Интерференция света
Электромагнитные волны, как и механические волны, обладают принципом суперпозиции, то есть, если в среде одновременно распространяются несколько волн, то они распространяются независимо друг от друга. Однако, в тех местах, где одни колебания накладываются на другие колебания, их амплитуды векторно складываются. При этом может наблюдаться как увеличение интенсивности света (когда накладываются волны с одинаковыми фазами), так и ослабление интенсивности (при сложении волн с противоположными фазами). Это явление получило название интерференции света.
Интерференция света – это сложение двух и более волн, вследствие которого наблюдается устойчивая картина усиления и ослабления световых колебаний в разных точках пространства.
Интерферировать могут лишь когерентные волны, т.е. волны имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз. Когерентные источники в природе отсутствуют, но они могут быть получены разными способами. Один из них показан на рисунке. Здесь показано, как с помощью экрана Э1 с двумя узкими щелями получают из одного источника света S два когерентных. Интерференционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос наблюдают на экране Э2.
Условие интерференционного максимума:
.
Условие интерференционного минимума:
где Δ – геометрическая разность хода волн,
k – порядок интерференционного max или min.
Интерференционные картины можно наблюдать на тонких масляных пленках на поверхности воды, мыльных пузырях, крыльях стрекоз, цвета побежалости на поверхности металла после нагрева. Явление интерференции в тонких пленках находит применение для определения длин волн излучения источников света, для контроля качества обработки полированной поверхности, определения коэффициента расширения тел при нагревании и т.д. Существуют специальные приборы – интерферометры, предназначенные для измерения длин тел, показателей преломления с большой точностью.
Дифракция света
Дифракция – это способность волн огибать встречающиеся на их пути препятствия, отклоняться от прямолинейного распространения. Чтобы наблюдать дифракцию световых волн, необходимы определённые условия: либо размеры препятствий (или отверстий) должны быть очень малыми, либо расстояние от препятствия до наблюдаемой картины должно быть велико. Возьмем на пути лучей от точечного источника света S поставим преграду с очень маленьким отверстием диаметра d,тогда на экране Э увидим систему чередующихся светлых и тёмных колец (при условии, что d << L, см. рис.)
Чем уже отверстие, тем на больший угол отклоняются лучи за отверстием, тем больше диаметр колец. Если вместо круглого отверстия будет узкая щель, то дифракционная картина будет иметь вид чередующихся светлых и темных полос. При использовании белого света дифракционная картина приобретает радужную окраску.
Дифракционные картины нередко наблюдаются в естественных условиях. Например, цветные кольца, окружающие источник света, наблюдаемый сквозь туман или через запотевшее оконное стекло, или при рассматривании яркого источника через ресницы. Для наблюдения дифракции используются специальные приборы – дифракционные решетки.
Дифракционная решетка (одномерная) представляет собой систему параллельных равноотстоящих друг от друга щелей равной ширины. Простейшая дифракционная решетка может быть изготовлена из стеклянной пластинки, на которой алмазным резцом нанесены параллельные царапины с неповрежденными промежутками между ними (щелями). Расстояние между соседними щелями называется периодом или постоянной решетки d (рис.).
где а – расстояние между соседними щелями,
b – ширина щели.
Разность хода Δ лучей, приходящихся в произвольную точку Р от двух соседних щелей будет:
Очевидно, колебания в точке Р будут усиливать друг друга, если разность фаз лучей будет равна 0 или отличатся на 2π, чему соответствует:
где k = 0, 1, 2, 3...
Тогда условием наблюдения максимумов (усиления колебаний) света будет:
где k = 0, 1, 2, 3...
Вследствие дифракции происходит неравномерное перераспределение световой энергии между максимумами.
Дифракционная решетка является спектральным прибором. С ее помощью можно определять длины волн в спектрах излучения источников (например, звезд):
Опыты И. Ньютона по разложению белого света в спектр
Впервые опыт по разложению света в спектр был сделан Исааком Ньютоном в 1666 году. Он проделал маленькое отверстие в оконном ставне и в солнечный день получил узкий пучок света, на пути которого поставил треугольную стеклянную призму. Пучок преломился в ней, и на противоположной стене появилась цветная полоса, где расположились в определённом порядке все цвета радуги: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Эту цветную полосу Ньютон назвал спектром (от латинского «спектрум» — видимое).
Наименьшего отклонения от первоначального направления падения испытывают красные лучи, а наибольшего — фиолетовые.
После такого эксперимента Ньютон сделал первый вывод: разложение белого света в цветной спектр означает, что белый свет имеет сложную структуру, то есть является составным, то есть смесью всех цветов радуги.
Второй вывод Ньютона состоял в том, что свет разных цветов характеризуется разными показателями преломления в определённой среде. Это означает, что абсолютный показатель преломления для фиолетовых цветов больший, чем для красных.
Зависимость показателя преломления света от его цветов Ньютон назвал дисперсией (от латинского слова dispersio — «рассеивание»).
Однако Ньютон был сторонником корпускулярной теории и объяснить явление дисперсии не мог.
Дисперсия света
Согласно волновой теории цвета света определяются частотой электромагнитной волны, которой является свет. Наименьшую частоту имеет красный свет, наибольшую — фиолетовый. Исходя из опытов Ньютона и опираясь на волновую теорию света, следует вывод: показатель преломления света зависит от частоты световой волны.
Дисперсия света — это явление разложения света в спектр, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления среды от частоты световой волны.
Что от чего зависит.?
Разным скоростям распространения волн соответствуют разные абсолютные показатели преломления среды
.
То есть
Значит, луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что он имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета — наименьшую.
Частота и длина волны связаны между собой
Из формулы видно, что длина волны прямо пропорциональна скорости света и обратно пропорциональна частоте. Отсюда следует то, что длина волны больше в той среде, где скорость волны больше (при заданной частоте).
Из формул видно, что
Поэтому можно утверждать, что абсолютный показатель преломления уменьшается соответственно к увеличению длины световой волны и увеличивается соответсвенно к уменьшению длины световой волны.
Следовательно, во время перехода из одной среды в другую скорость распространения световой волны, а значит и длина волны, изменяется, а частота, а значит и цвет света, остаётся неизменной.