Теория:
Интерференция света
Интерференция света — это явление перераспределения энергии световых волн в пространстве при их наложении друг на друга. В результате в одних точках пространства свет становится ярче (максимумы), а в других — темнее или даже полностью гасится (минимумы).
Важно понимать: энергия не исчезает — она просто перераспределяется. Там, где волны усиливают друг друга, возникают интерференционные максимумы (светлые участки), а где гасят — минимумы (тёмные участки).
Условия для наблюдения интерференции
Чтобы увидеть устойчивую интерференционную картину, нужны когерентные источники света — волны:
- с одинаковой частотой;
- постоянной разностью фаз.
Обычные источники света (лампа, солнце) некогерентны — их фазы постоянно меняются, поэтому интерференцию от них не увидеть. Но можно разделить один световой пучок на два — тогда они будут когерентными.
Рис. \(1\). Схема эксперимента Юнга по интерференции света
Монохроматический свет проходит через узкую щель \(A\), затем через две параллельные щели (\(B\) и \(C\)) в экране. Свет от этих щелей интерферирует, создавая на проекционном экране систему чередующихся светлых и тёмных полос (интерференционных максимумов и минимумов).
Рис. \(2\). Кольца Ньютона
Волны \(1\) и \(2\) когерентны. Волна \(1\) отражается от границы «стекло — воздух» (\(A\)). Волна \(2\) отражается от границы «воздух — стекло» (\(B\)). Интерференционная картина возникает в прослойке воздуха между стеклянными пластинами.
Мыльные пузыри, масляные пятна на воде, переливы крыльев бабочек являются примерами интерференции в тонких плёнках.
Условия максимумов и минимумов
Ключевой параметр — разность хода волн (\(Δd\)):
- Максимум (усиление): разность хода равна целому числу длин волн:
\(Δd=mλ ~(m=0,~1,~2…)\). - Минимум (ослабление): разность хода равна нечётному числу полуволн:
\(Δd=(2m+1)λ /2\) \((m=0,~1,~2…)\), где \(λ\) — длина волны света, \(m\) — порядок интерференционного максимума/минимума.
Дифракция света
Дифракция света — это явление огибания световой волной препятствий, сравнимых по размерам с длиной волны, и проникновение в область геометрической тени.
При этом происходит перераспределение интенсивности света в пространстве, что приводит к образованию интерференционной картины — чередования светлых и тёмных областей. Дифракция подтверждает волновую природу света и играет ключевую роль в оптике и спектроскопии.
Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на явлении дифракции света.
Она представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Эти штрихи служат препятствиями для света, и при прохождении через них или отражении от них свет дифрагирует.
Период дифракционной решётки (\(d\)) — расстояние между центрами соседних штрихов (щелей). Он равен сумме ширины прозрачной щели (\(a\)) и ширины непрозрачного промежутка (\(b\)): \(d =a+b\).
Условие наблюдения главных максимумов при падении монохроматического света на дифракционную решётку определяется формулой: \(dsinφ=kλ\), где:
\(d\) — период решётки; \(φ\) — угол отклонения максимума порядка \(m\) от направления падающего света; \(k\) — порядок максимума (целое число: \(0, ±1, ±2…\)); \(λ\) — длина волны света.
Условие наблюдения главных максимумов при падении монохроматического света на дифракционную решётку определяется формулой: \(dsinφ=kλ\), где:
\(d\) — период решётки; \(φ\) — угол отклонения максимума порядка \(m\) от направления падающего света; \(k\) — порядок максимума (целое число: \(0, ±1, ±2…\)); \(λ\) — длина волны света.
Рис. \(3\). Дифракционная решётка
Опыты с монокристаллическими пластинками турмалина
При прохождении света лампы через одноосную турмалиновую пластинку интенсивность света уменьшится, но при вращении пластинки изменяться не будет (рис. \(4\)). Если свет будет проходить через две идентичные пластинки, то вращением второй пластинки относительно первой можно добиться уменьшения интенсивности света вплоть до нуля (см. там же). Отсюда следует, что световой луч от источника света осесимметричен относительно оси распространения света, а после прохождения через первый кристалл луч перестаёт быть осесимметричным. Явление, при котором световой луч перестаёт иметь осевую симметрию, называется поляризацией.
Поскольку на приёмники излучения (в том числе на сетчатку глаза) действует электрическое поле световой волны, а векторы напряжённости электрического поля и индукции магнитного перпендикулярны (\(\vec{E}\perp\vec{B}\)), то будем говорить только о направлении колебаний электрического поля.
Поскольку на приёмники излучения (в том числе на сетчатку глаза) действует электрическое поле световой волны, а векторы напряжённости электрического поля и индукции магнитного перпендикулярны (\(\vec{E}\perp\vec{B}\)), то будем говорить только о направлении колебаний электрического поля.
Рис. \(4\). Схема опыта с микрокристаллической пластинкой
Поляризация света
Поляризация света — это процесс, при котором световые волны перестают колебаться во всех возможных направлениях и начинают двигаться преимущественно в одной плоскости.
Предположим, что в свете источника колебания вектора напряжённости электрического поля совершаются по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения. Такой свет называется естественным (рис. \(5\)а). Также предположим, что кристалл пропускает только световые волны, колебания электрической напряжённости которых лежат в одной плоскости, и поглощает колебания, совершаемые в других плоскостях. Кристалл с таким свойством называют поляризатором, а такой свет — плоскополяризованным (рис. \(5\)б).
Рис. \(5\). Модели света: а) естественный свет, б) плоскополяризованный свет