Keď elektromagnetická vlna prechádza cez rozhranie, je odrazená a lomená.
Zákon odrazu: odrazený lúč leží v tej istej rovine s dopadajúcim lúčom a kolmica vedená k rozhraniu medzi dvoma médiami v bode dopadu. Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu (obr. 1.1).
, (1.1)
kde n 21 Relatívny index lomu druhého média v porovnaní s prvým.
Aby sme zistili príčiny lomu, píšeme pre trojuholníky ABCa ACD(pozri obr. 1.1) vzťahy: slnko=AChriech ja 1 ,AD=AChriech ja 2, potom pomer BC/AD\u003d hriech ja 1 / hriech ja 2. Vzhľadom na čas prechodu čelnej vlny ta rýchlosti jeho distribúcie proti 1 a obr proti 2 v prostredí 1 a 2 BC=proti 1 ta AD=proti 2 todkiaľ
.
(1.2)
Svetlo sa teda lomí v dôsledku rôznych rýchlostí vĺn v rôznych médiách. Absolútny index lomu média nukazuje, koľkokrát je rýchlosť svetla v médiu nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu: n \u003d c/proti.
V súlade s elektromagnetickým charakterom závisí rýchlosť svetla a index lomu od elektromagnetických vlastností média (jeho dielektrikum 0 a magnetické 0).
. (1.3)
Keď vlna prechádza cez rozhranie médií (obr. 1.2), vlnová dĺžka sa mení. Naozaj, pre proti 2 < v 1 (proti 1 =c) pre prvé médium c \u003d , pre druhé médium proti\u003d
a 
.
Na segmentoch ADa BC(viď. obr. 1.1) sa prispôsobí rovnakému počtu vĺn.
Zvážte zmenu v rovine pohybovej vlny po prechode na iné médium. Vo vákuu
,
tj fáza vlny nezávisí od súradnice xa od dĺžky optickej dráhy nx.
1.2. Svetelné rušenie a podmienky jeho pozorovania. Koherentné svetelné zdroje
Keď sa vlny prekrývajú vo vesmíre, objavuje sa jav interferencie, ktorý spočíva v tom, že na niektorých miestach sa vlny navzájom posilňujú a v iných oslabujú. Výsledky tohto pridania majú všeobecné zákony bez ohľadu na povahu vlnového procesu.
zasahovaniesvetelné svetlo sa nazýva priestorové prerozdeľovanie energie svetelného žiarenia, keď sa prekrývajú dve alebo viac svetelných vĺn, výsledkom čoho sú na niektorých miestach maximá (svetelné škvrny) a na iných minimá (tmavé škvrny) intenzity svetla.
Každodenné skúsenosti nás presvedčujú, že bežné zdroje svetla (napríklad žiarovky) nevytvárajú interferenčné javy. Aký je dôvod tohto? Aké by mali byť zdroje svetelných vĺn, aby sa objavil jav rušenia?
Nevyhnutnou podmienkou pre rušenie vĺn je ich súdržnosť,tj koordinovaný priebeh v čase a priestore niekoľkých oscilačných alebo vlnových procesov. Sú splnené podmienky súdržnosti monochromatické vlny- vlny neobmedzené v priestore jednej určitej a presne konštantnej frekvencie ( \u003d konšt.).
Skutočné svetelné vlny nie sú striktne monochromatické. Z podstatných fyzikálnych dôvodov má žiarenie vždy štatistický charakter. Atómy svetelného zdroja emitujú nezávisle od seba v náhodnom čase a žiarenie každého atómu trvá veľmi krátku dobu (τ ≤ 10 –8 s). Výsledné žiarenie zdroja v každom okamihu pozostáva z príspevkov veľkého počtu atómov. Po čase rádovo τ sa aktualizuje celá skupina žiariacich atómov. Preto bude mať celkové žiarenie rôznu amplitúdu a, čo je najdôležitejšie, inú fázu. Fáza vlny emitovanej skutočným svetelným zdrojom zostáva približne konštantná iba v časových intervaloch rádovo τ.
Nazýva sa prerušovaná emisia svetla atómami vo forme samostatných krátkych impulzov vlnový vlak, Nazýva sa priemerné trvanie jedného vlaku čas súdržnosti τ coh. V súlade s podmienkou časovej koherencie nesmie čas koherencie prekročiť čas žiarenia:
τ coh< τ . (1.4)
Počas šírenia vlny sa oscilačná fáza zachová iba počas koherentného času, počas ktorého sa vlna šíri vo vákuu na vzdialenosť l coh \u003d sτ koherentné dĺžky (dĺžky vlakov). Dĺžka koherencie l coh je vzdialenosť, počas ktorej stratia koherenciu dve alebo viac vĺn. V súlade s podmienkou priestorovej koherencie nesmie rozdiel optickej dráhy prekročiť dĺžku koherencie:
L < l coh (1.5)
Vlny vyžarované dvoma nezávislými svetelnými zdrojmi (dokonca dvoma nezávislými atómami) nie sú koherentné, pretože fázový rozdiel medzi žiarením týchto zdrojov sa náhodne mení každých 10 až 8 s. To vedie k priemerovaniu intenzity v každom bode v priestore. Preto nekoherentné lúče nevytvárajú stabilný, nemenný časový obraz interferencie.
Hlavným problémom pri realizácii javu svetelnej interferencie je dosiahnutie koherentných svetelných vĺn. Ako je vysvetlené vyššie, žiarenie nielen dvoch rôznych makroskopických svetelných zdrojov (s výnimkou laserov), ale tiež rôznych atómov toho istého zdroja je na to nevhodné. Preto existuje iba jedna možnosť - nejakým spôsobom rozdeliť svetlo vyžarované každým zdrojom na dve skupiny vĺn, ktoré by vzhľadom na spoločný pôvod mali byť koherentné a pri prekrývaní budú interferovať. Preto sú všetky metódy na získanie koherentných svetelných zdrojov zredukované na jednu myšlienku rozdelenie jedného lúča zo zdroja na dve časti a následná redukcia na jeden bod. V praxi sa to dá urobiť pomocou medzier (Youngova metóda), zrkadiel (metóda Fresnelovho zrkadla), žiaruvzdorných telies (metóda Fresnelovho biprizmu) atď.
Ako príklad uvážte metódu Young. Svetelným zdrojom je jasne osvetlená medzera S (obr. 1.1), z ktorej svetelná vlna dopadá na dva úzke rovnako rozmiestnené štrbiny S1 a S2 rovnobežné s medzerou S. Preto medzery SI a S2 zohrávajú úlohu koherentných zdrojov. Interferenčný obrazec (oblasť BC) je pozorovaný na obrazovke E, ktorý je umiestnený v určitej vzdialenosti rovnobežnej so Sl a S2. Jung vlastní prvé pozorovanie fenoménu rušenia.
Interferenčný obrazec na obrazovke (pozri obr. 1.4) má tvar pruhov rovnobežných so štrbinou. Ak je zdroj Svyžaruje monochromatické svetlo (rovnakej farby s rovnakou frekvenciou ν), potom je interferenčným obrazcom striedanie svetlých a tmavých pásiem - jedná sa o maximá minimálnej interferencie.
Čo určuje výsledok rušenia v ktoromkoľvek bode na obrazovke? V ktorých prípadoch sa vlny navzájom rušia, v ktorých prípadoch sa zosilnia?
Zvážte dva prípady:
1) svetlo sa šíri vo vákuu ( n 0 = 1);
2) svetlo sa šíri v médiách s rôznymi indexmi lomu ( n 1 ≠ n 2 ≠ 1).
1. Nechajte oba koherentné lúče zo zdrojov S 1 a obr S 2 choďte na cestu l 1 a obr l 2 Uvidíme sa v roku t. Msito vo vákuu (obr. 1.5). V tomto prípade l 1 a obr l 2 - geometrické dráhy lúčov. Vypočítame výsledok superpozície dvoch sínusoidných koherentných vĺn v ľubovoľnom bode Mobrazovka. Urobme to pre elektrický vektor
(nemali by sme zabúdať, že v homogénnom prostredí je intenzita svetla úmerná druhej mocnine amplitúdy vektora intenzity I ≈ E 2).
Oscilácie prichádzajúce do bodu M zo zdrojov S1 a S2 sú opísané pomocou rovníc:
,
,kde A0 je vlnová dĺžka vo vákuu.
Podľa zásady superpozície vĺn sa amplitúda výslednej oscilácie v t. M stanoví vzorcom
pre intenzity
kde 
a 
(1.8)
fázy skladacích kmitov.
Z výrazu (1.7) vyplýva, že veľkosť amplitúdy výslednej oscilácie E0, a teda aj jej intenzita, závisí iba od fázového rozdielu (φ 1 –φ 2) pridaných kmitov.
Vlny sa nazývajú koherentné, ak v ľubovoľnom bode ich stretnutia fázový rozdiel kmitov zostáva konštantný v čase. .
V tomto prípade sú možné dve možnosti obmedzenia.
a) (φ 1 φ 2) \u003d ± 2 kπ ( k= 0, 1, 2, ...), (1.9)
cos (φ 1 - φ 2) \u003d 1; E 0
= E 01
+ E 02
;
,
tj amplitúda a intenzita výslednej oscilácie je maximálna (v prípade: E 01 = E 02 E 0 = 2E 01 , , ja = 4ja 01).
Z rovníc (1.6) nájdeme fázový rozdiel
,
(1.10)
kde Δl \u003d (1 2 - 11) geometrický rozdiel v vlnovej dráhe od zdrojov SI a S2 do t. M obrazovky (pozri obr. 1.5).
Zo vzorcov (1.9) a (1.10) vyplýva, že stav interferencie je maximálny
,
(1.11)
kde k je poradie maxima interferencie (k \u003d 0, 1, 2, ..., pri k \u003d 0, maximum je pozorované v strede obrazovky).
b) (φ 1 - φ 2) \u003d ± (2k + 1) π (k \u003d 0, 1, 2, ...), (1,12)
cos (φ 1 - φ 2) \u003d -1; E ° \u003d E 01 - E 02; 
,
tj amplitúda výslednej oscilácie, a teda aj jej intenzita, je minimálna (v prípade E 01 \u003d E 02 E 0 \u003d 0 a I \u003d 0).
Vzorce (1.10) a (1.11) znamenajú podmienku minimálnej interferencie
,
(1.13)
kde k je poradie minimálneho rušenia.
2. Ak koherentné lúče prechádzajú svojimi cestami k bodu M v rôznych prostrediach: prvou je cesta l 1 v médiu s indexom lomu n 1, druhá je cesta l 2, v médiu s indexom lomu n 2 podmienky na vytvorenie maxima a minima interferencie nezávisia od rozdielu geometrickej dráhy A l = (l 2 – l 1) a z rozdielu optickej dráhy
Δ L = L 2 – L 1 = l 2 n 2 – l 1 n 1 , (1.14)
kde L 1 a obr L 2 - optické dráhy lúčov 1 a 2, L 1 = l 1 n 1 ; L 2 = l 2 n 2. V tomto prípade je fázový rozdiel pridaných vĺn
kde s Je rýchlosť svetla vo vákuu, proti - rýchlosť svetla v médiu; λ je vlnová dĺžka, λ \u003d v / ; je frekvencia. Pre vákuum λ 0 \u003d s / a pre médium s indexom lomu n λ \u003d λ 0 / n.
Rovnicami (1.11) a (1.12) zasa (1.15) dostaneme podmienku maxima interferencie:
,
(1.16)
a minimálna úroveň rušenia:
,
(1.17)
kde k = 0, 1, 2, 3, … .
Takže na tých miestach na obrazovke, na ktoré sa optický rozdiel v dráhe lúčov hodí rovnomerný počet vĺn, sa sčítajú vibrácie prichádzajúce z obidvoch zdrojov, amplitúda sa zdvojnásobí a intenzita sa zvyšuje štvornásobne. V tých miestach obrazovky, na ktoré sa rozdiel optickej dráhy hodí nepárny počet polvĺn, prichádzajú vibrácie v opačnej fáze a úplne sa navzájom rušia.
Poznámka 1 k záznamu:
1. Zo vzorca (1.15) sa zistí vzťah medzi fázovým rozdielom a rozdielom optickej dráhy:
.
Výsledok výpočtu interferenčného vzoru z dvoch koherentných zdrojov možno uviesť na príklade Jungovho experimentu. sloty S 1 a obr S 2 (obr. 1.6) sú vo vzájomnej vzdialenosti d a sú koherentnými svetelnými zdrojmi. Rušenie je pozorované na ľubovoľnom mieste M obrazovka rovnobežne s oboma slotmi na diaľku L a L >> d , Počiatok sa vyberie v objeme obrazovky umiestnenom symetricky vzhľadom na sloty S 1 a obr S 2 .
Intenzita kdekoľvek M vzdialenostná obrazovka x od bodu 0 je určený rozdielom v zdvihu A l = l 2 l 1 (pozri obr. 1.6).
Maximálne hodnoty intenzity sa budú pozorovať pri
x max = ± kLλ 0 / d (k = 0, 1, 2, ...),(1.18)
minimá intenzity - o
x min = ± (2k +1) Lλ 0/2 d (k= 0, 1, 2, ...).(1.19)
Vzdialenosť medzi dvoma susednými maximami alebo minimami, nazývaná šírka interferenčného pásma,
Δ x \u003d Lλ 0 / d.(1.20)
Z vzorca (1.20) je zrejmé, že šírka interferenčného pásma Δ xnezávisle na poradí rušenia (hodnoty k) a pre údaje je konštantná L , d. a λ 0. Podľa nameraných hodnôt L , d. a X0, použitím (1.20) je možné experimentálne určiť vlnovú dĺžku Xo svetla.
Keď sa koherentné vlny pretínajú v priestore, dochádza k rušeniu. Pozoruje sa to aj v optike, čo potvrdzuje vlnovú povahu svetla.
Rušenie je fyzikálny jav spočívajúci v prerozdeľovaní energie v priestore, kde dochádza k priesečníku vĺn.
Ale na pozorovanie rušenia musia byť splnené aspoň tri podmienky:
1, Frekvencia vĺn by mala byť rovnaká, 
kde
2. Fázy vlny sa môžu líšiť, ale fázový rozdiel (
) musia zostať nezmenené.
3. optický rozdiel vlnovej cesty k priesečníku (kde a - čas a dĺžka súdržnosti) by mali byť kratšie ako dĺžka súdržnosti. n ∙ L optická cesta n – absolútny ukazovateľ lom média.
Nedôjde k žiadnemu rušeniu, ak sa vlny polarizujú vo vzájomne kolmých smeroch (Arago a Fresnel, 1816).
V prípade priesečníka dvoch rovinných monochromatických vĺn
|
|
|
|
(2) |
intenzita svetla v priesečníku bude:
|
|
Pre vákuum ( n\u003d 1) môžete získať:
1. Podmienka max -
- svetelný pruh
2. Podmienka min–
- tmavý prúžok
číslo mnazval poradie rušenia. Najjednoduchší spôsob, ako pozorovať rušenie, je laser laserové žiarenie sa vyznačuje dlhou koherentnou dĺžkou , a preto objednávky zasahovanie m môže byť veľmi veľký.
cvičenie 1. Jungov interferenčný zážitok. Určenie vzdialenosti medzi dvoma slotmi.
Tento experiment spočíva v pozorovaní interferenčného obrazca dvoch vĺn vyplývajúcich z rozdelenia počiatočného lúča na dve časti pomocou dvoch úzkych paralelných štrbín a umiestnených vo vzájomnej vzdialenosti od seba (metóda delenia čela vlny) (obr. 1).
|
|
Z obrázku 1 je možné získať hodnotu rozdielu zdvihu
|
|
tu hod\u003d OM.
Šírka pruhov na obrazovke sa dá odhadnúť ako vzdialenosť medzi dvoma susednými maxnapríklad 1 a 2
|
|
|
|
|
|
potom , pre výpočet je potrebné zmeraťL a vzdialenosť medzi pásmami nal=632,8 mm .
takže:
Tento experiment sa môže opakovať pre ďalšie dvojice automatov s odporúčaním učiteľa.
Cvičenie 2. Pozorovanie svetelnej interferencie pomocou Fresnelovho biprizmu a výpočet jeho refrakčného uhla.
V tomto cvičení, rovnako ako v predchádzajúcom, sa realizuje jedna z metód na získanie koherentných svetelných vĺn - metóda delenia čela vlny. Na rozdelenie svetelnej vlny na dve sa používa hranol s vrcholovým uhlom blízkym 180 °.
Pri použití vysoko kvalitnej zbernej šošovky (mikroskopický mikroskop) je paralelný laserový lúč zaostrený a ohnisko slúži ako bodový zdroj. S , čelo vlny, z ktorého má guľovitý tvar. Experimentálny návrh je znázornený na obr.
|
|
Zapnite laser a nasmerujte ho na obrazovku v strede optickej lavice.
Do dráhy lúča vložte objektív s krátkym zaostrením L ( f \u003d 20mm ). Uistite sa, že stred bodu na obrazovke padá na miesto, na ktorom bola stopa z rozostreného laserového lúča (položka 1).
Na cestu rozbiehajúceho sa lúča umiestnite biprizmus tak, aby lúč „rozptyľoval“ do dvoch rovnakých častí. Aby bol obraz rušenia na obrazovke dostatočne jasný, umiestnite ho do určitej vzdialenosti b≥ 2m.
Výsledný obrázok musí byť načrtnutý.
Ako je možné vidieť na obrázku, interferenčný obrazec na obrazovke je získaný z 2 imaginárnych zdrojov S ¢ a S ¢¢ prijaté od jedného platného S, Preto vlny z S ¢ a S ¢¢ sú koherentné. Výpočet vzdialeností medzi susednými pásmami na obrazovke vedie k tomuto vzorcu:
|
|
Cvičenie 3. Pozorovanie rušivých čiar rovnakého sklonu a určenie poradia rušenia.
Dá sa pochopiť podstata vzhľadu interferenčných „línií s rovnakým sklonom“, ak sa vezme do úvahy lúčová dráha v nasledujúcich schémach s použitím rovinne rovnobežnej priehľadnej platne s hrúbkou d.
a) Zdroj je nekonečne ďaleko od platne a lúče 1 a 2 sú takmer rovnobežné (obr. 3).
|
|
|
|
ak 
.
V prípade sklonu je rozdiel zdvihu
|
|
ak 
.
- „strata v polovici vlny“, keď sa odráža v hustejšom médiu. Výsledkom je, že každý svah má svoje vlastné interferenčné pásmo (1 a 2, 1 ¢ a 2 ¢¢) ), lokalizované v nekonečne. Jeho pozorovanie môže byť vybavené šošovkami.L1 a L2.
b) Bodový zdroj - S (obr. 4).
|
|
Ak používate svetelný lúč zS s veľkým uhlovým otvorom osvetľujúcim tenkú dosku sa na obrazovke pozoruje obraz svetlých a tmavých krúžkov zodpovedajúcich určitým uhlom dopadu. V tomto cvičení sa používa nasledujúca schéma: laserové žiarenie je nasmerované na zbernú šošovku (mikrošošovku), na ktorej telo je nasadené sito s otvorom v strede (obr. 5). To vám umožní pozorovať obrazec rušenia v lúčoch odrážaných späť z platne. Rovnaké svahy pásma v tomto prípade nie sú lokalizované, t.j. môžu byť pozorované všade.
|
|
Interferenčný poriadok m bude maximálny m maxkeď lúče normálne dopadajú na platňu (
), pretože v tomto prípade je rozdiel mŕtvice najväčší a rovný 
:
potom. Tento vzorec sa môže použiť, ak je známa hrúbka dosky.d a jeho index lomu n.
V našom prípade, keď nie je známa hrúbka platne, dôkladný výpočet vedie k vzorcu vzťahujúcemu sa na počet svetelných krúžkov Kjeho polomer Ra m max
|
|
Tento pomer vám umožňuje vypočítaťm max, vrátane grafického znázornenia funkcie y \u003d ahkde y \u003d
Zmerajte polomery svetelných krúžkov začínajúcich nak= 1 (k\u003d 1,2,3,4,5 ... 10). Získané experimentálne údaje by mali byť v priamke, ktorá sa musí vykonať s ohľadom na chyby merania.
Podľa harmonogramu vypočítajte maximálne poradie rušenia a tiež vyhodnoťte hrúbku dosky bez priameho merania tejto hrúbky.
Teoretická časť
Aký je jav rušenia vlnami?
Za akých podmienok sa pozoruje rušenie svetelnými vlnami?
Prečo je poradie interferencie pri experimente s paralelnou doskou najväčšie s normálnym výskytom lúčov?
Zaznamenajte vzťah medzi rozdielom optickej dráhy a fázovým rozdielom dvoch lúčov.
Aký je rozdiel medzi interferenciou a difrakciou? Aká je ich jednota?
Na obr. 7 S1 a S2 koherentné zdroje l 1 = l 2 \u003d 0,1 m. Lúče prichádzajú do bodu P, ležiaceho na rozhraní medzi dvoma médiami. Aký je rozdiel geometrickej a optickej dráhy, ak sú indexy lomun 1= 1 n 2= 1,5.
Zapíšte a vysvetlite fyzikálny význam fázových oscilácií, podmienky zosilnenia a zoslabenia intenzity svetla počas interferencie.
Ako ovplyvňuje difrakčný jav distribúciu intenzity na obrazovke pri Jungovom experimente?
Vysvetlite vzhľad „jemnej“ štruktúry interferenčného vzoru v Jungovom experimente.
Ako môžem zmerať vzdialenosť medzi interferenčnými strapcami?
Aký je účel tretieho experimentu s použitím mikrošošoviek, nie šošoviek?
Aká je výsledná intenzita rušenia z dvoch zdrojov, ak každý zdroj vytvára intenzitu v určitom bode na obrazovkeja 1 = ja 2 \u003d 1 a poradie rušenia je: 1)m=9,25; 2) m=99,5; 3) m=999,75?
Pomocou výsledkov merania maximálneho poradia rušenia stanovte hrúbku sklenenej platne.
Dokážte, že poradie interferencie s normálnym dopadom lúča na doske bude maximálne.
Nasmerujte laserový lúč na matnú sklenenú dosku. Uvidíte, že osvetlené bodové blikanie má zrnitú štruktúru. Vysvetlite tento efekt (Landsberg G. S. "Optics", s. 109)
zasahovanie - vzájomné zosilnenie alebo zoslabenie dvoch alebo viacerých vĺn, keď sú na seba prekrývané.
V dôsledku toho zasahovanie dochádza k prerozdeľovaniu energie svetelného žiarenia vo vesmíre. Po pridaní sa pozoruje stabilný (stacionárny, konštantný čas) interferenčný obrazec vlny koge-rent.
Latinské slovo “cohaerens "znamená" v kontakte. " A v plnom súlade s touto hodnotou sa koherenciou rozumie korelovaný tok niekoľkých vlnových procesov v čase a priestore.
požiadavka súdržnosť vĺn - kľúč pri posudzovaní rušenia. Analyzujeme to na príklade pridania dvoch vĺn s rovnakou frekvenciou. Predpokladajme, že v určitom bode vo vesmíre vzrušujú rovnako nasmerované ( E̅ 1 E̅ 2) výkyvy: E̅ 1hriech (ω̅ t +φ 1 -) a E̅ 2hriech (ω̅ t +φ 2 -). Potom veľkosť amplitúdy výslednej oscilácie Ehriech (ω̅ t +φ) sa rovná
E \u003d √ (E 1 2 +E 2 2 + 2 E 1E 2cos δ),
kde δ = φ 1 -φ 2.Ak je fázový rozdiel δ konštantné v čase, potom sa volajú vlny premyslený.
Pre nekoherentné vlny δ náhodne sa mení v priebehu času, takže priemerná hodnota cos δ sa rovná nule. Pretože intenzita vlny je úmerná druhej mocnine amplitúdy pridanie nesúdržných vĺn výsledná intenzita vlny ja rovnako sa rovná súčtu intenzít každej vlny:
I \u003dI 1 + I 2.
na pridanieto isté vlny coh-ray intenzita výslednej oscilácie
I \u003dI 1 + I 2 + 2√ (I 1I 2cos δ ),
v závislosti od hodnoty cos δ môže mať hodnoty veľké aj menšie ako I 1 +I 2.Od hodnoty δ vo všeobecnosti záleží na pozorovanom bode, potom sa intenzita výslednej vlny bude v rôznych bodoch líšiť. Presne to sa myslelo, keď už bolo povedané vyššie o prerozdeľovaní energie v priestore počas interferencie vĺn.
Vysoko koherentné žiarenie sa získa použitím lasery, Ak však neexistuje laser, je možné dosiahnuť koherentné vlny rozdelením jednej vlny na niekoľko. Zvyčajne sa používajú dve metódy „delenia“ - delenie vlny a amplitúdové delenie. Pri delení čela vlny vlnové lúče interferujú, spočiatku sa šíria z jedného zdroja v rôznych smeroch, ktoré sa potom redukujú pomocou optických nástrojov v jednej oblasti priestoru (nazýva sa to interferenčné pole). Na toto použitie bizerkala a fresnelove dvojprizmy, Šošovky so sochory a ďalšie
Na vymenovanie „farieb“ rôznych častí optického rozsahu v zostupnom poradí vlnových dĺžok - červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, modrá, fialová si jednoducho zapamätajte frázu: „Každý lovec chce vedieť, kde sedí bažant. ".
Pri amplitúdovom delení je vlna oddelená na priesvitnej hranici dvoch médií. Potom sa v dôsledku následných odrazov a odrazov oddelené časti vlny stretávajú a rušia. Takto sú maľované bublinky mydla a tenké olejové filmy na vode, krídlach vážok a oxidy na kovoch a oknách. Je dôležité, aby oblúky vĺn emitovaných pri jednom akte žiarenia atómu alebo molekuly museli zasahovať, to znamená, že časti vlny sa musia „oddelene“ pohybovať osobitne, inak sa vlny emitované rôznymi atómami dostanú na miesto stretnutia. A pretože atómy sa emitujú spontánne (pokiaľ sa nevytvoria špeciálne podmienky, napríklad v laseroch), tieto vlny budú zámerne nesúdržné. V laseroch funguje stimulovaná emisia a tým sa dosahuje vysoký stupeň koherencie. Materiál zo stránky
jav zasahovanie svetla v XVII. storočí. preskúmané Newtonom. Pozoroval interferenciu svetla v tenkej vzduchovej medzere medzi sklenenou doskou a šošovkou umiestnenou na nej. Výsledný vzorec rušenia v takom experimente sa nazýva - newtonove prstene, Newton však nedokázal jasne vysvetliť výskyt krúžkov v rámci svojej korpuskulárnej teórie svetla. Iba v roku čoskoro XIX storočia, najprv T. Jungovi a potom O. Fresnelovi sa podarilo vysvetliť vznik interferenčných vzorcov. Jeden aj druhý boli priaznivcami vlnovej teórie svetla.
Volané svetlo. Interferencia je sprevádzaná redistribúciou intenzity svetla v priestore v dôsledku skutočnosti, že v niektorých bodoch vo vesmíre sa vlny vzájomne posilňujú, v iných sa vzájomne oslabujú.
Koncept koherencie je spojený s koordinovaným výskytom niekoľkých oscilačných alebo vlnových procesov v čase a priestore. Koherentné vlny sú vlny rovnakej povahy, ktoré majú rovnaké smery kmitov, rovnakú frekvenciu a konštantný fázový rozdiel. V prípade koherentných zdrojov bude výsledný model interferencie stabilný. Monochromatické vlny - vlny rovnakej frekvencie neobmedzené vo vesmíre - túto podmienku spĺňajú. Všetky skutočné svetelné zdroje sú nekoherentné. Je to kvôli mechanizmu vyžarovania svetla.
V dvoch nezávislých svetelných zdrojoch atómy vyžarujú nezávisle jeden od druhého. V každom atóme trvá radiačný proces ~ 10-8 s. Počas tejto doby atóm emituje kvantové žiarenie, ktoré sa dá modelovať ako „fragment kosínovej vlny“, ktorý sa nazýva vlnová sústava. Potom nejaký čas zostane atóm v nevyskočenom stave, potom je vzrušený a vydá nový vlak. Vyžarovaný sled vĺn nie je v žiadnom prípade spojený. Preto vlny spontánne emitované atómami nie sú koherentné.
Priemerná doba trvania jedného vlaku t coh vyzvala čas súdržnosti. Súdržnosť existuje iba v rámci jedného vlaku a času súdržnosti t coh 10 - 8 GBP s. Ak sa vlna šíri v homogénnom médiu, fáza oscilácií v určitom bode v priestore sa zachová iba počas koherentného času. t coh, Počas tejto doby sa vlna šíri na diaľku l coh \u003d ct coh , volal dĺžka súdržnosti (alebo dĺžka vlaku). Dĺžka koherencie je teda vzdialenosť, počas ktorej dve alebo viac vĺn stráca koherenciu. Z toho vyplýva, že pozorovanie interferencie svetla je možné iba pri rozdieloch optickej dráhy menších ako je dĺžka koherencie pre daný zdroj svetla.
Koherencia kmitov, ktoré sa vyskytujú v rovnakom bode v priestore a je určená stupňom monochromatiky vĺn, sa nazýva časová koherencia.
Na získanie koherentných svetelných vĺn sa používa spôsob rozdelenia vlny emitovanej jedným zdrojom na dve časti (obrázok 28), ktorá sa po prechode rôznymi optickými cestami navzájom prekrýva a pozoruje sa interferenčný obrazec.
Nechajte rozdelenie na dve koherentné vlny v určitom bode O. Do bodu M, v ktorom sa pozoruje interferenčný obrazec,
Jedna vlna je preč S 1 v médiu s indexom lomu n 1 a druhý spôsob S 2 v médiu s indexom lomu n 2. Ak je v bode O fáza kmitania hmpotom v bode M prvá vlna vyvolá oscilácie 1 cosw(t-s 1 /proti 1), druhá vlna - kmity A 2 cosw(t-s 2 /proti 2) kde proti 1 = c/n 1 , proti 2 = s/n 2 fázové rýchlosti prvej a druhej vlny. Fázový rozdiel kmitov excitovaných v bode M sa rovná:
d \u003d w(s 2 / proti 2 - s 1 / proti 1) = (s 2 n 2-s 1 n 1) = (L2-L1) \u003d D (145)
Produkt geometrickej dĺžky dráhy s svetelnej vlny v danom médiu a indexu lomu tohto média n sa nazýva dĺžka optickej dráhy L a D \u003d L2-L1 - rozdiel optickej dráhy.
 |
Maximálny stav:
D \u003d ± ml 0 (146)
Minimálna podmienka:
D \u003d ± (2 m+1) . (147)
Vo vzorcoch (146), (147) t \u003d0, 1, 2, 3, ... - poradie (číslo) maxima.
Obrázok 29 zobrazuje skúsenosť Jung. Dve valcové koherentné svetelné vlny (obr. 29 a) pochádzajú z reálnych alebo imaginárnych zdrojov SI a S2, ktoré majú podobu paralelných svetelných tenkých vlákien alebo úzkych štrbín. Oblasť, v ktorej sa tieto vlny prekrývajú, sa nazýva interferenčné pole. V tejto celej oblasti sa striedajú miesta s maximálnou a minimálnou intenzitou svetla. Ak zadáte obrazovku do poľa rušenia E, bude na ňom viditeľný interferenčný obrazec, ktorý má v prípade valcových vĺn tvar striedajúcich sa svetlých a tmavých priamkových pásov. Výpočet interferenčného obrazca z dvoch zdrojov v bode P umiestnenom vo vzdialenosti l zo zdrojov, možno vykonať pomocou dvoch úzkych štrbín umiestnených v malej vzdialenosti d od seba. Zdroje sú koherentné (obr. 29b).
Rozdiel optického zdvihu:
D \u003d S2 - S1 .
Z obrázku 29b máme:
, 
(S2 - S1) . (S 2 + S 1) = 2xd,
Z stavu l \u003e\u003e dz toho vyplýva, že S 2 + S 1"2 l,teda
D \u003d xd / l
Nahradením tejto hodnoty D do podmienok maxima a minima získame súradnice maxim:
x max= ± m l 0 ( m = 0,1,2, …) (148)
Súradnice minima intenzity sú určené vzorcom:
x min \u003d ± (2 m+1) (m = 0,1,2, …) (149)
Vo vzorcoch (148) a (149) je celé číslo m maximum interferencie.
Šírka pásma interferencie dx nazýva vzdialenosť medzi dvoma susednými minimálnymi svietivosťami
Rozloženie intenzity v interferenčnom obrazci je znázornené na obrázku 30. Vzdialenosť medzi dvoma susednými maximami
intenzita sa nazýva vzdialenosť medzi interferenčnými strapcami. Stanovuje sa tiež vzorcom (150). Pri posúvaní po súradnici
os y vo vzdialenosti rovnajúcej sa šírke interferenčného pruhu ahto znamená, keď sa posunie z jedného interferenčného maxima na susedné, rozdiel dráhy A sa zmení o jednu vlnovú dĺžku A. Obrázok na obr. 30
 |
Distribúcia intenzity, dokonca aj v monochromatické svetlo, budú pozorované iba s miznúcou malou hrúbkou svetelného vlákna alebo šírkou medzery. V prípade konečných rozmerov svetelného zdroja sa interferenčný obrazec stáva menej ostrým a môže dokonca úplne zmiznúť. Vysvetľuje to skutočnosť, že každý bod zdroja dáva na obrazovke svoj vlastný obrazec interferencie, ktorý sa nemusí zhodovať so vzorkami z iných bodov. Aby sa vzorec rušenia stal zreteľným, musia byť splnené nasledujúce podmienky: d << L.
Šírka interferenčných prúžkov a vzdialenosť medzi nimi závisí od vlnovej dĺžky l 0. Iba v strede obrázka, keď x \u003d 0 maximá všetkých vlnových dĺžok sa zhodujú. V strede obrazovky je biely pruh. Čím je vlnová dĺžka dlhšia, tým väčšia je súradnica jej maxima (148), a preto v prípade zdrojov bieleho svetla sú na obrazovke na oboch stranách bodu O pozorované spektrá začínajúce fialovou a červenou farbou. V tomto prípade m - poradie spektra.
Keď sa vzdialite od stredu obrázka, maximá rôznych farieb sa voči sebe viac a viac posúvajú. To vedie k rozmazaniu interferenčného obrazca. V monochromatickom svetle sa výrazne zvyšuje počet rozlíšiteľných interferenčných pásiem. Meraním vzdialenosti medzi prúžkami D xa vedieť l a d,možno vypočítať podľa vzorca (150) 10 . Na základe experimentov so svetelnou interferenciou sa najprv stanovili vlnové dĺžky rôznych svetelných lúčov.
úvod
Niekoľko sto rokov sa fyzici snažili pochopiť, čo je svetlo - vlny alebo prúd častíc, neskôr nazývané fotóny, a nakoniec zistili, že slovo „alebo“ by sa nemalo používať. V niektorých prípadoch sa svetlo správa ako vlna, v iných - napríklad ako prúd fotónov, ktorý vykazuje kvantové, to znamená diskrétny charakter žiarenia. Inými slovami, svetlo má dvojaký charakter. Vo vedeckom jazyku sa to nazýva „dualita vlnových častíc“ (slovo „častica“ znamená „častica“). Rušenie sa považuje za jeden z najzreteľnejších prejavov vlastností vĺn: zasahovať môžu iba vlny. Zdalo by sa, a argumentovať o ničom. Všetko však nie je také jednoduché. Niet divu, že existuje veľmi expresívne diktum: „Svetlo je najtmavším miestom vo fyzike“ ...
Vo svojej práci by som sa chcel trochu zmieniť o povahe rušenia a o zariadeniach, ktoré fungujú na základe javu rušenia a nazývajú sa interferometre.
Fenomén rušenia svetlom
zasahovanie - jeden z najjasnejších prejavov vlnovej povahy svetla. Tento zaujímavý a krásny jav sa pozoruje, keď sa prekrývajú dva alebo viac svetelných lúčov. Intenzita svetla v oblasti prekrývajúcich sa lúčov má charakter striedajúcich sa svetlých a tmavých pásov a pri maximách je intenzita väčšia a pri minimách menšia ako súčet intenzít lúčov. Pri použití bieleho svetla interferenčné strapce Ukázalo sa, že sú zafarbené rôznymi farbami spektra. Často sa stretávame s interferenčnými javmi: farba olejových škvŕn na asfalte, sfarbenie zamrznutých okenných tabúľ, efektné farebné vzory na krídlach niektorých motýľov a chrobákov - to všetko je prejavom rušivého svetla.
Prvý experiment pozorujúci interferenciu svetla v laboratórnych podmienkach patrí I. Newtonovi. V tenkej vzduchovej medzere medzi plochou sklenenou doskou a rovinne konvexnou šošovkou s veľkým polomerom zakrivenia pozoroval interferenčný obrazec. Interferenčný vzorec bol vo forme sústredných prstencov newtonove prstene .
Z hľadiska korpuskulárnej teórie nedokázal Newton vysvetliť, prečo vznikajú krúžky, ale pochopil, že to bolo spôsobené určitou periodicitou svetelných procesov.
Prvý interferenčný experiment, ktorý sa vysvetlil na základe vlnovej teórie svetla, bol jungova skúsenosť (1802 g). V Jungovom experimente bolo svetlo zo zdroja, ktoré slúžilo ako úzka medzera S, padol na obrazovku s dvoma tesne rozmiestnenými otvormi S 1 a obr S 2 (obr. 1). Svetelný lúč prechádzajúci cez každú štrbinu bol rozšírený kvôli difrakcii, a preto na bielej obrazovke svetelné lúče prechádzajúce štrbinami S 1 a obr S 2, prekrývajúce sa. V oblasti prekrývajúcich sa svetelných lúčov bol pozorovaný interferenčný obrazec vo forme striedajúcich sa svetlých a tmavých pásov.
 |
| Obrázok 2 - Schéma interferencie s Jungom |
Jung bol prvý, kto pochopil, že rušenie nie je možné pozorovať, keď sa vlny pridávajú z dvoch nezávislých zdrojov. Preto vo svojej skúsenosti medzera S 1 a obr S 2, ktoré možno podľa Huygensovho princípu považovať za zdroje sekundárnych vĺn, boli osvetlené svetlom jedného zdroja S, So symetrickým usporiadaním štrbín sekundárne vlny emitované zdrojmi S 1 a obr S 2, sú vo fáze, ale tieto vlny putujú do pozorovacieho bodu P rôzne vzdialenosti r 1 a obr r 2. V dôsledku toho fázy oscilácií vytvárané vlnami zo zdrojov S 1 a obr S 2 v bode Pvo všeobecnosti sú odlišné. Problém rušenia vlnami sa tak redukuje na problém spočítavanie kmitov s rovnakou frekvenciou, ale s rôznymi fázami. Vyhlásenie, že vlny zo zdrojov S 1 a obr S 2 sú distribuované nezávisle od seba, ale v okamihu pozorovania jednoducho spočítajú, je experimentálna skutočnosť a nazýva sa princíp superpozície .
Problém koherencie vĺn. Jungova teória umožnila vysvetliť interferenčné javy, ktoré vznikli pridaním dvoch monochromatické vlny rovnakú frekvenciu. Každodenná skúsenosť však učí, že interferenciu svetla v skutočnosti nie je ľahké pozorovať. Ak v miestnosti svietia dve rovnaké žiarovky, intenzita svetla sa v každom bode sčítava a nepozoruje sa žiadne rušenie. Vynára sa otázka, v ktorých prípadoch je potrebné pridať sily (berúc do úvahy fázové vzťahy), v ktorých vlnovej intenzite, t. J., Štvorcoch intenzity poľa? Teória interferencie monochromatických vĺn nemôže na túto otázku odpovedať.
Skutočné svetelné vlny nie sú striktne monochromatické. Z podstatných fyzikálnych dôvodov má žiarenie vždy štatistický (alebo náhodný) charakter. Atómy svetelného zdroja emitujú nezávisle od seba v náhodnom čase a žiarenie každého atómu trvá veľmi krátku dobu (τ ≤ 10 –8 s). Výsledné žiarenie zdroja v každom okamihu pozostáva z príspevkov veľkého počtu atómov. Po čase rádovo τ sa aktualizuje celá skupina žiariacich atómov. Preto bude mať celkové žiarenie rôznu amplitúdu a, čo je najdôležitejšie, inú fázu. Fáza vlny emitovanej skutočným svetelným zdrojom zostáva približne konštantná iba v časových intervaloch rádovo τ. Jednotlivé „zápisy“ žiarenia s trvaním τ sa nazývajú vlaky , Vlaky majú priestorovú dĺžku rovnú c τ, kde c Je rýchlosť svetla. Oscilácie v rôznych vlakoch nie sú navzájom konzistentné. Takže skutočná svetelná vlna je sledom vlnových vlakov náhodne sa meniaca fáza, Je obvyklé hovoriť, že kmity v rôznych vlakoch nesúvislý , Vyvolá sa časový interval τ, počas ktorého zostane oscilačná fáza približne konštantná čas súdržnosti .
Rušenie sa môže vyskytnúť iba pri sčítaní koherentných kmitov, t. J. Oscilácií týkajúcich sa toho istého vlaku. Aj keď fázy každej z týchto kmitov podliehajú tiež náhodným zmenám v čase, tieto zmeny sú rovnaké, takže fázový rozdiel koherentných kmitov zostáva konštantný. V tomto prípade sa pozoruje stabilný obrazec interferencie, a preto je splnená zásada superpozície poľa. Pri pridávaní nesúdržných oscilácií sa fázový rozdiel javí ako náhodná funkcia času. V tomto prípade je zákon o pridávaní intenzít splnený.
K rušeniu teda môže dôjsť iba vtedy, keď sú pridané koherentné kmity. Vlny vytvárajúce koherentné kmity v mieste pozorovania sa tiež nazývajú koherentné. Vlny z dvoch nezávislých zdrojov sú nekoherentné a nemôžu spôsobiť rušenie. T. Jung intuitívne uhádol, že na dosiahnutie interferencie svetla je potrebné rozdeliť vlnu zo zdroja na dve koherentné vlny a potom pozorovať výsledok ich pridania na obrazovku. To sa deje vo všetkých vzorcoch rušenia. Avšak aj v tomto prípade interferenčný obrazec zmizne, ak rozdiel v dráhe A prekročí dĺžku koherencie cτ.