Интерференция света: от истории становления теории до решения зада (стр. 3 )

Рис. 14

В этом случае полосы равной толщины имеют вид колец, которые называются кольцами Ньютона. Если на линзу падает монохроматический свет, то волны, отражённые от верхней и нижней границ этой воздушной прослойки, интерферируют между собой и их разность хода зависит от толщины воздушного клина. В отражённом свете при этом наблюдается следующая картина: чёрное пятно, окружённое чередующимися концентрическими светлыми и тёмными интерференционными кольцами убывающей ширины. В проходящем свете картина обратная: все светлые кольца заменяются на тёмные, а в центре – светлое пятно. Кроме того, интенсивность наблюдаемых колец выше в отражённом свете.

Некогерентность естественных источников света обусловлена тем, что излучение тела слагается из волн, испускаемыми многими атомами. Периодическая последовательность горбов и впадин волны, образующиеся в процессе акта излучения одного атома, называется цугом волн или волновым цугом. Фазы каждого цуга волн никак не связаны друг с другом. Атомы излучают хаотически. Процесс излучения одного атома длится примерно
10‒8 с. При этом длина цуга .

Интерференция света в лабораторных условиях[6]

А. Интерференция света в тонких плёнках	Б. Интерференция монохроматического света от двух щелей (опыт Юнга)	В. Интерференция монохроматического света от бипризмы Френеля
Г. Наблюдение колец Ньютона в отраженном свете	Д. Интерференция монохроматического света от зеркала Ллойда	Е. Наблюдение колец Ньютона в проходящем свете

Краткие пояснения

А. Интерференция света в тонких плёнках. Мыльная плёнка расположена вертикально. Видно, что цветные горизонтальные полосы с течением времени перемещаются вниз, несколько изменяя свою ширину. Через некоторое время в верхней части плёнки возникает быстро увеличивающее чёрное пятно, а затем плёнка разрывается. Объясняется это явление так: вода во внутреннем слое плёнки постепенно стекает вниз, нижняя часть плёнки утолщается, а верхняя становится тоньше. Места, соответствующие определённой толщине плёнки, перемещаются, вместе с ними перемещаются и соответствующие интерференционные полосы. Через некоторое время толщина плёнки в верхней части становится меньше четверти длины волны самых коротких волн падающего на плёнку света. В этих местах плёнки при интерференции отражённых от плёнки лучей будет происходить гашение волн всех длин (с. 138, с. 225)[7].

Б. Интерференция монохроматического света от двух щелей (опыт Юнга). В классической постановке опыта по наблюдению интерференции по методу Юнга источником света служит ярко освещённая щель, через которую световая волна падает на две узкие щели. Таким образом, две узкие щели освещаются разными участками одной и той же световой волны. В свою очередь свет, прошедший через узкие щели, за счёт дифракции отклоняется от первоначального направления распространения. В результате в определённой области пространства пучки света, идущие от двух узких щелей, перекрываются, что приводит к интерференции.

В. Интерференция монохроматического света от бипризмы Френеля. Бипризма Френеля – одно из приспособлений, позволяющих получить два источника когерентных волн с помощью создания двух изображений единого излучающего центра. Таким излучающим центром может стать точка фокуса собирающей линзы, через которую проходит луч лазера. Действительно, в первом приближении можно считать, что близкий к параллельному пучок света от лазера фокусируется линзой в определённой точке (фокусе) и после этого начинает расширяться. Таким образом, фокус линзы моделирует точечный источник света (с. 18)[8].

Г) Интерференция монохроматического света от зеркала Ллойда. Интерференционная схема с зеркалом Ллойда использует те же физические принципы, что и схема с бипризмой Френеля. Часть пучка света точечного источника попадает на экран непосредственно, а другая часть – после отражения в плоском зеркале. Таким образом, двумя источниками когерентных волн, которые необходимы для наблюдения интерференции, являются реальный источник света и его изображение в плоском зеркале. В данном эксперименте излучающим центром (реальным источником) является точка фокуса собирающей линзы, через которую проходит луч лазера. В первом приближении можно считать, что близкий к параллельному луч лазера фокусируется линзой в определённой точке (фокусе) и после этого начинает расширяться. Таким образом, фокус линзы моделирует точечный источник света (с. 19)[9].

Д. Кольца Ньютона. Между выпуклой поверхностью линзы и плоской пластинкой образуется воздушный клин. Волны, отражённые от нижней поверхности линзы и от верхней поверхности плоской пластинки, отличаются разностью хода, зависящей от толщины воздушного клина в данном месте. Белый свет немонохроматичен. Из-за того, что разность хода зависит от длины волны, максимумы интерференционной картины для разных длин волн получаются в разных точках фотоприёмника (например, на сетчатке глаза, подробнее см. далее). А так как линза является симметричной, то интерференционные полосы имеют вид радужных концентрических колец, у которых наружная часть окажется красной, а внутренняя – сине-фиолетовой. Причём в отражённом свете в центре окажется тёмное кольцо, а в проходящем свете – светлое. Если осветить установку монохроматическим светом, например красным, то мы будем наблюдать чередование красных и тёмных колец (с. 111‒112)[10].

В реальных (естественных) условиях при наблюдении интерференции света в тонких плёнках источником света служит участок неба, то есть рассеянный свет. Необходимое для возникновения двух когерентных пучков расщепление световой волны происходит вследствие отражения света от передней и задней поверхностей плёнки. Явление это, известное под названием цветов тонких пластинок, легко наблюдается на мыльных плёнках (мыльных пузырях), на тончайших плёнках масла (нефти), плавающих на поверхности воды (например, около судов), на плёнках прозрачных оксидов, нередко присутствующих на поверхностях старых стёкол или металлов (при закалке полированных стальных изделий – так называемые цвета побежалости) и т. д.

Опыт показывает, что в таких случаях видимость интерференционной картины максимальна в определённой и часто весьма ограниченной области пространства вблизи плёнок и быстро убывает с увеличением расстояния до поверхности. В перечисленных выше случаях оказывается, что высокая видимость интерференционной картины, наблюдаемой в отражённом свете, имеет место лишь в тонком слое, практически совпадающем с поверхностью плёнок, хотя отражённые от них световые пучки перекрываются в значительном объёме пространства. Такие световые картины принято называть локализованными.

На рисунке показана схема опыта для наблюдения подобных явлений. Буквой Р обозначена фотопластинка или экран, на который проецируется изображение плёнки и где наблюдается интерференционная картина, S1S2 – реальный источник света. При визуальном наблюдении таких интерференционных картин роль линзы выполняет хрусталик глаза, а роль экрана – его сетчатка (с. 110‒112)[11].

Как следует из рассмотрения вопроса о тонких пластинках, разность хода отражённых лучей зависит от толщины пластинки. Каждому значению толщины соответствует своё условие интерференционных максимумов и минимумов, и пластинка с переменной толщиной будет пересечена светлыми и тёмными линиями, которые называются линиями равной толщины. Например, если имеется клиновидная пластинка, то оптическая разность хода лучей, отражённых от поверхности пластинки, и лучей, прошедших внутрь пластинки и отражённых затем от её основания, возрастает с увеличением толщины пластинки. В этом случае наблюдается система параллельных линий (с. 238)[12]. «Кольца Ньютона» ‒ это вариант клинообразной плёнки.

Практикум решения физических задач по теме «Интерференция света»

Задачи на интерференцию света можно разделить на две группы: задачи, связанные с интерференцией волн от двух когерентных источников и на интерференцию в тонких плёнках. К задачам первой группы относятся случаи интерференции, полученной с помощью классического опыта Юнга, зеркал Френеля, зеркала Ллойда, бипризмы Френеля, билинзы Бийе. Для расчёта интерференционной картины следует вычислить оптическую разность хода интерферирующих лучей, предварительно определив (если это необходимо) положение двух когерентных источников и расстояние от источников до экрана. Вторую группу составляют задачи на интерференцию в плоскопараллельных и клинообразных тонких плёнках, а также задачи на кольца Ньютона. Для определения результата интерференции в этих случаях следует не только вычислить оптическую разность хода двух интерферирующих лучей в отражённом или проходящем свете, но и учесть характер отражения лучей от передней и задней поверхностей плёнки. Отдельно можно выделить качественные задачи, направленные на понимание теоретических основ интерференции света.

Задачи первой группы

Задача № 1

Опыт Юнга. В установке Юнга расстояние между щелями 1,5 мм, экран расположен на расстоянии 2 м от щелей. Определите расстояние между интерференционными полосами на экране, если длина волны монохроматического света равна 670 нм. Как изменяется интерференционная картина на экране в опыте Юнга, если: а) не изменяя расстояния между источниками света, удалять их от экрана? б) не изменяя расстояния до экрана, сближать источники света? в) источники света будут испускать свет с меньшей длиной волны? [3, № 36.32, с. 290 – 1-я часть задачи; 6, № 000, с. 144 – 2-я часть задачи].