Физика_Семестр3_Лабы / 01 Интерференция света 3.01-3.04 / Интерференция света

1

И Н Т Е Р Ф Е Р Е Н Ц И Я С В Е Т А

Обычно оптику определяют как учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн, длина которых составляет приблизительно 10-5 10-7 м. Значение именно этой области спектра электромагнитных

волн связано с тем, что внутри нее в узком интервале длин волн от 0,4 до 0,76 мкм лежит участок видимого света, воспринимаемого человеческим глазом. Этот участок составляет лишь малую часть всей шкалы электромагнитных волн.

Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электромагнитное поле, то в окружающем заряды пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся от точке к точке. Этот процесс будет периодическим во времени и пространстве и, следовательно, представляет собой волну.

Электрическое и магнитное поля изменяются по закону:

волны, (ωt kx) фаза волны.

На рис.I представлен «мгновенный снимок» плоской электромагнитной волны. На

2

увеличиваются от нуля, затем через ¼ периода достигают максимума, причем если E направлен вниз, то H направлен влево (смотрим вдоль направления, по которому распространяется волна). Еще через ¼ периода оба вектора обращаются в нуль. Затем опять достигают наибольшего значения, но на этот раз E направлен вверх, а H вправо. И, наконец, по завершении периода колебания значения векторов снова обращаются в нуль. Такие изменения векторов E и H происходят во всех точках пространства, но со сдвигом по фазе, определяемым расстоянием между точками, отсчитанными вдоль оси х.

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызывают колебания электрического вектора E . В соответствии с этим мы будем в дальнейшем говорить о световом векторе, подразумевая под ним вектор напряженности электрического поля E . О магнитном векторе световой волны мы почти упоминать не будем.

Прямым подтверждением волновой природы света может служить явление интерференции света.

Интерференция это явление, возникающее при наложении когерентных световых волн и выражающееся в перераспределении светового потока в пространстве, в результате чего в одних точках пространства возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности.

При наложении двух электромагнитных волн одинаковой частоты напряженность результирующего поля определяется векторной суммой напряженностей исходных полей. Усредненный по времени квадрат напряженности

электрического поля (то есть <E2>) служит мерой интенсивности I электромагнитных волн в данной точке (интенсивностью называют усредненное по времени значение плотности потока электромагнитной энергии). Интенсивность в данной точке зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Если разность фаз возбуждаемых волнами колебаний остается неизменной во времени, то волны называются когерентными.

(Когерентность согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов).

Отметим, что условия максимумов и минимумов интенсивностей удобнее выражать не чере з разность фаз, а через разность хода,

интерференции, обычно известны. П о к а ж е м э т о н а п р и м е р е

3

Для общности вывода предположим, что волны распространяются в разных средах с показателями преломления n1 и n2. Тогда из (2) следует выражение для разно сти фаз колебаний, создаваемых в точке Р двумя плоскими монохроматическими волнами, распространяющимися в средах с разными оптическими плотностями:

наблюдения. Произведение геометрического пути волны на показатель преломления

то разность фаз оказывается кратной 2 (δ m 2π , где m 1,2,3..., любое целое число) и колебания, возбуждаемые в какойлибо точке пространства обеими волнами, будут складываться (суммироваться). В таких точках пространства наблюдают максимум интенсивности результирующего колебания (I Imax). Таким образом, условие (4) условие интерференционного максимума.

Напротив, в точках пространства, для которых

то есть на оптической разности хода укладывается нечетное число длин полуволн, наблюдают минимум интенсивности (I Imin), так как колебания, возбуждаемые в каждой из этих точек обеими волнами, будут происходить в противофазе. Следовательно, условие (5) - условие интерференционного минимума.

Совокупность чередующихся максимумов и минимумов интенсивности образуют интерференционную картину. Таким образом, вследствие интерференции энергия результирующего колебательного процесса распределяется в пространстве неравномерно.

Независимые естественные источники света, излучающие электромагнитные волны некогерентны между собой. Это связано с механизмом излучения. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых атомами этого тела.

Атом излучает цуг волн (волновой пакет) переходя из более высокого энергетического состояния в более низкое. Излучение отдельного атома продолжается около 10-8 секунд. Фаза излучаемого при каждом таком переходе цуга волн принимает случайные значения. Одновременно излучает большое число атомов. Возбуждаемые ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. В этой волне излучение одной группы атомов через время порядка

4

10-8 сек. сменяется излучением другой группы атомов, причем фаза результирующей волны претерпевает случайные скачкообразные изменения.