45

36. Свет как электромагнитная волна (ЭМВ). Интерференция света. Условия получения интерференционной картины. Условия максимума и минимума при интерференции

Развитие представлений о природе света.

Свет как электромагнитная волна

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Рис. 1. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна.

Векторы ,ивзаимно перпендикулярны.

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую.

Волновая теория, в отличие от корпу­с­ку­ляр­ной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огиба­ю­щая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления.

В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной

, . (1)

По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν.

Рис. 2. Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны.

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, и др. потребовалось введение квантовых представлений. Наука вновь вернулась к идее корпускул – световых квантов.

Гипотеза м. Планка (1900 г.)

,

где ₀  энергия кванта света;   частота; h = 6,6310^-34 Джс.

Квантовая теория света Эйнштейна (1905 г.)

.

Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что свет имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.

Интерференция света. Условия получения интерференционной картины. Условия максимума и минимума при интерференции

Интерференцией света называется наложение двух (или нескольких) когерентных световых волн, при котором происходит пространственное перерас­пределение светового потока, в результате чего в одних местах пространства свет усиливается (максимум интенсивности), в других – ослабляется (минимум интен­сивности).

Интенсивность в любой точке М экрана, лежащей на расстоянии х от точки 0, определяется разностью хода

Δ = L₂  L₁ (2)

;

;

;

Так как l >> d, то L₂ + L₁  2l и

. (3)

Условие максимума Δ = mλ; (m = 0, ±1, ±2, ...)

. (4)

Условие минимума (m = 0, ±1, ±2, ...)

. (5)

Шириной интерференционной полосы называется расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами)

, (5)

ширина интерференционной полосы не зависит от порядка интерференцииm и является постоянной. Главный максимум интерференции при m = 0  в центре, от него  максимумы первого (m = 1), второго (m = 2) и т. д. порядков.

Для видимого света 10^-7 м , 0,1 мм = 10^-4 м (разрешающая способность глаза) интерференция наблюдается при l/d = x/ > 10³.

37. Когерентность. Интерференция в тонких пленках.

Кольца Ньютона

Когерентность и монохроматичность световых волн

Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.

Условию когерентности удовлетворяют монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты ( = const).

Реальные световые волны не являются строго монохроматическими. В силу фундаментальных физических причин излучение всегда имеет статистический характер. Атомы светового источника излучают независимо друг от друга в случайные моменты времени, и излучение каждого атома длится очень короткое время (τ ≤ 10^–8 с). Результирующее излучение источника в каждый момент времени состоит из вкладов огромного числа атомов. Через время порядка τ вся совокупность излучающих атомов обновляется. Поэтому суммарное излучение будет иметь другую амплитуду и, что особенно важно, другую фазу. Фаза волны, излучаемой реальным источником света, остается приблизительно постоянной только на интервалах времени порядка τ.

Прерывистое излучение света атомами в виде отдельных коротких импульсов называется волновым цугом. Средняя продолжительность одного цуга называется временем когерентности τ_ког.