résnél a képernyőn nem egy keskeny világító csík látszik (a rés képe), hanem a fényintenzitás egyenletes eloszlása, amelynek középen van a maximuma, és fokozatosan csökken felé. a széleket. Ezt a jelenséget a fény rés általi diffrakciója okozza, és a fény hullámtermészetének is a következménye.

Most készítsünk két rést a válaszfalon (4. ábra). Az egyik vagy a másik rés egymás utáni bezárásával megbizonyosodhat arról, hogy az intenzitáseloszlási mintázat a képernyőn ugyanaz lesz, mint egy résnél, de minden alkalommal csak a maximális intenzitás helyzete fog megfelelni a képernyő pozíciójának. nyitott rés. Ha mindkét rés nyitva van, a képernyőn világos és sötét csíkok váltakozó sorozata jelenik meg, és a világos csíkok fényereje a középponttól való távolság növekedésével csökken.

Az interferencia néhány alkalmazása

Az interferencia alkalmazásai nagyon fontosak és hatalmasak.

Vannak speciális eszközök - interferométerek- akinek cselekvése az interferencia jelenségén alapul. Céljuk különböző lehet: fényhullámhosszak pontos mérése, gázok törésmutatójának mérése stb. Vannak speciális célokra interferométerek. Az egyikükről, amelyet Michelson a fénysebesség nagyon kis változásainak rögzítésére tervezett, a „A relativitáselmélet alapjai” című fejezetben tárgyaljuk.

Csak az interferencia két alkalmazására összpontosítunk.

Felületkezelés minőségének ellenőrzése

Az interferencia segítségével akár 10 -6 cm-es hibával értékelheti a termék felületének csiszolásának minőségét. Ehhez vékony levegőréteget kell létrehozni a minta felülete és egy nagyon sima referencia között lemez (5. ábra).

Ekkor a 10-6 cm-es felületi egyenetlenségek észrevehető görbületet okoznak a vizsgált felületről és a referencialemez alsó széléről visszaverődő interferenciaperemeken.

A lencsecsiszolás minősége különösen a Newton-gyűrűk megfigyelésével ellenőrizhető. A gyűrűk csak akkor lesznek szabályos körök, ha a lencse felülete szigorúan gömb alakú. Bármilyen eltérés a szférikusságtól 0,1-nél nagyobb λ észrevehetően befolyásolja a gyűrűk alakját. Ahol dudor van a lencsén, ott a gyűrűk a középpont felé hajlanak.

Érdekesség, hogy E. Torricelli (1608-1647) olasz fizikus 10-6 cm-es hibával tudott lencséket csiszolni, lencséit a múzeumban őrzik, minőségüket modern módszerekkel tesztelték. Hogy sikerült neki ez? Erre a kérdésre nehéz válaszolni. Akkoriban nem szokták kiadni a mesterség titkait. Úgy tűnik, Torricelli jóval Newton előtt fedezte fel az interferenciagyűrűket, és úgy sejtette, hogy ezek segítségével ellenőrizni lehet a köszörülés minőségét. De természetesen Torricellinek fogalma sem lehetett arról, hogy miért jelennek meg a gyűrűk.

Vegyük észre azt is, hogy szinte szigorúan monokromatikus fényt használva megfigyelhető az interferenciamintázat, amikor egymástól nagy távolságra (több méteres nagyságrendben) elhelyezkedő síkokról visszaverődik. Ez lehetővé teszi több száz centiméteres távolságok mérését akár 10-6 cm-es hibával.

Optikai bevonat

A modern fényképezőgépek vagy filmvetítők, tengeralattjáró periszkópok és különféle egyéb optikai eszközök lencséi nagyszámú optikai szemüvegből állnak - lencsékből, prizmákból stb. Az ilyen eszközökön áthaladva a fény számos felületről visszaverődik. A fényvisszaverő felületek száma a modern fényképészeti lencsékben meghaladja a 10-et, a tengeralattjáró periszkópokban pedig a 40-et. Amikor a fény a felszínre merőlegesen esik, minden felületről a teljes energia 5-9%-a verődik vissza. Ezért gyakran a bejutó fény 10-20%-a jut át ​​a készüléken. Ennek eredményeként a kép megvilágítása gyenge. Ráadásul a képminőség is romlik. A fénysugár egy része a belső felületekről való ismételt visszaverődés után még áthalad az optikai eszközön, de szétszóródik, és már nem vesz részt a tiszta kép létrehozásában. A fényképes képeken például ezért „fátyol” képződik.

Az optikai üvegek felületéről való visszaverődés ezen kellemetlen következményeinek kiküszöbölése érdekében csökkenteni kell a visszavert fényenergia arányát. A készülék által előállított kép világosabb lesz és „világosodik”. Innen származik a kifejezés optika törlés.

Az optikai törlés interferencián alapul. Az optikai üveg, például lencse felületére vékony törésmutatójú filmet visznek fel. n n, kisebb, mint az üveg törésmutatója n Val vel. Az egyszerűség kedvéért nézzük meg a fény normál beesését a filmre (6. ábra).

Az a feltétel, hogy a film felső és alsó felületéről visszaverődő hullámok kioltják egymást (minimális vastagságú film esetén) a következőképpen íródnak le:

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

ahol \(~\dfrac(\lambda)(n_n)\) a hullámhossz a filmben, és 2 h- löket különbség.

Ha mindkét visszavert hullám amplitúdója azonos vagy nagyon közel van egymáshoz, akkor a fény kioltása teljes lesz. Ennek eléréséhez a film törésmutatóját ennek megfelelően választják meg, mivel a visszavert fény intenzitását a két szomszédos közeg törésmutatóinak aránya határozza meg.

Normál körülmények között fehér fény esik az objektívre. A (4) kifejezés azt mutatja, hogy a szükséges filmvastagság függ a hullámhossztól. Ezért lehetetlen elnyomni az összes frekvenciájú visszavert hullámot. A film vastagságát úgy kell megválasztani, hogy a spektrum középső részének hullámhosszain (zöld szín, λ h = 5,5·10 -7 m) normál előfordulás mellett teljes kioltás történjen; egyenlőnek kell lennie a film hullámhosszának negyedével:

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

A spektrum szélső részeiről – vörös és ibolya – visszaverődő fény enyhén gyengül. Ezért a bevont optikával ellátott lencsék visszavert fényben lila árnyalatúak. Ma már az egyszerű olcsó kameráknak is van bevonatos optikája. Befejezésül még egyszer hangsúlyozzuk, hogy a fény fénnyel való kioltása nem jelenti a fényenergia más formákká való átalakítását. A mechanikai hullámok interferenciájához hasonlóan a hullámok egymás általi kioltása a tér adott területén azt jelenti, hogy a fényenergia egyszerűen nem érkezik ide. A bevont optikával ellátott lencsék visszavert hullámainak csillapítása azt jelenti, hogy az összes fény áthalad a lencsén.

Alkalmazás

Két monokromatikus hullám összeadása

Tekintsük részletesebben két azonos frekvenciájú harmonikus hullám összeadását ν egy bizonyos ponton A homogén közeg, tekintve, hogy ezeknek a hullámoknak a forrásai S 1 és S 2 a pontból való A távolságokban, ill. l 1 és l 2 (7. ábra).

Tegyük fel az egyszerűség kedvéért, hogy a vizsgált hullámok hosszanti vagy keresztirányú síkban polarizáltak, és amplitúdójuk egyenlő a 1 és a 2. Ezután a \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\ szerint ezeknek a hullámoknak az egyenletei a pontban A hasonló

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

Az eredményül kapott hullám egyenlete, amely az (5), (6) hullámok szuperpozíciója, ezek összege:

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

Sőt, ahogy a geometriából ismert koszinusztétel segítségével bebizonyítható, az eredő rezgés amplitúdójának négyzetét a képlet határozza meg

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

ahol Δ φ - oszcillációs fáziskülönbség:

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

(A kezdeti fázis kifejezése φ 01 nem adjuk meg a keletkező rezgést terjedelmessége miatt).

A (8)-ból világos, hogy az eredő rezgés amplitúdója a Δ útkülönbség periodikus függvénye l. Ha a hullámút-különbség akkora, hogy a fáziskülönbség Δ φ egyenlő

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

majd a ponton A a kapott hullám amplitúdója maximális lesz ( maximális állapot), ha

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

majd az amplitúdó a pontban A minimális ( minimális feltétel).

Az egyszerűség kedvéért azt feltételezve φ 01 = φ 02 és a 1 = a 2, és figyelembe véve a \(~k = \dfrac(\omega)(\upsilon) = \dfrac(2 \pi)(\lambda)\ egyenlőséget, a (10) és (11) feltételeket és a megfelelő kifejezéseket az a amplitúdóhoz a következő formában írható:

\(~\Delta l = \pm n \lambda\) ( maximális állapot), (12)

és akkor A = a 1 + a 2, és

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

és akkor a = 0.

Irodalmak

1. Myakishev G.Ya. Fizika: Optika. A kvantumfizika. 11. évfolyam: Oktatási. a fizika elmélyült tanulmányozására / G.Ya. Myakishev, A.Z. Szinyakov. – M.: Túzok, 2002. – 464 p.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika A-tól Z-ig: hallgatóknak, jelentkezőknek, oktatóknak. – Mn.: Paradoxon, 2000. – 560 p.

Ha az egyik forrásból kiáramló fényt bizonyos módon, például két nyalábra osztják, majd egymásra helyezik, akkor a sugarak szuperpozíciójának tartományában az intenzitás egyik pontról a másikra változik. Ebben az esetben bizonyos pontokon elérjük a maximális intenzitást, amely nagyobb, mint a két nyaláb intenzitásának összege, és egy minimumot, ahol az intenzitás nulla. Ezt a jelenséget fényinterferenciának nevezik. Ha a kúszó fénysugarak szigorúan monokromatikusak, akkor mindig interferencia lép fel. Ez természetesen nem vonatkozik a valódi fényforrásokra, mivel ezek nem szigorúan monokromatikusak. A természetes fényforrás amplitúdója és fázisa folyamatos ingadozásoknak van kitéve, és nagyon gyorsan bekövetkezik, így az emberi szem vagy egy primitív fizikai detektor nem képes észlelni ezeket a változásokat. A különböző forrásokból származó fénysugarakban a fluktuációk teljesen függetlenek; az ilyen sugarakat kölcsönösen inkoherensnek mondják. Ha az ilyen interferenciaforrásokat egymásra helyezzük, akkor nem figyelhető meg interferencia; a teljes intenzitás egyenlő az egyes fénysugarak intenzitásának összegével.

Módszerek zavaró fénysugarak előállítására

Két általános módszer létezik a zavaró fénysugarak előállítására. Ezek a módszerek képezik az interferometriában használt eszközök osztályozásának alapját.

Az elsőben egy fénysugár megoszlik, amikor egymáshoz közel lévő lyukakon halad át. Ezt a módszert hullámfront-osztási módszernek nevezik. Csak akkor alkalmazható, ha kis fényforrásokat használ.

Az első kísérleti beállítást a fény interferenciájának demonstrálására Young készítette. Kísérletében egy monokromatikus pontforrásból származó fény egy átlátszatlan képernyőn két kis lyukra esett, amelyek egymás közelében, a fényforrástól egyenlő távolságra helyezkedtek el. Ezek a képernyőn lévő lyukak másodlagos fényforrásokká váltak, amelyekből kiinduló fénysugarak koherensnek tekinthetők. Az ezekből a másodlagos forrásokból származó fénysugarak átfedik egymást, és az átfedésük tartományában interferenciamintázat figyelhető meg. Az interferenciaminta világos és sötét sávok gyűjteményéből áll, amelyeket interferenciaperemeknek nevezünk. Egyenlő távolságra vannak egymástól, és derékszögben irányulnak a másodlagos fényforrásokat összekötő vonalra. Az interferencia peremek a másodlagos forrásokból származó divergens nyalábok átfedési tartományának bármely síkjában megfigyelhetők. Az ilyen interferencia peremeket nem lokalizáltnak nevezzük.

A második módszernél a fénysugarat egy vagy több felülettel osztják fel, amelyek részben visszaverik és részben áteresztik a fényt. Ezt a módszert amplitúdóosztásos módszernek nevezik. Kibővített forrásokhoz használható. Előnye, hogy segítségével nagyobb intenzitás érhető el, mint a frontosztásos módszer.

Az amplitúdó elosztásával kapott interferenciamintázat akkor kapható meg, ha egy síkkal párhuzamos, átlátszó anyagú lemezt kvázi monokromatikus fény pontforrásából származó fénnyel világítunk meg. Ebben az esetben két sugár érkezik bármely pontra, amely a fényforrással azonos oldalon van. Egy részük a lemez felső felületéről, másik részük az alsó felületéről verődött vissza. A visszavert sugarak interferálnak, és interferenciamintát alkotnak. Ebben az esetben a lemezzel párhuzamos síkban lévő csíkok gyűrű alakúak, amelyek tengelye merőleges a lemezre. Az ilyen gyűrűk láthatósága a fényforrás méretének növekedésével csökken. Ha a megfigyelési pont a végtelenben van, akkor a megfigyelést a végtelenhez alkalmazkodó szemmel vagy a teleszkóp lencséjének fókuszsíkjában végezzük. A lemez felső és alsó felületéről visszaverődő sugarak párhuzamosak. A filmre azonos szögben beeső sugarak interferenciájából származó csíkokat egyenlő hajlású csíkoknak nevezzük. (További információ a sík-párhuzamos lemez interferenciájáról az "Interferencia vékonyrétegekben" című fejezetben található)

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Gyakorlat	Mi a második fényes csík helyzete Young kísérletében, ha a rések közötti távolság b, akkor a rések és a képernyő távolsága l. A rések monokromatikus fénnyel vannak megvilágítva, amelynek hullámhossza egyenlő.
Megoldás	Ábrázoljuk a lyukakból ( és ) a képernyőre jutó fény helyzetét Young kísérletében (1. ábra). A képernyő párhuzamos azzal a síkkal, amelyben a lyukak találhatók. A sugarak útjában a különbséget az 1. ábra alapján találjuk meg: A zavaró fénysugarak maximális feltételei (lásd a „Fény interferencia” részt): A feladat feltételei szerint a második interferenciaperem helyzetére vagyunk kíváncsiak, ezért: . Az (1.1) és (1.2) kifejezések alkalmazásával a következőket kapjuk: Adjuk meg az (1.3) képletből:
Válasz	m

2. PÉLDA

Gyakorlat	Young kísérletében az egyik másodlagos forrásból kiinduló sugár útjába erre a sugárra merőlegesen n törésmutatójú vékony üveglapot helyeztek. Ebben az esetben a középső maximum eltolódott abba a pozícióba, amelyet korábban az m maximális szám foglalt el. Mekkora a lemez vastagsága, ha a fény hullámhossza?
Megoldás	A sugarak útjában a különbséget egy lemez jelenlétében írjuk le, figyelembe véve, hogy a sugár a normál mentén esik a lemezre:

Tekintsük és írjuk le a harmonikus hullámok interferenciamintáját.

Legyenek az S t és S 2 források koherensek, és a felsorolt ​​módszerek valamelyikével kapjuk meg.

Tekintsünk két hengeres koherens fényhullámot, amelyek az S t és S 2 forrásokból származnak, amelyek párhuzamos vékony fényszálak vagy keskeny rések (5.4. ábra). Azt a tartományt, ahol ezek a hullámok átfedik egymást, interferenciamezőnek nevezzük. Az egész területen váltakoznak a maximális és minimális fényintenzitású helyek. Ha egy képernyőt az interferenciamezőbe helyezünk, akkor rajta egy interferenciaminta látható, amely váltakozó világos és sötét csíkok formájában jelenik meg. Számítsuk ki ezeknek a csíkoknak a szélességét azzal a feltételezéssel, hogy a képernyő párhuzamos az S 1 és S 2 forrásokon átmenő síkkal. A pont helyzetét a képernyőn az x koordinátával jellemezzük, az S 1 és S 2 egyenesekre merőleges irányban mérve. Az O pontban választjuk ki az origót, amelyhez képest S 1 és S 2. szimmetrikusan helyezkedik el. A forrásokat ugyanabban a fázisban oszcillálónak fogjuk tekinteni. ábrából 5.4 egyértelmű, hogy

Ennélfogva,

Az alábbiakban tisztázni fogjuk, hogy az észlelhető interferenciamintázat eléréséhez a d források közötti távolságnak lényegesen kisebbnek kell lennie, mint az l képernyő távolságának. Az az x távolság, amelyen belül interferenciarojtok keletkeznek, szintén lényegesen kisebb, mint l. Ilyen feltételek mellett feltehetjük akkor

s 2 -s 1-et megszorozva az n közeg törésmutatójával, megkapjuk az optikai útkülönbséget

Ennek az útkülönbségnek a behelyettesítése a maximális feltételbe

azt adja, hogy az intenzitásmaximumokat x értékekkel egyenlő értékeknél figyeljük meg

Itt látható a közegben lévő hullámhossz, amely kitölti a források és a képernyő közötti teret.

Az (5.1) érték behelyettesítése a feltételbe

megkapjuk az intenzitási minimumok koordinátáit:

Nevezzük két szomszédos intenzitásmaximum távolságát az interferencia peremek közötti távolságnak, a szomszédos intenzitási minimumok távolságát pedig az interferencia perem szélességének. Az (5.2) és (5.3) képletekből következik, hogy a csíkok közötti távolság és a csík szélessége azonos értékű, egyenlő

Az (5.4) képlet szerint a csíkok közötti távolság növekszik, ahogy a d források távolsága csökken. Ha d értéke l-hez hasonlítható, a csíkok közötti távolság ugyanolyan nagyságrendű lenne, mint az l, azaz több tized mikron lenne. Ebben az esetben az egyes csíkok teljesen megkülönböztethetetlenek lennének. Ahhoz, hogy az interferenciaminta egyértelművé váljon, a fent említett feltételnek teljesülnie kell: d<

Minden pontban két térben terjedő hullám adja meg rezgéseinek geometriai összegét. Ezt az elvet hullámszuperpozíciónak nevezik. Ezt a törvényt hihetetlen pontossággal betartják. Ritka esetekben azonban figyelmen kívül hagyható. Ez azokra a helyzetekre vonatkozik, amikor a hullámok összetett közegben terjednek, amikor intenzitásuk (amplitúdójuk) nagyon megnő. Ez az elv azt jelenti, hogy egy bizonyos számú elektromágneses hullámra, amely egy bizonyos közegben terjed, maga a közeg nagyon specifikus módon reagál - csak egy hullámra reagál, mintha nem lennének a közelben mások. Matematikailag ez azt jelenti, hogy a kiválasztott közeg bármely pontján az elektromágneses tér erőssége és indukciója egyenlő lesz az összes kombinált mező mágneses indukcióinak és intenzitásának vektorösszegével. Az elektromágneses hullámok szuperpozíciójának elve miatt olyan jelenségek lépnek fel, mint a fény diffrakciója és interferencia. Fizikai szempontból is érdekesek, ráadásul szépségükkel is lenyűgöznek.

Mi az interferencia?

Ez a jelenség csak speciális feltételek mellett jöhet szóba. A fényinterferencia gyengülési és erősödési sávok kialakulása, amelyek egymást váltják. Az egyik fontos feltétel az elektromágneses hullámok (fénysugarak) egymásra szuperpozíciója, számuk kettő vagy több legyen. Az állóhullám különleges eset. Meg kell jegyezni, hogy az interferencia pusztán hullámhatás, amely nem csak a fényre vonatkozik. A visszavert vagy beeső hullámon szuperpozíció következtében létrejövő állóhullámban intenzitásmaximumok (antinódusok) és minimumok (csomópontok) figyelhetők meg, amelyek váltakoznak egymással.

Alapfeltételek

A hullámok interferenciája a koherenciájukból adódik. Mit jelent ez a kifejezés? A koherencia a hullámok fázisbeli konzisztenciája. Ha két különböző forrásból származó hullámot egymásra helyezünk, akkor a fázisaik véletlenszerűen változnak. A fényhullámok az atomok sugárzásának következményei, így mindegyikük hatalmas számú komponens szuperpozíciójának eredménye.

Minimum és maximum

A térben a teljes hullámok „helyes” erősítésének és csillapításának megjelenéséhez szükséges, hogy a hozzáadott komponensek kioltsák egymást egy kiválasztott ponton. Vagyis hosszú ideig az elektromágneses hullámoknak ellenfázisban kellene lenniük, hogy a fáziskülönbség mindig ugyanaz maradjon. A maximum akkor jelenik meg, ha a komponenshullámok azonos fázisban vannak, azaz felerősítve vannak. A fény interferenciáját egy adott ponton állandó fáziskülönbség mellett figyeljük meg. És az ilyen hullámokat koherensnek nevezik.

Természetes források

Mikor figyelhető meg olyan jelenség, mint a fényinterferencia? A természetes forrásokból kibocsátott elektromágneses hullámok inkoherensek, mert különböző atomok véletlenszerűen hozzák létre őket, általában teljesen eltérően egymással. Az atom által kibocsátott minden egyes hullám egy szinuszhullám szegmense, amely abszolút koherens önmagával. Így a forrásból származó egy fényáramot két vagy több sugárnyalábra kell felosztani, majd a keletkező sugarakat egymásra kell helyezni. Ebben az esetben képesek leszünk megfigyelni egy olyan jelenség minimumát és maximumát, mint a fény interferencia.

Hullámátfedés megfigyelése

Mint fentebb említettük, a fény interferencia egy nagyon tág fogalom, amelyben a fénysugarak hozzáadásának eredménye nem egyenlő intenzitással az egyes sugarak intenzitásával. Ennek a jelenségnek az eredményeként az energia újraeloszlása ​​megy végbe a térben – éppen ezek a minimumok és maximumok alakulnak ki. Ezért az interferenciaminta egyszerűen a sötét és világos csíkok váltakozása. Ha fehér fényt használ, a csíkok különböző színűek lesznek. De mikor találkozunk fényinterferenciával a mindennapi életben? Ez elég gyakran megtörténik. Megnyilvánulásai az aszfalton lévő olajfoltok, a szivárványos árnyalatú szappanbuborékok, a fényjáték az edzett fém felületén és a minták a szitakötő szárnyain. Ez mind a fény interferenciája a vékony filmekben. A valóságban ennek a hatásnak a megfigyelése nem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. Ha két teljesen egyforma lámpa ég, akkor ezek intenzitása összeadódik. De miért nincs interferenciahatás? A válasz erre a kérdésre a legfontosabb feltétel - a hullámkoherencia - ilyen szuperpozíciójának hiányában rejlik.

Fresnel biprizma

Az interferenciamintázat eléréséhez veszünk egy forrást, amely egy keskeny, megvilágított rés, amely párhuzamosan a biprizma élével van elhelyezve. A belőle érkező hullám a biprizma felében a törés következtében kettéágazik, és két különböző módon éri el a képernyőt, azaz útkülönbség lesz. A képernyőn, azon a részén, ahol a biprizma felének fénysugarai átfedik egymást, váltakozó sötét és világos csíkok jelennek meg. A löketkülönbség bizonyos okok miatt korlátozott. Minden egyes sugárzási aktus során egy atom úgynevezett hullámsort (elektromágneses hullámrendszert) bocsát ki, amely térben és időben terjed, megtartva szinuszosságát. Ennek a sorozatnak az időtartamát az atomban lévő részecskék (elektronok) természetes rezgésének csillapítása és ennek az atomnak másokkal való ütközése korlátozza. Ha fehér fényt enged át egy biprizmán, színinterferenciát láthat, mint a vékony filmeknél. Ha a fény monokromatikus (egy gáz ívkisüléséből származik), akkor az interferenciaminta egyszerűen világos és sötét csíkokból áll. Ez azt jelenti, hogy a különböző színek hullámhossza eltérő, vagyis a fény különböző színű, és hullámhosszkülönbség jellemzi.

Szemfedő hullámok szerzése

Az ideális fényforrás a lézer (kvantumgenerátor), amely természeténél fogva a stimulált sugárzás koherens forrása. Egy koherens lézervonat hossza elérheti a több ezer kilométert. A kvantumgenerátoroknak köszönhetően a tudósok létrehozták a modern optika egész területét, amelyet koherensnek neveztek. A fizika ezen ága hihetetlenül ígéretes a műszaki és elméleti eredmények tekintetében.

A hatás alkalmazási területei

Tág értelemben a „fény interferencia” fogalma az energia áramlásának és sugárzási állapotának (polarizációjának) térbeli modulációja több (két vagy több) elektromágneses hullám metszéspontjában. De hol használják ezt a hatást? A fényinterferencia alkalmazása a legkülönfélébb technológiai és ipari területeken lehetséges. Ezt a jelenséget például a feldolgozott termékek felületének, valamint az egyes részek mechanikai és termikus igénybevételeinek precíziós ellenőrzésére, valamint különféle tárgyak térfogatának mérésére használják. A fényinterferenciát a mikroszkópiában, az infravörös és az optikai spektroszkópiában is alkalmazzák. Ez a jelenség a modern háromdimenziós holográfia és az aktív Raman-spektroszkópia alapja. Az interferencia, amint az a példákból is látható, főként nagy pontosságú mérésekre és törésmutatók kiszámítására szolgál különböző közegekben.

Meggyőzőbb bizonyítékokra van szükség arra vonatkozóan, hogy a fény hullámként viselkedik, amikor halad. Bármely hullámmozgást az interferencia és a diffrakció jelensége jellemez. Annak érdekében, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a fény hullámtermészetű, kísérleti bizonyítékot kell találni a fény interferenciájára és diffrakciójára.

Az interferencia meglehetősen összetett jelenség. Lényegének jobb megértése érdekében először a mechanikai hullámok interferenciájára összpontosítunk.

Hullámok hozzáadása. Nagyon gyakran több különböző hullám terjed egyszerre egy közegben. Például amikor többen beszélnek egy szobában, a hanghullámok átfedik egymást. Mi történik?

A mechanikai hullámok szuperpozícióját legegyszerűbben a víz felszínén lévő hullámok megfigyelésével lehet megfigyelni. Ha két követ dobunk a vízbe, és ezáltal két gyűrű alakú hullámot hozunk létre, akkor könnyen észrevehetjük, hogy mindegyik hullám áthalad a másikon, és ezt követően úgy viselkedik, mintha a másik hullám egyáltalán nem is létezne. Ugyanígy tetszőleges számú hanghullám terjedhet egyidejűleg a levegőben anélkül, hogy a legkevésbé zavarná egymást. Egy zenekarban sok hangszer vagy egy kórus hangja hoz létre hanghullámokat, amelyeket a fülünk egyidejűleg érzékel. Sőt, a fül képes megkülönböztetni az egyik hangot a másiktól.

Most nézzük meg közelebbről, mi történik azokon a helyeken, ahol a hullámok átfedik egymást. Két vízbe dobott kőből a víz felszínén hullámokat figyelve észrevehető, hogy a felszín egyes területei nem bolygatnak, máshol viszont felerősödött a zavarás. Ha két hullám egy helyen tajtékkal találkozik, akkor ezen a helyen felerősödik a vízfelszín zavarása.

Ha éppen ellenkezőleg, az egyik hullám gerince találkozik egy másik hullámvölgyével, akkor a víz felszínét nem zavarják.

Általánosságban elmondható, hogy a közeg minden pontján a két hullám által okozott oszcillációk egyszerűen összeadódnak. A közeg bármely részecskéjének eredő elmozdulása az elmozdulások algebrai (azaz előjeleiket figyelembe véve) összege, amely az egyik hullám terjedése során, a másik hiányában következne be.

Interferencia. Interferenciának nevezzük a térbeli hullámok összeadását, amelyben a keletkező rezgések amplitúdóinak időben állandó eloszlása ​​alakul ki.

Nézzük meg, milyen körülmények között lép fel hulláminterferencia. Ehhez tekintsük részletesebben a víz felszínén kialakuló hullámok összeadását.

Lehetőség van egy fürdőben két körhullám egyidejű gerjesztésére két rúdra szerelt golyó segítségével, amely harmonikus rezgéseket hajt végre (118. ábra). A vízfelszín bármely M pontján (119. ábra) két (O 1 és O 2 forrásból származó) hullám által kiváltott rezgések összeadódnak. A két hullám által az M pontban kiváltott rezgések amplitúdója általában eltérő lesz, mivel a hullámok különböző utakon haladnak d 1 és d 2. De ha a források közötti l távolság sokkal kisebb, mint ezek az utak (l « d 1 és l « d 2), akkor mindkét amplitúdó
szinte azonosnak tekinthetők.

Az M pontba érkező hullámok összeadásának eredménye a köztük lévő fáziskülönbségtől függ. A különböző d 1 és d 2 távolságokat megtett hullámok útkülönbsége Δd = d 2 -d 1. Ha az útkülönbség egyenlő a λ hullámhosszal, akkor a második hullám pontosan egy periódussal késik az elsőhöz képest (épp abban az időszakban, amikor a hullám a hullámhosszal megegyező utat tesz meg). Következésképpen ebben az esetben mindkét hullám csúcsa (valamint a mélyedések) egybeesik.

Maximális állapot. A 120. ábra mutatja a két hullám okozta X 1 és X 2 elmozdulások időfüggését Δd= λ-nál. A rezgések fáziskülönbsége nulla (vagy ami megegyezik, 2n, mivel a szinusz periódusa 2n). Ezen rezgések összeadásának eredményeként kettős amplitúdójú rezgés jön létre. Az így létrejövő elmozdulás ingadozása színnel (szaggatott vonallal) látható az ábrán. Ugyanez történik, ha a Δd szegmens nem egy, hanem tetszőleges számú hullámhosszt tartalmaz.

A közeg oszcillációinak amplitúdója egy adott pontban akkor a legnagyobb, ha az ezen a ponton oszcillációt gerjesztő két hullám útjában a különbség egyenlő egész számú hullámhosszal:

ahol k=0,1,2,...

Minimális állapot. Most a Δd szegmens illeszkedjen a hullámhossz felére. Nyilvánvaló, hogy a második hullám a periódus felével elmarad az elsőtől. A fáziskülönbség n-nek bizonyul, azaz a rezgések ellenfázisban fognak bekövetkezni. Ezen rezgések összeadása következtében a keletkező rezgés amplitúdója nulla, vagyis a vizsgált pontban nincsenek rezgések (121. ábra). Ugyanez történik, ha bármilyen páratlan számú félhullám illeszkedik a szegmensre.

A közeg oszcillációinak amplitúdója egy adott pontban minimális, ha az ezen a ponton gerjesztő két hullám útjában a különbség egyenlő páratlan számú félhullámmal:

Ha a d 2 - d 1 útkülönbség köztes értéket vesz fel
λ és λ/2 között, akkor a keletkező rezgés amplitúdója valamilyen köztes értéket vesz fel a dupla amplitúdó és nulla között. De a legfontosabb dolog az, hogy az oszcillációk amplitúdója bármely ponton idővel változik. A víz felszínén a rezgésamplitúdók egy bizonyos, időben invariáns eloszlása ​​jelenik meg, amit interferenciamintának nevezünk. A 122. ábra két forrásból származó két körkörös hullám (fekete körök) interferenciamintázatát mutatja fényképről. A fénykép középső részén a fehér területek a lengésmaximumoknak, a sötétek pedig a lengésminimumoknak felelnek meg.

Koherens hullámok. A stabil interferenciamintázat kialakításához szükséges, hogy a hullámforrások azonos frekvenciájúak legyenek, és rezgéseik fáziskülönbsége állandó legyen.

Azokat a forrásokat, amelyek kielégítik ezeket a feltételeket, koherensnek nevezzük. Az általuk létrehozott hullámokat koherensnek is nevezik. Csak koherens hullámok összeadásakor jön létre stabil interferenciamintázat.

Ha a források rezgései közötti fáziskülönbség nem marad állandó, akkor a közeg bármely pontján megváltozik a két hullám által gerjesztett rezgések közötti fáziskülönbség. Ezért a keletkező rezgések amplitúdója idővel változik. Ennek eredményeként a maximumok és minimumok elmozdulnak a térben, és az interferencia-minta elmosódik.

Energiaelosztás zavarás közben. A hullámok energiát hordoznak. Mi történik ezzel az energiával, ha a hullámok kioltják egymást? Lehet, hogy más formákká alakul és hő szabadul fel az interferenciaminta minimumain? Semmi ilyesmi. A minimum jelenléte az interferenciamintázat adott pontjában azt jelenti, hogy itt egyáltalán nem áramlik az energia. Az interferencia miatt az energia újraeloszlik a térben. Nem egyenletesen oszlik el a közeg minden részecskéjén, hanem a maximumokban koncentrálódik, mivel egyáltalán nem lép be a minimumokba.

FÉNYHULLÁMOK INTERFERENCIÁJA

Ha a fény hullámfolyam, akkor a fény interferencia jelenségét kell megfigyelni. Két független fényforrás, például két izzó használatával azonban nem lehet interferenciamintát (a megvilágítás maximumai és minimumai váltakozva) előállítani. Egy másik izzó bekapcsolása csak növeli a felület megvilágítását, de nem hozza létre a megvilágítás minimumának és maximumának váltakozását.

Nézzük meg, mi az oka ennek, és milyen feltételek mellett figyelhető meg a fény interferencia.

A fényhullámok koherenciájának feltétele. Ennek az az oka, hogy a különböző források által kibocsátott fényhullámok nincsenek összhangban egymással. A stabil interferenciamintázat eléréséhez konzisztens hullámokra van szükség. A tér bármely pontján azonos hullámhosszúaknak és állandó fáziskülönbséggel kell rendelkezniük. Emlékezzünk vissza, hogy az ilyen konzisztens hullámokat azonos hullámhosszúsággal és állandó fáziskülönbséggel koherensnek nevezzük.

A két forrás hullámhosszának szinte pontos egyenlőségét nem nehéz elérni. Ehhez elég jó fényszűrőket használni, amelyek nagyon szűk hullámhossz-tartományban továbbítják a fényt. A fáziskülönbség állandóságát azonban két független forrásból lehetetlen megvalósítani. A források atomjai egymástól függetlenül bocsátanak ki fényt különálló, mintegy méter hosszú szinuszhullámokban. És az ilyen hullámvonatok mindkét forrásból átfedik egymást. Ennek eredményeként a tér bármely pontján a rezgések amplitúdója kaotikusan változik az idő múlásával, attól függően, hogy egy adott időpillanatban a különböző forrásokból származó hullámsorok hogyan tolódnak el egymáshoz képest fázisban. A különböző fényforrásokból származó hullámok inkoherensek, mivel a hullámok közötti fáziskülönbség nem marad állandó. Nem figyelhető meg stabil mintázat a megvilágítás maximumának és minimumának meghatározott térbeli eloszlásával.

Interferencia vékony filmekben. Ennek ellenére megfigyelhető a fény interferencia. Az a furcsa, hogy nagyon sokáig megfigyelték, de egyszerűen nem vették észre.

Te is sokszor láttál már interferenciamintát, amikor gyerekként szappanbuborékot fújva szórakoztál, vagy egy vékony kerozin- vagy olajréteg szivárványszíneit nézted a víz felszínén. „A levegőben lebegő szappanbuborék... a környező tárgyak minden színárnyalatával világít. A szappanbuborék talán a természet legcsodálatosabb csodája” (Mark Twain). A fény interferenciája az, ami csodálatossá teszi a szappanbuborékot.

Thomas Young angol tudós volt az első, aki azzal a zseniális ötlettel állt elő, hogy a vékony filmek színeit az 1. és 2. hullám hozzáadásával magyarázzuk meg (123. ábra), amelyek közül az egyik (1) visszaverődik a fólia külső felületét, a másodikat (2) pedig a belsőtől. Ebben az esetben a fényhullámok interferenciája következik be - két hullám összeadása, amelynek eredményeként a létrejövő fényrezgések erősödésének vagy gyengülésének időben stabil mintázata figyelhető meg a tér különböző pontjain. Az interferencia eredménye (a keletkező rezgések erősödése vagy gyengülése) a fény filmre eső szögétől, vastagságától és hullámhosszától függ. Fényerősítés következik be, ha a 2 megtört hullám egész számú hullámhosszal elmarad a visszavert 1 hullám mögött. Ha a második hullám fél hullámhosszal vagy páratlan számú félhullámmal elmarad az elsőtől, akkor a fény gyengül.

A film külső és belső felületéről visszaverődő hullámok koherenciáját az biztosítja, hogy ugyanannak a fénysugárnak a részei. Az egyes kibocsátó atomok hullámsorát a film két részre osztja, majd ezeket a részeket összeillesztik és interferálnak.

Jung arra is rájött, hogy a színbeli különbségek a hullámhossz (vagy a fényhullámok frekvenciájának) különbségeiből adódnak. A különböző színű fénysugarak különböző hosszúságú hullámoknak felelnek meg. Az egymástól hosszában eltérő hullámok kölcsönös felerősítéséhez (a beesési szögeket azonosnak tételezzük fel) különböző filmvastagságok szükségesek. Ezért, ha a film vastagsága nem egyenlő, akkor fehér fénnyel megvilágítva különböző színeknek kell megjelenniük.

Egyszerű interferenciamintázat lép fel vékony légrétegben az üveglap és a rá helyezett síkdomború lencse között, amelynek gömbfelülete nagy görbületi sugarú. Ez az interferencia-mintázat koncentrikus gyűrűk formájában jelentkezik, amelyeket Newton-gyűrűknek neveznek.

Vegyünk egy sík-domború lencsét enyhén gömb alakú felülettel, és helyezzük egy üveglapra. Gondosan megvizsgálva a lencse lapos felületét (lehetőleg nagyítón keresztül), a lencse és a lemez érintkezési pontján sötét foltot, körülötte pedig kis szivárványgyűrűket találunk. A szomszédos gyűrűk közötti távolságok gyorsan csökkennek a sugaruk növekedésével (111. ábra). Ezek Newton gyűrűi. Newton nemcsak fehér fényben figyelte és tanulmányozta őket, hanem akkor is, amikor a lencsét egyszínű (monokromatikus) sugárral világították meg. Kiderült, hogy az azonos sorozatszámú gyűrűk sugara megnő, ha a spektrum lila végétől a vörös felé haladunk; a piros gyűrűk maximális sugarúak. Mindezt független megfigyeléseken keresztül ellenőrizheti.

Newton nem tudta kielégítően megmagyarázni, miért jelennek meg a gyűrűk. Jungnak sikerült. Kövessük okfejtésének menetét. Ezek azon a feltételezésen alapulnak, hogy a fény hullámok. Tekintsük azt az esetet, amikor egy bizonyos hosszúságú hullám majdnem merőlegesen esik egy síkkonvex lencsére (124. ábra). Az 1. hullám a lencse konvex felületéről való visszaverődés eredményeként jelenik meg az üveg-levegő határfelületen, a 2. hullám pedig a levegő-üveg határfelületen lévő lemezről való visszaverődés eredményeként. Ezek a hullámok koherensek: azonos hosszúságúak és állandó fáziskülönbséggel rendelkeznek, ami abból adódik, hogy a 2. hullám hosszabb utat tesz meg, mint az 1. hullám. Ha a második hullám egész számú hullámhosszal elmarad az elsőtől, akkor összeadva a hullámok erősítik egymást barát. Az általuk okozott rezgések egy fázisban jelentkeznek.

Ellenkezőleg, ha a második hullám páratlan számú félhullámmal elmarad az elsőtől, akkor az általuk keltett rezgések ellentétes fázisban mennek végbe, és a hullámok kioltják egymást.

Ha ismert a lencsefelület R görbületi sugara, akkor ki lehet számítani, hogy a lencse és az üveglap érintkezési pontjától milyen távolságokban vannak olyan távolságok az útkülönbségek, amelyeknél bizonyos λ hosszúságú hullámok kioltják egymást. Ezek a távolságok Newton sötét gyűrűinek sugarai. Hiszen a légrés állandó vastagságú vonalai körök. A gyűrűk sugarának mérésével a hullámhosszak számíthatók.

Fény hullámhossza. Vörös fénynél a mérések λ cr = 8 10 -7 m, lila fénynél - λ f = 4 10 -7 m. A spektrum más színeinek megfelelő hullámhosszok köztes értéket vesznek fel. Bármilyen szín esetében a fény hullámhossza nagyon rövid. Képzeljünk el egy átlagos, több méter hosszú tengeri hullámot, amely olyan nagyra nőtt, hogy Amerika partjaitól Európáig az egész Atlanti-óceánt elfoglalta. A fény hullámhossza ugyanazzal a nagyítással csak kicsivel lenne hosszabb, mint ennek az oldalnak a szélessége.

Az interferencia jelensége nemcsak azt bizonyítja, hogy a fénynek hullámtulajdonságai vannak, hanem lehetővé teszi a hullámhossz mérését is. Ahogy a hang magasságát a frekvenciája határozza meg, a fény színét a rezgési frekvenciája vagy hullámhossza határozza meg.

Rajtunk kívül a természetben nincsenek színek, csak különböző hosszúságú hullámok vannak. A szem egy összetett fizikai eszköz, amely képes érzékelni a színkülönbségeket, amelyek a fényhullámok hossza nagyon csekély (kb. 10-6 cm) különbségének felelnek meg. Érdekes módon a legtöbb állat nem képes megkülönböztetni a színeket. Mindig fekete-fehér képet látnak. A színvakok – a színvakságban szenvedők – szintén nem különböztetik meg a színeket.

Amikor a fény egyik közegből a másikba kerül, a hullámhossz megváltozik. Ezt így lehet észlelni. Töltse ki a lencse és a lemez közötti légrést vízzel vagy más törésmutatójú átlátszó folyadékkal. Az interferenciagyűrűk sugara csökkenni fog.

Miért történik ez? Tudjuk, hogy amikor a fény vákuumból valamilyen közegbe kerül, a fény sebessége n-szeresére csökken. Mivel v = λv, akkor vagy a frekvenciának, vagy a hullámhossznak n-szeresére kell csökkennie. De a gyűrűk sugara a hullámhossztól függ. Ezért amikor a fény egy közegbe kerül, akkor a hullámhossz változik n-szer, nem a frekvencia.

Elektromágneses hullámok interferencia. Mikrohullámú generátorral végzett kísérletek során megfigyelhető az elektromágneses (rádió) hullámok interferenciája.

A generátor és a vevő egymással szemben helyezkedik el (125. ábra). Ezután egy fémlemezt hoznak alulról vízszintes helyzetben. A lemez fokozatos emelésével a hang váltakozó gyengülése és erősödése észlelhető.

A jelenség magyarázata a következő. A generátor kürtjének hullámának egy része közvetlenül belép a fogadó kürtbe. A másik része visszaverődik a fémlemezről. A lemez helyének megváltoztatásával megváltoztatjuk a közvetlen és a visszavert hullámok útja közötti különbséget. Ennek eredményeként a hullámok vagy erősítik, vagy gyengítik egymást, attól függően, hogy az útkülönbség egész számú hullámhosszal vagy páratlan számú félhullámmal egyenlő.

A fény interferenciájának megfigyelése azt bizonyítja, hogy a fény terjedésekor hullámtulajdonságokat mutat. Az interferencia-kísérletek lehetővé teszik a fény hullámhosszának mérését: nagyon kicsi, 4 10 -7 és 8 10 -7 m között.

Két hullám interferenciája. Fresnel biprizma - 1