19) Кольца Ньютона. Применение интерференции. Интерферометры.

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на неё плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта картина имеет вид концентрических колец и называется кольцами Ньютона.

Если взять линзу и пластинку и пропустить через них пучок света, то его лучи будут преломляться 2 раза – от поверхности пластины и от линзы. Таким образом получатся 2 когерентные волны, которые при наложении будут создавать интерференционную картину, которую можно наблюдать через лупу в плоской поверхности линзы на месте соприкосновения линзы с пластинкой.

На данном рисунке свет падает желтого цвета. Если будет падать белый свет, то кольца будут иметь радужную окраску. Важной особенностью колец Ньютона является то, что они имеют правильную форму. Это особенность является важной для весьма точных особых измерительных приборов, которые функционируют на явлении интерференции света. Такие приборы называются Интерферометрами.

Их назначение может быть различным: точное измерение длин световых волн, показателя преломления газов и других веществ. В частности правильной формой колец Ньютона проверяется качество обработки поверхностей, качество шлифовки плоских пластин и линз, близость линз к сферической форме, а также в приборах для просветления оптики(объективов фотоаппаратов и др.)

20)Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии.

В первой половине 19 века, когда становились основы волновой оптики и волновой теории света, ученые столкнулись с проблемой, когда, изучая свойства света, как волны, попытались рассматривать дифракцию света. Если свет представляет собой волновой процесс, то наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция. Ведь дифракция – огибание волнами краев препятствий – присуща любому волновому движению. Когда волна сталкивается с каким-то препятствием, она отклоняется от своего первоначального прямолинейного направления. Наблюдать дифракцию света было очень тяжело, потому что волна отклоняется на значительные углы только если препятствия сопоставимы с длиной волны, а у света длина волны очень маленькая. Но у них была еще одна более серьёзная проблема.

Согласно теории Ньютона, царившей в физике 18 века, свет представлял собой поток особых частиц (корпускул), которые в однородной среде движутся равномерно и прямолинейно. Объяснить с точки зрения этой теории прямолинейность света не составляло особо труда. Как и доказать то, что если поставить на пути света препятствие, то от него будет падать тень, и в опытах на экране мы увидим темную полосу. Но с точки зрения волновой теории это было очень сложно. Ведь согласно принципу Гюйгенса, который является основным постулатом волновой теории, описывающим и объясняющим механизм распространения волн , все точки волнового фронта являются источниками вторичных когерентных между собой волн, огибающая которых является новым положением фронта волны.

Стало быть, если свет является волной, то он просто-напросто должен огибать препятствие, и от неё не должна падать никакая тень. Он просто как будто проходит сквозь неё.

Но тень все-таки есть, а значит свет распространяется прямолинейно. В то же самое время, он является волной, ведь для него присуще явление интерференции, и значит принцип Гюйгенса должен работать. И он работает, но он недостаточен для расчета закономерностей распространения световых волн. Решающую роль в решение этой проблемы внес французский физик О. Френель, дополнивший принцип Гюйгенса. Именно его принцип является доказательством того, что свет распространяется прямолинейно даже не смотря на то, что является волной.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля: все точки волнового фронта являются источниками вторичных когерентных между собой волн, в результате интерференции которых на экране наблюдается интерференционная картина и свет отклоняется от первоначального прямолинейного направления при столкновении с препятствием.

То есть он доказал, что свет распространяется прямолинейного потому, что все эти вторичные волны, кроме центральной перекрываются из-за их интерференции, иначе говоря, перераспределяются в пространстве, гасят друг друга.

Он доказал это на опыте, известном как метод зон Френеля.

Этот метод заключается в том, что он взял источник света, от которого идет фронт волны и произвольную точку наблюдения в пространстве. Фронт волны он разбил на зоны, расстояние между которыми отличается на полдлины волны.

Он стал считать амплитуду от каждой зоны : А= А1-А2+А3…

Когда он все это посчитал, то оказалось, что итоговая амплитуда равна половине амплитуды первой зоны. Иначе говоря, это выглядит так, как будто свет проходит только через маленький сферический сегмент AB, т.е. распространяется, по факту, прямолинейно.

На основе этого принципа Френель доказал прямолинейность распространения света и рассмотрел дифракцию на различного рода препятствиях. Одним из таких опытов была дифракция на круглом отверстии.

На препятствие падает плоская или сферическая волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, который расположен на конечном расстоянии L от препятствия.

Вопрос о том, что будет наблюдаться в точке О, лежащей против центра препятствия, легко разрешается путем построения на открытой части фронта волны, на отрезке ВС, зон Френеля. Если в отверстии ВС будет укладываться нечетное количество зон Френеля, то наблюдается максимум(светлое пятно в центре), если же зон Френеля будет целое число, то будет минимум и в центре будет темное пятно.