Цель: рассмотреть оптические явления, связанные с волновой природой света и дать им объяснение.

Основные понятия:

Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения двух когерентных световых волн.

Когерентность – согласованность во времени двух волновых процессов, проявляющаяся при их сложении.

Дифракция света – отклонение света от направления прямолинейного распространения при прохождении вблизи препятствий.

Зоны Френеля – участки, на которые можно разбить поверхность световой волны для вычисления результатов дифракции света.

Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Дисперсия света – зависимость абсолютного показателя вещества от частоты (или длины волны) света.

Спектр – многоцветная полоса, получающаяся при прохождении светового луча через призму или другую преломляющую свет среду; распределение энергии светового излучения по частотам или длинам волн.

Интерференция света.

Свет представляет сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц (фотонов). Круг явлений, в основе которых лежит волновая природа света, изучается разделом оптики – волновой оптикой.

Волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции. После открытия этих явлений на них даже смотрели сначала как на доказательство исключительно волновой природы света.

Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой колеблются два вектора – напряженности электрического и напряженности магнитного полей. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора, о котором говорят как о световом векторе.

Явление интерференции света состоит в сложении световых пучков, что ведет к образованию системы светлых и темных полос. Из явления интерференции следует, что два световых потока, накладываясь, могут не только усиливать, но и ослаблять друг друга. Это свойство световых потоков непосредственно указывает на их волновую природу: две системы волн усиливают друг друга там, где гребни волн одной системы попадают на гребни другой и провалы на провалы, и ослабляют друг друга в тех местах, где гребни накладываются на провалы.

Рассмотрим два световых пучка. Пусть  – напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком в произвольной точке C области перекрытия, а  – вторым. Согласно принципу суперпозиции, результирующая напряженность поля в той же точке C, создаваемая обоими пучками, будет представляться векторной суммой .

Все приемники света могут измерять только усредненные по времени величины, квадратичные по полю. Такая величина в оптике называется интенсивностью света и обозначается через I

.

Найдем теперь интенсивность света в точке С. Возведя равенство  в квадрат и произведя усреднение по времени, получим

,

где I₁ – интенсивность света первого пучка, а I₂ – второго. Последнее слагаемое

,

учитывающее взаимодействие пучков, называется интерференционным членом. Если взять независимые источнику света, например две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что , т. е. результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в нуль. Тогда говорят, что пучки не коррелированны или не когерентны между собой. Однако, если накладывающиеся пучки не независимы, например один получается отражением другого от зеркала, то в некоторых случаях интерференционный член I₁₂ не обращается в нуль, а потому . В одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других меньше суммы интенсивностей I₁ и I₂.

Вообще говоря, колебания, удовлетворяющие условиям, при которых разность фаз остается постоянной величиной называются когерентным. Ясно, что колебания, происходящие с разными частотами, не могут быть когерентными. Однако не все колебания, частоты которых одинаковы, являются когерентными.

Когерентные световые пучки были впервые использованы Юнгом в следующем опыте: малое отверстие А в непрозрачном экране освещалось интенсивным источником. Согласно принципу Гюйгенса, оно становится новым источником полусферических волн. Эти волны падают на два следующих малых отверстия В₁ и В₂, которые, в свою очередь, становятся источниками волн, пе рекрывающих друг друга в области D. Так как колебания в отверстиях В₁ и В₂ вызываются одной и той же падающей на них волной, то они совершаются в одинаковой фазе и с одинаковыми амплитудами. Волны, исходящие из точек В₁ и В₂ сходятся в каждой точке области D с разностью хода, определяемой пройденными ими путями. В зависимости от этой разности хода они усиливают или ослабляют друг друга. Таким образом, наблюдается чередование светлых и темных полос.

Рассмотрим этот эксперимент подробнее. Пусть имеем два когерентных источника, расположенных в точках  В₁ и В₂  на расстоянии d друг от друга, колеблющихся с одинаковой частотой и в одной фазе. Когерентные волны, исходящие из этих источников, встретятся в некоторой точке экрана С.

Рассматриваемые в точке С колебания описываются уравнениями:

,

,

где E₀ – амплитуды колебаний в точке C (для простоты считаем их равными). Положим, что оба колебания происходят перпендикулярно плоскости чертежа.

После сложения колебаний в точке C имеем

,

где  – амплитуда колебания в точке С. По известной амплитуде можно определить результирующую интенсивность:

.

Данная формула выражает зависимость результирующей интенсивности в каждой точке экрана DD¢ от разности хода слагаемых волн. Причем, максимальная освещенность наблюдается, когда волны одинаковых периодов максимально усиливают друг друга при разности хода D, равной целому числу длин волн l:

, 

где m – целое число, а минимальная освещенность – когда волны максимально ослабляют друг друга при разности хода, равной нечетному числу длин волн:

.