Реферат: Развитие взглядов на природу света. Явление интерференции света
Первые представления древних учёных о том, что такое свет, были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов.
Дата добавления на сайт: 03 апреля 2025
ОГЛАВЛЕНИЕ
РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА
Два способа передачи взаимодействий
Корпускулярная и волновая теории света
ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА
Сложение двух монохроматических волн
Условия максимумов и минимумов интерференционной картины
Интерференционная картина
Почему световые волны от двух источников не когерентны
Идея Огюстена Френеля
Бипризма Френеля
Размеры источников света
Длина световой волны
Длина световой волны и цвет воспринимаемого глазом света
ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ
Идея Томаса Юнга
Локализация интерференционных полос
КОЛЬЦА НЬЮТОНА
Изменение длины волны в веществе
Почему плёнки должны быть тонкими
НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
Эксперимент Майкельсона
Проверка качества обработки поверхностей
Просветление оптики
Интерференционный микроскоп
Звёздный интерферометр
Радиоинтерферометр
Список литературы
РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА
Первые представления древних учёных о том, что такое свет, были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Останавливаться подробно на подобных воззрениях, разумеется, нет нужды, но отследить вкратце за развитием научных представлений о том, что такое свет, следует.
Два способа передачи взаимодействий
От источника свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, свет вызывает зрительные ощущения - мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника света) к другому телу (приёмнику света).
Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами: либо посредством переноса вещества от источника к приёмнику, либо посредством изменения состояния окружающей среды, в которой находятся тела, т.е. без переноса вещества.
Можно, например, заставить зазвенеть колокольчик, находящийся на некотором удалении, удачно попав в него шариком. Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе: привязать шнур к язычку колокольчика и заставить колокольчик звенеть, посылая по шнуру волны, раскачивающие его язычок. В этом случае переноса вещества не происходит. По шнуру распространяются волны, т.е. изменяется форма шнура. Таким образом, действие от одного тела к другому может передаваться и посредством волн.
Корпускулярная и волновая теории света
В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приёмнику возникли и начали развиваться две, совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причём возникли они почти одновременно в XVII веке. Одна из этих теорий связана с именем английского физика Исаака Ньютона, а другая - с именем голландского физика Христиана Гюйгенса.
Ньютон придерживался так называемой корпускулярной (от латинского слова korpusculum - частица) теории света, согласно которой свет - это поток частиц, распространяющихся от источника во все стороны (т.е. перенос вещества). Согласно же представлениям Гюйгенса, свет - это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем во внутрь всех тел.
Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство учёных отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время экспериментально открытые законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями. На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят сквозь друг друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопределённое положение относительно природы света длилось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибание светом препятствий) и интерференции света (усиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присущи исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.
Такая уверенность особенно окрепла, когда английский физик Джеймс Клерк Максвелл во второй половине XIX века доказал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.
После экспериментального обнаружения в конце XIX века электромагнитных волн немецким физиком Генрихом Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведёт себя как волна, не осталось. Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория всё же имеет отношение к действительности.
Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц. Были обнаружены прерывистые, или, как говорят физики, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения можно было объяснить, согласившись с тем, что свет - это поток частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой физической теории - квантовой электродинамике. С течением времени выяснилось, что двойственность свойств, присуща не только свету, а и любой другой форме материи. Итак, для того чтобы быть уверенным в том, что свет имеет волновую природу, необходимо найти экспериментальные доказательства интерференции и дифракции света.
ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА
Известно, что для наблюдений интерференции поперечных механических волн на поверхности воды использовались два источника волн (например, два шарика, закреплённых на колеблющемся коромысле). Получить же интерференционную картину (чередование минимумов и максимумов освещённости) с помощью двух естественных независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение же ещё одной лампочки лишь увеличивает освещённость освещаемой поверхности. Выясним, в чём причина этого.
Сложение двух монохроматических волн
Посмотрим, что получится в результате сложения двух бегущих волн с одинаковыми частотами колебаний . Известно, что гармонические световые волны называются монохроматическими (Впоследствии мы увидим, что цвет определяется частотой волны (или её длиной), поэтому гармоническая волна может быть названа монохроматической (т.е. одноцветной)). Пусть эти волны распространяются от двух точечных источников S1 и S2 , находящихся на расстоянии друг от друга. Результат сложения волн будем рассматривать на расстоянии от источников, много большем (т.е. ). Экран, на который падают световые волны, расположим параллельно линии, соединяющей источники (смотри рисунок 1).
Световая волна - это, согласно электромагнитной теории света, электромагнитная волна. В электромагнитной, волне, распространяющейся в вакууме, напряжённость электрического поля по модулю, в системе Гаусса, равна магнитной индукции . Мы рассмотрим сложение волн напряжённости электрического поля. Впрочем, уравнение бегущей волны имеет одну и ту же форму для волн любой физической природы.
Итак, источники S1 и S2 испускают две сферические монохроматические волны. Амплитуды этих волн убывают с расстоянием . Однако если мы будем рассматривать сложение волн на расстояниях r1 и r2 от источников, много больших расстояния между источниками (т.е. и ), то амплитуды от обоих источников можно считать равными.
Волны, пришедшие от источников S1 и S2 в точку А экрана, имеют приблизительно одинаковые амплитуды и одинаковые частоты ω колебаний. В общем случае начальные фазы колебаний в источниках волн могут различаться. Уравнение бегущей сферической волны в общем случае можно записать так:
,
где φ0 - начальная фаза колебаний в источнике ().
При сложении двух волн в точке А возникает результирующее гармоническое колебание напряжённости:
Здесь мы считаем, что колебания напряжённостей и происходят вдоль одной прямой. Обозначим через:
- начальную фазу колебаний первой волны в точке А, а через: - начальную фазу колебаний второй волны в этой же точке. Тогда:
для разности фаз получим выражение:
Амплитуда результирующих колебаний напряжённости в точке А равна:
Известно что, интенсивность излучения I прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний напряжённости, значит для одной волны: I~E , а для результирующих колебаний: I~E . Поэтому для интенсивности волны в точке А имеем:
(1)
Условия максимумов и минимумов интерференционной картины
Интенсивность света в данной точке пространства определяется разностью фаз колебаний φ1 - φ2. Если колебания источников синфазны, то φ01 - φ02 = 0 и:
(2)
Разность фаз определяется разностью расстояний от источников до точки наблюдения . Напомним, что разность расстояний называется разностью хода интерферирующих волн от их источников. В тех точках пространства, для которых выполняется следующее условие:
, k=0, 1, 2… (3)
волны, складываясь, усиливают друг друга, и результирующая интенсивность в 4 раза превосходит интенсивность каждой из волн. Напротив, при:
(4)
волны гасят друг друга (I = 0).
В результате в пространстве возникает интерференционная картина, представляющая собой чередование максимумов и минимумов интенсивности света, а значит, и освещённости экрана. Условия интерференционных максимумов (смотри формулу 3) и минимумов (смотри формулу 4) точно такие же, как и в случае интерференции механических волн.
Интерференционная картина
Если через источники провести какую либо плоскость, то максимум интенсивности будет наблюдаться в точках плоскости, удовлетворяющих условию:
Эти точки лежат на кривой, называемой гиперболой. Именно для гиперболы выполняется условие: разность расстояний от любой точки кривой до двух точек, называемых фокусами гиперболы, - величина постоянная. Получается семейство гипербол, соответствующих различным значениям k, когда источники света являются фокусами гиперболы.
При вращении гиперболы вокруг оси, проходящей через источники S1 и S2 , получаются две поверхности, образующие двух полостной гиперболоид вращения (смотри рисунок 2), когда различным значениям k соответствуют различные гиперболоиды. Интерференционная картина на экране зависит от расположения экрана. Форма интерференционных полос задаётся линиями пересечения плоскости экрана с этими гиперболоидами. Если экран А перпендикулярен линии l, соединяющей источники света S1 и S2 (смотри рисунок 2), то интерференционные полосы имеют форму окружностей. Если же экран В расположен параллельно линии, соединяющей источники света S1 и S2 , то интерференционные полосы будут гиперболами. Но эти гиперболы при большом расстоянии D между источниками света и экраном вблизи точки О приближённо можно рассматривать как отрезки параллельных прямых.
Найдём распределение интенсивности света на экране (смотри рисунок 1) вдоль прямой MN, параллельной линии S1S2 . Для этого найдём зависимость разности фаз (смотри формулу 2) от расстояния: h=OA. Применяя теорему Пифагора к треугольникам и , получим:
Вычитая почленно из первого равенства второе, найдём:
или
Считая l 1,22 для такого же источника, у которого яркость убывает от центра диска к его краям.
Но получается ли при этом какой-либо выигрыш в разрешении? Сравним, например, формулы (14) и (15). Положим D = 1 м, тогда по формуле (14) угловых секунд. Пусть расстояние между щелями в диафрагме телескопа тоже предельное - 1м. Беря для значение м в середине видимого диапазона, получаем угловых секунд. Выходит, что никакого выигрыша нет? Конечно. Его и не может быть, так же как и в интерференционном микроскопе. Зато само значение теперь можно измерить. Это очень важное преимущество.
Но дело на этом не кончается, а только начинается. Майкельсон додумался «раздвинуть» отверстия в диафрагме далеко за пределы объектива телескопа. Это, конечно, на надо понимать буквально: сами отверстия остались на своих прежних местах, но вот свет от звёзд падал на них не непосредственно, а сначала на два неподвижных удалённых зеркала (смотри рисунок 21), от которых уже двумя другими зеркалами свет отражался на отверстия в диафрагме. И это оказалось эквивалентным тому, как если бы диаметр объектива телескопа вырос до расстояния между удалёнными друг от друга зеркалами, и соответственно во столько же раз увеличивалось разрешение. С помощью такого звёздного интерферометра Майкельсон провёл первые надёжные измерения диаметров гигантских звёзд.
Однако даже расстояние 6м между зеркалами в первом звёздном интерферометре оказалось явно недостаточным. Из формулы (14) можно видеть, что при D=6м =0,02 угловым секундам. Между тем подавляющее большинство звёзд имеет не гигантские, а примерно «солнечные» размеры. Солнце же, если его поместить на расстоянии ближайшей звезды (звезда в созвездии Центавра), было бы видно как диск с угловыми размерами 0,007 угловых секунд и потребовало бы для измерения его размеров телескопа с зеркалами, разнесёнными на добрых 20 м. Постройка такого телескопа чрезвычайно трудна, поскольку нужна очень жёсткая механическая конструкция.
В процессе наблюдения расстояния между зеркалами и окуляром могут изменяться лишь на доли длины световой волны, между тем как сами эти расстояния чуть ли не в миллиард раз больше длины световой волны! Однако даже первый интерференционный телескоп Майкельсона имел ещё одно заметное преимущество перед обычным, недиафрагмированным телескопом. Наблюдения звёзд ведутся, как правило, с поверхности Земли (космическая астрономия только зарождается). На пути к телескопам «звёздный» свет проходит сквозь неспокойную атмосферу Земли, в которой постоянно присутствуют турбулентные потоки воздуха. Вследствие хаотических изменений плотности и показателя преломления воздуха наблюдаются мерцания звёзд, а их изображения в недиафрагмированном телескопе сильно искажены. В интерференционном же телескопе влияние атмосферных возмущений значительно слабее благодаря малым отверстиям в диафрагме. Небыстрые флуктуации показателя преломления воздуха приводят к тому, что интерференционная картина «ползает» по полю зрения, но почти не меняет своего вида, т.е. не изменяются взаимное положение и контрастность полос интерференции (смотри рисунок 22).
Радиоинтерферометр
В 40-вые годы XIX века для астрономических исследований начали использовать новый диапазон электромагнитных волн - радиоизлучение космических объектов. Появились радиотелескопы и радиоинтерферометры. Самые крупные радиотелескопы имеют диаметр зеркала антенны около 100 м. Это намного больше, чем диаметр зеркала крупнейшего оптического телескопа, но не забудем, что длины радиоволн в десятки тысяч раз больше длин световых волн, поэтому разрешение радиотелескопа в тысячи раз хуже, чем у оптического собрата. Так, у 6-метрового оптического телескопа, как уже говорилось выше, оно составляет примерно 0,02 угловые секунды, тогда как у 100-метрового радиотелескопа, работающего, скажем, на длине 0,1 м, - всего лишь около 4-ёх угловых секунд.
Для достижения лучшего разрешения отдельные радиотелескопы стали «объединять» в радиоинтерферометры, рассматривая их антенны как зеркала в звёздном интерферометре Майкельсона. Теперь уже в качестве базы интерферометра можно было взять чуть ли не диаметр земного шара. Легко подсчитать, что разрешение при этом улучшилось на несколько порядков. В настоящее время оно достигает примерно 0,001 доли угловой секунды, т.е., по крайней мере, в 20 тысяч раз выше, чем у крупнейшего оптического телескопа.
Но такие радиоинтерферометры со сверхдлинными базами создают свои большие проблемы. В оптическом телескопе интерферирующие пучки сводятся воедино с помощью зеркал и объектива. А как свести воедино радиоволны, принятые двумя очень удалёнными друг от друга радиотелескопами, чтобы заставить их интерферировать? Сразу возникнет множество осложнений, большинство которых упирается в главную физическую проблему: как сохранить когерентность радиоволн, принятых двумя радиотелескопами. Даже если считать, что радиоволна от одного космического источника, не испытав никаких искажений в атмосфере, пришла к двум радиотелескопам и в них полностью сохранила когерентность, то дальше эта легко может устраниться. Тянуть от радиотелескопов кабели в единый центр, в котором будут складываться высокочастотные токи от приёмников, отвечающие принятым радиоволнам, нереально. Мы не говорим уже о шумах и в самих приёмниках и кабелях, которые приводят к хаотическому изменению фаз в сигналах и нарушают их когерентность.
В результате приходится регистрировать сигналы от радиоволн каждый на своём радиотелескопе и вместо радиоволн «сводить» их записи на магнитных лентах. Для сличения двух или большего числа сделанных записей (т.к. в наблюдении могут участвовать и более двух радиотелескопов, более того, в оптике также существуют и многолучевые интерферометры) надо на первый взгляд немногое: привязать друг к другу моменты начала этих записей, т.е. использовать единые часы. Однако это отнюдь не просто. На антенны поступают волны не одной частоты, а в целом диапазоне частот, определяемом шириной полосы пропускания. Пусть, скажем, радиотелескоп работает на длине волны 1м, т.е. на частоте 300 МГц, и пусть избирательность его приёма 0,003, т.е. полоса частот, воспринимаемая антенной, составляет 1 МГц. Требуемая точность синхронизации равна обратной величине от ширины полосы частот воспринимаемого антенной радиосигнала, т.е. в данном случае 1 микросекунда. Иначе говоря, такую точность должны иметь метки единого времени при записях на магнитной ленте. Ясно, что из одного центра это сделать трудно. При каждом радиотелескопе надо иметь свои часы, в какой-то момент сверенные с другими часами при других радиотелескопах и идущие с точностью не хуже указанной.
Но и этого мало. Ни на бумаге, ни на магнитной ленте записи токов, вызванных радиоволной в приёмнике, непосредственно зафиксировать нельзя: слишком велика частота волны для таких инерционных регистраторов. Приходится поступать, как при обычном радиовещательном приёме: смешивать, гетеродинировать приходящий сигнал с сигналом местного генератора постоянной частоты (при работе на радиочастоте 300 МГц частота местного генератора должна быть близка к ней), а уже разностную частоту порядка 1 МГц можно записывать на магнитную ленту. Но это означает, что нужно синхронизировать и местные генераторы частоты, другими словами, вырабатываемые ими колебания в разных радиотелескопах должны быть взаимно когерентными в течение времени регистрации радиоволн. При записи сигнала, например, на частоте 300 МГц в течение нескольких минут стабильность частоты местного генератора должна быть не должна быть не ниже миллиардной доли процента!
Синхронизация часов и стабилизация частоты генераторов, требующие такой фантастической точности, немыслимы без использования атомных стандартных частоты - квантовых генераторов. В области радиочастот квантовые генераторы часто называют мазерами, в области частот видимого света и близких к ней - лазерами. Именно использование таких приборов сделало осуществимыми сложнейшие интерферометрические эксперименты и потребовало разработки упомянутой выше теории когерентности излучения, впрочем, и начала развиваться ещё до появления новой оптической техники и радиотехники.
Итак, именно такое сличение независимо сделанных записей (конечно синхронизированных) и сделало возможной современную интерферометрию космического радиоизлучения, позволило разрешить и измерить такие космические источники, которые недоступны оптической астрономии. Этот метод исследования (впервые предложенный американскими физиками Брауном и Твиссом) получил название интерферометрии интенсивности, ибо в нём непосредственно считают корреляцию чисел фотонов (интенсивности света), а не рассматривают контраст интерференционной картины.
В заключение ещё раз подчеркнём, что гашение света светом не означает превращения световой энергии в другие виды энергии. Как и при явлении интерференции механических волн, гашение волн друг другом в данном участке пространства означает, что световая энергия на данный участок просто не поступает. Гашение отражённых волн в оптическом объективе с просветлённой оптикой означает, что почти весь свет проходит сквозь такой объектив.
волновой свет монохроматический интерференционный
Список литературы
1.Борн М., Вольф Э., Основы оптики, перевод с английского, 2 издание, 1973 год;
.Калитеевский Н. И., Волновая оптика, 2 издание, 1978 год;
.Вольф Э., Мандель Л., Когерентные свойства оптических полей, 1965 год;
.Клаудер Дж., Сударшан Э., Основы квантовой оптики, перевод с английского, 1970 год;
.Рыдник В. И., Увидеть невидимое, 1981 год;
.Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 издание, 1959 год;
.Пейн Г., Физика колебаний и волн, перевод с английского, 1979 год;
.Захарьевский А. Н., Интерферометры, 1952 год;
.Ландсберг Г. С., Оптика, 5 издание, 1976 год.