Явище інтерференції світла

Протягом декількох сотень років фізики намагалися зрозуміти, що ж таке світло - хвилі або потік частинок, названих пізніше фотонами, і врешті-решт з'ясували, що слово «або» вживати не можна. В одних випадках світло поводиться як хвиля, в інших - як потік фотонів, виявляючи квантовий, тобто дискретний характер випромінювання. Іншими словами, світло має двоїсту природу. Науковою мовою це називається «корпускулярно-хвильовий дуалізм» (слово «корпускула» означає «частка»). Інтерференція вважається одним з наочних проявів хвильових властивостей: адже интерферировать можуть тільки хвилі. Здавалося б, і сперечатися ні про що. Однак все не так просто. Недарма існує досить виразне вислів: «Світло - саме темне місце у фізиці».

У своїй роботі я хотіла б трохи розповісти про природу інтерференції і тих приладах, які діють на основі явища інтерференції і називаються інтерферометрами.

Інтерференція - одне з яскравих проявів хвильової природи світла. Це цікаве і красиве явище спостерігається при накладенні двох або декількох світлових пучків. Інтенсивність світла в області перекривання пучків має характер чергуються світлих і темних смуг, причому в максимумах інтенсивність більше, а в мінімумах менше суми інтенсивностей пучків. При використанні білого світла інтерференційні смуги виявляються забарвленими в різні кольори спектру. З інтерференційними явищами ми стикаємося досить часто: кольору масляних плям на асфальті, забарвлення замерзаючих шибок, химерні кольорові малюнки на крилах деяких метеликів і жуків - все це прояв інтерференції світла.

Малюнок 1 - Кільця Ньютона

Перший експеримент зі спостереження інтерференції світла в лабораторних умовах належить І. Ньютону. Він спостерігав інтерференційну картину, що виникає при відображенні світла в тонкій повітряному прошарку між плоскою скляною пластиною і плосковипуклой лінзою великого радіуса кривизни). Інтерференційна картина мала вигляд концентричних кілець, які отримали назву кілець Ньютона.

Ньютон не зміг з точки зору нової теорії пояснити, чому виникають кільця, однак він розумів, що це пов'язано з якоюсь періодичністю світлових процесів.

Першим інтерференційним досвідом, який отримав пояснення на основі хвильової теорії світла, з'явився досвід Юнга (1802 г.). Під час експерименту Юнга світло від джерела, в якості якого служила вузька щілина S. падав на екран з двома близько розташованими щілинами S1 і S2 (рис 1). Проходячи через кожну з щілин, світловий пучок розширюють внаслідок дифракції, тому на білому екрані Е світлові пучки, що пройшли через щілини S1 і S2. перекривалися. В області перекриття світлових пучків спостерігалася інтерференційна картина у вигляді чергуються світлих і темних смуг.

Малюнок 2 - Схема інтерференційного досвіду Юнга

Юнг був першим, хто зрозумів, що не можна спостерігати інтерференцію при складанні хвиль від двох незалежних джерел. Тому в його досвіді щілини S1 і S2. які відповідно до принципу Гюйгенса можна розглядати як джерела вторинних хвиль, висвітлювалися світлом одного джерела S. При симетричному розташуванні щілин вторинні хвилі, що випускаються джерелами S1 і S2. знаходяться у фазі, але ці хвилі проходять до точки спостереження P різні відстані r1 і r2. Отже, фази коливань, створюваних хвилями від джерел S1 і S2 в точці P. взагалі кажучи, різні. Таким чином, завдання про інтерференції хвиль зводиться до задачі про складання коливань однієї і тієї ж частоти, але з різними фазами. Твердження про те, що хвилі від джерел S1 і S2 поширюються незалежно один від одного, а в точці спостереження вони просто складаються, є досвідченим фактом і носить назву принципу суперпозиції.

Проблема когерентності хвиль. Теорія Юнга дозволила пояснити інтерференційні явища, що виникають при складанні двох монохроматичних хвиль однієї і тієї ж частоти. Однак повсякденний досвід вчить, що інтерференцію світла в дійсності спостерігати не просто. Якщо в кімнаті горять дві однакові лампочки, то в будь-якій точці складаються інтенсивності світла і ніякої інтерференції не спостерігається. Виникає питання, в яких випадках потрібно складати напруженості (з урахуванням фазових співвідношень), в яких - інтенсивності хвиль, т. Е. Квадрати напруженостей полів? Теорія інтерференції монохроматичних хвиль не може дати відповіді на це питання.

Реальні світлові хвилі не є строго монохроматичними. В силу фундаментальних фізичних причин випромінювання завжди має статистичний (або випадковий) характер. Атоми світлового джерела випромінюють незалежно один від одного в випадкові моменти часу, і випромінювання кожного атома триває дуже короткий час (# 964; ≤ 10 -8 с). Результуюче випромінювання джерела в кожен момент часу складається з вкладів величезного числа атомів. Через час порядку # 964; вся сукупність випромінюючих атомів оновлюється. Тому сумарне випромінювання матиме іншу амплітуду і, що особливо важливо, іншу фазу. Фаза хвилі, випромінюваної реальним джерелом світла, залишається приблизно постійною тільки на інтервалах часу порядку # 964 ;. Окремі «обривки» випромінювання тривалості # 964; називаються цугамі. Цуги мають просторову довжину, рівну c # 964 ;. де c - швидкість світла. Коливання в різних цугах не узгоджені між собою. Таким чином, реальна світлова хвиля являє собою послідовність хвильових цугов з безладно змінюється фазою. Прийнято говорити, що коливання в різних цугах некогерентного. Інтервал часу # 964 ;, протягом якого фаза коливань залишається приблизно постійною, називають часом когерентності.

Інтерференція може виникнути тільки при додаванні когерентних коливань, т. Е. Коливань, які стосуються одного і того ж Цугу. Хоча фази кожного з цих коливань також схильні до випадкових змін в часі, але ці зміни однакові, тому різниця фаз когерентних коливань залишається постійною. У цьому випадку спостерігається стійка інтерференційна картина і, отже, виконується принцип суперпозиції полів. При додаванні некогерентних коливань різниця фаз виявляється випадковою функцією часу. В цьому випадку виконується закон складання інтенсивностей.

Таким чином, інтерференція може виникнути тільки при додаванні когерентних коливань. Хвилі, що створюють в точці спостереження когерентні коливання, також називаються когерентними. Хвилі від двох незалежних джерел некогерентного і не можуть дати інтерференції. Т. Юнг інтуїтивно вгадав, що для отримання інтерференції світла потрібно хвилю від джерела розділити на дві когерентні хвилі і потім спостерігати на екрані результат їх складання. Так робиться в усіх інтерференційних схемах. Однак, навіть в цьому випадку інтерференційна картина зникає, якщо різниця ходу # 916; перевищить довжину когерентності c # 964 ;.