Наложение волн друг на друга. Сложение волн

Не так давно мы довольно подробно обсуждали свойства световых волн и их интерференцию, т. е. эффект суперпозиции двух волн от различных источников. Но при этом предполагалось, что частоты источников одинаковы. В этой же главе мы остановимся на некоторых явлениях, возникающих при интерференции двух источников с различными частотами.

Нетрудно догадаться, что при этом произойдет. Действуя так же, как прежде, давайте предположим, что имеются два одинаковых осциллирующих источника с одной и той же частотой, причем фазы их подобраны так, что в некоторую точку сигналы приходят с одинаковой фазой. Если это свет, то в этой точке он очень ярок, если это звук, то он очень громок, а если это электроны, то их очень много. С другой стороны, если приходящие волны отличаются по фазе на 180°, то в точке не будет никаких сигналов, ибо полная амплитуда будет иметь здесь минимум. Предположим теперь, что некто крутит ручку «регулировка фазы» одного из источников и меняет разность фаз в точке то туда, то сюда, скажем сначала он делает ее нулевой, затем - равной 180° и т. д. При этом, разумеется, будет меняться и сила приходящего сигнала. Ясно теперь, что если фаза одного из источников медленно, постоянно и равномерно меняется по сравнению с другим, начиная с нуля, а затем возрастает постепенно до 10, 20, 30, 40° и т. д., то в точке мы увидим ряд слабых и сильных «пульсаций», ибо когда разность фаз проходит через 360°, в амплитуде снова возникает максимум. Но утверждение, что один источник с постоянной скоростью меняет свою фазу по отношению к другому, равносильно утверждению, что число колебаний в 1 сек у этих двух источников несколько различно.

Итак, теперь известен ответ: если взять два источника, частоты которых немного различны, то в результате сложения получаются колебания с медленно пульсирующей интенсивностью. Иначе говоря, все сказанное здесь действительно имеет отношение к делу!

Этот результат легко получить и математически. Предположим, например, что у нас есть две волны и забудем на минуту о всех пространственных соотношениях, а просто посмотрим, что приходит в точку . Пусть от одного источника приходит волна , а от другого - волна , причем обе частоты и не равны в точности друг другу. Разумеется, амплитуды их тоже могут быть различными, но сначала давайте предположим, что амплитуды равны. Общую задачу мы рассмотрим позднее. Полная амплитуда в точке при этом будет суммой двух косинусов. Если мы построим график зависимости амплитуды от времени, как это показано на фиг. 48.1, то окажется, что, когда гребни двух волн совпадают, получается большое отклонение, когда совпадают гребень и впадина - практически нуль, а когда гребни снова совпадают, вновь получается большая волна.

Фиг. 48.1. Суперпозиция двух косинусообразных волн с отношением частот 8:10. Точное повторение колебаний внутри каждого биения для общего случая не типично.

Математически нам нужно взять сумму двух косинусов и как-то ее перестроить. Для этого потребуются некоторые полезные соотношения между косинусами. Давайте получим их. Вы знаете, конечно, что

и что вещественная часть экспоненты равна , а мнимая часть равна . Если мы возьмем вещественную часть , то получим , а для произведения

мы получаем плюс некоторая мнимая добавка. Сейчас, однако, нам нужна только вещественная часть. Таким образом,

Если теперь изменить знак величины , то, поскольку косинус при этом не изменяет знака, а синус изменяет знак на обратный, мы получаем аналогичное выражение для косинуса разности

После сложения этих двух уравнений произведение синусов сократится, и мы находим, что произведение двух косинусов равно половине косинуса суммы плюс половина косинуса разности

Теперь можно обернуть это выражение и получить формулу для , если просто положить , а , т. е. , а :

Но вернемся к нашей проблеме. Сумма и равна

Пусть теперь частоты приблизительно одинаковы, так что равна какой-то средней частоте, которая более или менее та же, что и каждая из них. Но разность гораздо меньше, чем и , поскольку мы предположили, что и приблизительно равны друг другу. Это означает, что результат сложения можно истолковать так, как будто есть косинусообразная волна с частотой, более или менее равной первоначальным, но что «размах» ее медленно меняется: он пульсирует с частотой, равной . Но та ли это частота, с которой мы слышим биения? Уравнение (48.0) говорит, что амплитуда ведет себя как , и это надо понимать так, что высокочастотные колебания заключены между двумя косинусоидами с противоположными знаками (пунктирная линия на фиг. 48.1). Хотя амплитуда действительно меняется с частотой однако если речь идет об интенсивности волн, то мы должны представлять себе частоту в два раза большую. Иначе говоря, модуляция амплитуды в смысле ее интенсивности происходит с частотой , хотя мы и умножаем на косинус половинной частоты.

Волновая природа света наиболее ярко проявляется в явлениях интерференции и дифракции света, в основе которых лежит сложение волн . Явление интерференции и дифракции имеют, помимо их теоретического значения, широкое применение их на практике.

Этот термин в 1801 году предложил английский учёный Юнг. В буквальном переводе он означает вмешательство, столкновение, встреча.

Для наблюдения интерференции необходимы условия её возникновения, их два:

интерференция возникает лишь тогда, когда налагающие волны имеют одинаковую длину λ (частоту ν);

неизменность (постоянство) разности фаз колебаний.

Примеры сложения волн :

Источники, обеспечивающие явление интерференции, называются когерентными , а волны –когерентными волнами .

Для выяснения вопроса о том, что будет в данной точке max илиmin , нужно знать в каких фазах волны встретятся, а для знания фаз необходимо знатьразность хода волн . Что это такое?

при (r 2 –r 1) =Δr, равной целому числу длин волн или четному числу полуволн, в точке М будет усиление колебаний;

при d, равной нечетному числу полуволн в точке М будет ослабление колебаний.

Сложение световых волн происходит аналогично.

Сложение электромагнитных волн одной частоты колебаний, идущих от различных источников света, называется интерференцией света .

Для электромагнитных волн при их наложении применим принцип суперпозиции, фактически впервые сформулированный итальянским учёным эпохи Возрождения Леонардо да Винчи:

Подчеркните, что принцип суперпозиции точно справедлив лишь для волн бесконечно малой амплитуды.

Монохроматическая световая волна описывается уравнением гармонических колебаний:

,

где y – величины напряжённостей и, векторы которых колеблются во взаимоперпендикулярных плоскостях.

Если имеются две волны одинаковой частоты:

и
;

приходящие в одну точку, то результирующее поле равно их сумме (в общем случае – геометрической):

Если ω 1 = ω 2 и (φ 01 – φ 02) =const, волны называютсякогерентными .

Величина А в зависимости от разности фаз лежит в пределах:

|А 1 – А 2 | ≤ А ≤ (А 1 + А 2)

(0 ≤ А ≤ 2А, если А 1 =А 2)

Если А 1 = А 2 , (φ 01 – φ 02) = π или (2k+ 1)π,cos(φ 01 – φ 02) = –1, то А = 0, т.е. интерферирующие волны полностью гасят друг друга (minосвещённости, если учесть, что Е 2 J, гдеJ– интенсивность).

Если А 1 = А 2 , (φ 01 – φ 02) = 0 или 2kπ, то А 2 = 4А 2 , т.е. интерферирующие волны усиливают друг друга (имеет местоmaxосвещённости).

Если (φ 01 – φ 02) – изменяется хаотически со временем, с очень большой частотой, то А 1 = 2А 1 , т.е. равна просто алгебраической сумме обоих амплитуд волн, излучаемых каждым источником. В этом случае положенияmax иmin быстро меняют своё положение в пространстве, и мы будем видеть некоторую среднюю освещённость с интенсивностью 2А 1 . Эти источники –некогерентные .

Любые два независимых источника света – некогерентны.

Когерентные волны можно получить от одного источника, путём разбиения пучка света на несколько пучков, имеющих постоянную разность фаз.

Темы кодификатора ЕГЭ: интерференция света.

В предыдущем листке, посвящённом принципу Гюйгенса, мы говорили о том, что общая картина волнового процесса создаётся наложением вторичных волн. Но что это значит - "наложением"? В чём состоит конкретный физический смысл наложения волн? Что вообще происходит, когда в пространстве одновременно распространяются несколько волн? Этим вопросам и посвящён данный листок.

Сложение колебаний.

Сейчас мы будем рассматривать взаимодействие двух волн. Природа волновых процессов роли не играет - это могут быть механические волны в упругой среде или электромагнитные волны (в частности, свет) в прозрачной среде или в вакууме.

Опыт показывает, что волны складываются друг с другом в следующем смысле.

Принцип суперпозиции. Если две волны накладываются друг на друга в определённой области пространства, то они порождают новый волновой процесс. При этом значение колеблющейся величины в любой точке данной области равно сумме соответствующих колеблющихся величин в каждой из волн по отдельности.

Например, при наложении двух механических волн перемещение частицы упругой среды равно сумме перемещений, создаваемых в отдельности каждой волной. При наложении двух электромагнитных волн напряжённость электрического поля в данной точке равна сумме напряжённостей в каждой волне (и то же самое для индукции магнитного поля).

Разумеется, принцип суперпозиции справедлив не только для двух, но и вообще для любого количества накладывающихся волн. Результирующее колебание в данной точке всегда равно сумме колебаний, создаваемых каждой волной по отдельности.

Мы ограничимся рассмотрением наложения двух волн одинаковой амплитуды и частоты. Этот случай наиболее часто встречается в физике и, в частности, в оптике.

Оказывается, на амплитуду результирующего колебания сильно влияет разность фаз складывающихся колебаний. В зависимости от разности фаз в данной точке пространства две волны могут как усиливать друг друга, так и полностью гасить!

Предположим, например, что в некоторой точке фазы колебаний в накладывающихся волнах совпадают (рис. 1 ).

Мы видим, что максимумы красной волны приходятся в точности на максимумы синей волны, минимумы красной волны - на минимумы синей (левая часть рис. 1 ). Складываясь в фазе, красная и синяя волны усиливают друг друга, порождая колебания удвоенной амплитуды (справа на рис. 1 ).

Теперь сдвинем синюю синусоиду относительно красной на половину длины волны. Тогда максимумы синей волны будут совпадать с минимумами красной и наоборот - минимумы синей волны совпадут с максимумами красной (рис. 2 , слева).

Колебания, создаваемые этими волнами, будут происходить, как говорят, в противофазе - разность фаз колебаний станет равна . Результирующее колебание окажется равным нулю, т. е. красная и синяя волны попросту уничтожат друг друга (рис. 2 , справа).

Когерентные источники.

Пусть имеются два точечных источника, создающие волны в окружающем пространстве. Мы полагаем, что эти источники согласованы друг с другом в следующем смысле.

Когерентность . Два источника называются когерентными, если они имеют одинаковую частоту и постоянную, не зависящую от времени разность фаз. Волны, возбуждаемые такими источниками, также называются когерентными.

Итак, рассматриваем два когерентных источника и . Для простоты считаем, что источники излучают волны одинаковой амплитуды, а разность фаз между источниками равна нулю. В общем, эти источники являются "точными копиями" друг друга (в оптике, например, источник служит изображением источника в какой-либо оптической системе).

Наложение волн, излучённых данными источниками, наблюдается в некоторой точке . Вообще говоря, амплитуды этих волн в точке не будут равны друг другу - ведь, как мы помним, амплитуда сферической волны обратно пропорциональна расстоянию до источника, и при разных расстояниях и амплитуды пришедших волн окажутся различными. Но во многих случаях точка расположена достаточно далеко от источников - на расстоянии гораздо большем, чем расстояние между самими источниками . В такой ситуации различие в расстояниях и не приводит к существенному отличию в амплитудах приходящих волн. Следовательно, мы можем считать, что амплитуды волн в точке также совпадают.

Условие максимума и минимума.

Однако величина , называемая разностью хода , имеет важнейшее значение. От неё самым решительным образом зависит то, какой результат сложения приходящих волн мы увидим в точке .

В ситуации на рис. 3 разность хода равна длине волны . Действительно, на отрезке укладываются три полных волны, а на отрезке - четыре (это, конечно, лишь иллюстрация; в оптике, например, длина таких отрезков составляет порядка миллиона длин волн). Легко видеть, что волны в точке складываются в фазе и создают колебания удвоенной амплитуды - наблюдается, как говорят, интерференционный максимум .

Ясно, что аналогичная ситуация возникнет при разности хода, равной не только длине волны, но и любому целому числу длин волн.

Условие максимума . При наложении когерентных волн колебания в данной точке будут иметь максимальную амплитуду, если разность хода равна целому числу длин волн:

(1)

Теперь посмотрим на рис. 4 . На отрезке укладываются две с половиной волны, а на отрезке -три волны. Разность хода составляет половину длины волны (d=\lambda /2 ).

Теперь нетрудно видеть, что волны в точке складываются в противофазе и гасят друг друга - наблюдается интерференционный минимум . То же самое будет, если разность хода окажется равна половине длины волны плюс любое целое число длин волн.

Условие минимума .
Когерентные волны, складываясь, гасят друг друга, если разность хода равна полуцелому числу длин волн:

(2)

Равенство (2) можно переписать следующим образом:

Поэтому условие минимума формулируют ещё так: разность хода должна быть равна нечётному числу длин полуволн.

Интерференционная картина.

А что, если разность хода принимает какое-то иное значение, не равное целому или полуцелому числу длин волн? Тогда волны, приходящие в данную точку, создают в ней колебания с некоторой промежуточной амплитудой, расположенной между нулём и удвоенным значением 2A амплитуды одной волны. Эта промежуточная амплитуда может принимать все значения от 0 до 2A по мере того, как разность хода меняется от полуцелого до целого числа длин волн.

Таким образом, в той области пространства, где происходит наложение волн когерентных источников и , наблюдается устойчивая интерференционная картина - фиксированное не зависящее от времени распределение амплитуд колебаний. А именно, в каждой точке данной области амплитуда колебаний принимает своё значение, определяемое разностью хода приходящих сюда волн, и это значение амплитуды не меняется со временем.

Такая стационарность интерференционной картины обеспечивается когерентностью источников. Если, например, разность фаз источников будет постоянно меняться, то никакой устойчивой интерференционной картины уже не возникнет.

Теперь, наконец, мы можем сказать, что такое интерференция.

Интерференция - это взаимодействие волн, в результате которого возникает устойчивая интерференционная картина, то есть не зависящее от времени распределение амплитуд результирующих колебаний в точках области, где волны накладываются друг на друга.

Если волны, перекрываясь, образуют устойчивую интерференционную картину, то говорят попросту, что волны интерферируют. Как мы выяснили выше, интерферировать могут только когерентные волны. Когда, например, разговаривают два человека, то мы не замечаем вокруг них чередований максимумов и минимумов громкости; интерференции нет, поскольку в данном случае источники некогерентны.

На первый взгляд может показаться, явление интерференции противоречит закону сохранения энергии - например, куда девается энергия, когда волны полностью гасят друг друга? Но никакого нарушения закона сохранения энергии, конечно же, нет: энергия просто перераспределяется между различными участками интерференционной картины. Наибольшее количество энергии концентрируется в интерференционных максимумах, а в точки интерференционных минимумов энергия не поступает совсем.

На рис. 5 показана интерференционная картина, созданная наложением волн двух точечных источников и . Картина построена в предположении, что область наблюдения интерференции находится достаточно далеко от источников. Пунктиром отмечена ось симметрии интерференционной картины.

Цвета точек интерференционной картины на этом рисунке меняются от чёрного до белого через промежуточные оттенки серого. Чёрный цвет - интерференционные минимумы, белый цвет - интерференционные максимумы; серый цвет - промежуточное значение амплитуды, и чем больше амплитуда в данной точке, тем светлее сама точка.

Обратите внимание на прямую белую полосу, которая идёт вдоль оси симметрии картины. Здесь расположены так называемые центральные максимумы . Действительно, любая точка данной оси равноудалена от источников (разность хода равна нулю), так что в этой точке будет наблюдаться является интерференционный максимум.

Остальные белые полосы и все чёрные полосы слегка искривлены; можно показать, что они являются ветвями гипербол. Однако в области, расположенной на большом расстоянии от источников, кривизна белых и чёрных полос мало заметна, и выглядят эти полосы почти прямыми.

Интерференционный опыт, изображённый на рис. 5 , вместе с соответствующим методом расчёта интерференционной картины называется схемой Юнга . Эта схема лежит в основе знаменитного
опыта Юнга (речь о котором пойдёт в теме Дифракция света). Многие эксперименты по интерференции света так или иначе сводятся к схеме Юнга.

В оптике интерференционную картину обычно наблюдают на экране. Давайте ещё раз посмотрим на рис. 5 и представим себе экран, поставленный перпендикулярно пунктирной оси.
На этом экране мы увидим чередование светлых и тёмных интерференционных полос .

На рис. 6 синусоида показывает распределение освещённости вдоль экрана. В точке O, расположенной на оси симметрии, находится центральный максимум. Первый максимум в верхней части экрана, соседний с центральным, находится в точке A. Выше идут второй, третий (и такдалее) максимумы.

Рис. 6. Интерференционная картина на экране

Расстояние , равное расстоянию между любыми двумя соседними максимумами или минимумами, называется шириной интерференционной полосы . Сейчас мы займёмся нахождением этой величины.

Пусть источники находятся на расстоянии друг от друга, а экран расположен на расстоянии от источников (рис. 7 ). Экран заменён осью ; начало отсчёта , как и выше, отвечает центральному максимуму.

Точки и служат проекциями точек и на ось и расположены симметрично относительно точки . Имеем: .

Точка наблюдения может находиться на оси (на экране) где угодно. Координату точки
мы обозначим . Нас интересует, при каких значениях в точке будет наблюдаться интерференционный максимум.

Волна, излучённая источником , проходит расстояние:

. (3)

Теперь вспомним, что расстояние между источниками много меньше расстояния от источников до экрана: . Кроме того, в подобных интерференционных опытах координата точки наблюдения также гораздо меньше . Это означает, что второе слагаемое под корнем в выражении (3) много меньше единицы:

Раз так, можно использовать приближённую формулу:

(4)

Применяя её к выражению (4) , получим:

(5)

Точно так же вычисляем расстояние, которое проходит волна от источника до точки наблюдения:

. (6)

Применяя к выражению (6) приближённую формулу (4) , получаем:

. (7)

Вычитая выражения (7) и (5) , находим разность хода:

. (8)

Пусть - длина волны, излучаемой источниками. Согласно условию (1) , в точке будет наблюдаться интерференционный максимум, если разность хода равна целому числу длин волн:

Отсюда получаем координаты максимумов в верхней части экрана (в нижней части максимумы идут симметрично):

При получаем, разумеется, (центральный максимум). Первый максимум рядом с центральным соответствует значению и имеет координату .Такой же будет и ширина интерференционной полосы.

Уравнение стоячей волны.

В результате наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой возникающий колебательный процесс называется стоячей волной . Практически стоячие волны возникают при отражении от преград. Напишем уравнения двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях (начальная фаза ):

Сложим уравнения и преобразуем по формуле суммы косинусов: . Т.к. , то можно записать: . Учитывая, что , получим уравнение стоячей волны : . В выражении для фазы не входит координата, поэтому можно записать: , где суммарная амплитуда .

Интерференция волн - такое наложение волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Необходимые условия для наблюдения интерференции:

1) волны должны иметь одинаковые (или близкие) частоты, чтобы картина, получающаяся в результате наложения волн, не менялась во времени (или менялась не очень быстро, что бы её можно было успеть зарегистрировать);

2) волны должны быть однонаправленными (или иметь близкое направление); две перпендикулярные волны никогда не дадут интерференции. Иными словами, складываемые волны должны иметь одинаковые волновые векторы. Волны, для которых выполняются эти два условия, называются когерентными. Первое условие иногда называют временной когерентностью , второе - пространственной когерентностью . Рассмотрим в качестве примера результат сложения двух одинаковых однонаправленных синусоид. Варьировать будем только их относительный сдвиг. Если синусоиды расположены так, что их максимумы (и минимумы) совпадают в пространстве, произойдет их взаимное усиление. Если же синусоиды сдвинуты друг относительно друга на полпериода, максимумы одной придутся на минимумы другой; синусоиды уничтожат друг друга, то есть произойдет их взаимное ослабление. Складываем две волны:

здесь х 1 и х 2 - расстояния от источников волн до точки пространства, в которой мы наблюдаем результат наложения. Квадрат амплитуды результирующей волны дается выражением:

Максимум этого выражения есть 4A 2 , минимум - 0; всё зависит от разности начальных фаз и от так называемой разности хода волн D:

При в данной точке пространства будет наблюдаться интерференционный максимум, при - интерференционный минимум.Если же мы сдвинем точку наблюдения в сторону от прямой, соединяющей источники, мы попадем в область пространства, где интерференционная картина меняется от точки к точке. В этом случае мы будем наблюдать интерференцию волн с равными частотами и близкими волновыми векторами.

Электромагнитные волны. Электромагнитное излучение - распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей). Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием. Электромагнитное излучение подразделяется на радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение. Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию. Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света.

Какова природа света. Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Применение интерференции света. Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дисперсия света. Электронная теория дисперсии света. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Поляроиды

Какова природа света. Первые теории о природе света - корпускулярная и волновая - появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон. Согласно волновой теории свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство - светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса. Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира. Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга. Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало. что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории. Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко). Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других - свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.

Интерференция волн .
– это явление наложения когерентных волн
- свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.

Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую частоту и постоянную разность фаз. При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью хода.
При наложении когерентных волн возможны два предельных случая:
1) Условие максимума: Разность хода волн равна целому числу длин волн (иначе четному числу длин полуволн).
где . В этом случае волны в рассматриваемой точке приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна удвоенной амплитуде.

2) Условие минимума: Разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн. где . Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга. Амплитуда колебаний данной точки равна нулю. В результате наложения когерентных волн (интерференции волн) образуется интерференционная картина. При интерференции волн амплитуда колебаний каждой точки не меняется во времени и остается постоянной. При наложении некогерентных волн нет интерференционной картины, т.к. амплитуда колебаний каждой точки меняется со временем.

Когерентность и монохроматичность световых волн. Интерференцию света можно объяснить, рассматривая интерференцию волн. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность , т. е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны - неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Taк как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентны. В двух самостоятельных источниках света атомы излучают независимо друг от друга. В каждом из таких атомов процесс излучения конечен и длится очень короткое время (t » 10 –8 с). За это время возбужденный атом возвращается в нормальное состояние и излучение им света прекращается. Возбудившись вновь, атом снова начинает испускать световые волны, но уже с новой начальной фазой. Так как разность фаз между излучением двух таких независимых атомов изменяется при каждом новом акте испускания, то волны, спонтанно излуча­емые атомами любого источника света, некогерентны. Таким образом, волны, испуска­емые атомами, лишь в течение интервала времени 10 –8 с имеют приблизительно постоянные амплитуду и фазу колебаний, тогда как за больший промежуток времени и амплитуда, и фаза изменяются.

Применение интерференции света. Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны l 0 . Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн. Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики ) и получения высокоотражающих покрытий. Прохожде­ние света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло–воздух, сопровождается отражением »4% падающего потока (при показа­теле преломления стекла »1,5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и светосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике) демаскирует положение прибора. Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое просветле­ние оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления, меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух–пленка и пленка–стекло возникает интерференция когерентных лучей. Толщину пленки d и показатели преломления стекла n с и пленки n можно подобрать так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей пленки, гасили друг друга. Для этого их амплитуды должны быть равны, а оптическая разность хода равна . Расчет показывает, что амплитуды от­раженных лучей равны, если Так как n с, n и показатель преломления воздуха n 0 удовлетворяют условиям n с >n >n 0 , то потеря полуволны происходит на обеих поверхностях; следовательно, условие минимума (предполагаем, что свет падает нормально, т. е. i= 0), , где nd - оптическая толщина пленки. Обычно принимают m =0, тогда

Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Дифракция света - отклонение световых волн от прямолинейного распространения, огибание встречающихся препятствий. Качественно явление дифракции объясняется на основе принципа Гюйгенса-Френеля. Волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат интерференции. Пример. Плоская световая волна, падающая на непрозрачный экран с отверстием. За экраном фронт результирующей волны (огибающая всех вторичных волн) искривляется, в результате чего свет отклоняется от первоначального направления и попадает в область геометрической тени. Законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны: Дифракция происходит в том случае, когда размеры препятствий соизмеримы с длиной волны: L ~ Л. Дифракционная картина, полученная на экране, расположенном за различными преградами, представляет собой результат интерференции: чередование светлых и темных полос (для монохроматического света) и разноцветных полос (для белого света). Дифракционная решетка - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Число штрихов у хороших дифракционных решеток доходит до нескольких тысяч на 1 мм. Если ширина прозрачной щели (или отражающих полос) а, а ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) b, то величина d = а + b называется периодом решетки.

Интерференция -это перераспределение потока электромагнитной энергии в пространстве, возникающее в результате наложения волн, приходящих в данную область пространства от разных источников. Если в области интерференции световых волн поставить экран, то на нем будут

наблюдаться светлые и темные области, например полосы.

Интерферировать могут толькокогерентные волны. Источники(волны) называют когерентными, если они имеют одинаковую частотуи постоянную во времени разность фаз, излучаемых ими волн.

Когерентными могут быть только точечные монохроматические источники. К ним по свойствам близки лазеры. Обычные источники излучения некогерентны, так как немонохроматичны и не являются точечными.

Немонохроматичность излучения обычных источников обусловлена тем, что их излучение создается атомами, испускающими в течение времени порядка =10 -8 с волновые цуги длиной L=c =3м. Излучения разных атомов не коррелированы друг с другом.

Однако наблюдать интерференцию волн можно и при использовании обычных источников, если с помощью какого-либо приема создать два или более источников, подобных первичному источнику. Существует два метода получения когерентных световых пучков или волн: метод деления волнового фронта иметод деления амплитуды волны. В методе деления волнового фронта пучок или волна делится, проходя через близко расположенные щели или отверстия (дифракционная решетка), либо с помощью отражающих и преломляющих препятствий (бизеркало и бипризма Френеля, отражательная дифракционная решетка).

Вметоде деления амплитуда волны излучение делится на одной или нескольких частично отражающих, частично пропускающих поверхностях. Примером является интерференция лучей, отраженных от тонкой пленки.

Точки А, В и С на рис. являются точками деления амплитуды волны

Количественное описание интерференции волн.

Пусть две волны, приходят в точку Оот источников S 1 и S 2 по разным опти­ческим путям L 1 =n 1 l 1 и L 2 =n 2 l 2 .

Напряженность результирующего поля в точке наблюдения равна

E=E 1 +E 2 . (1)

Детектор излучения(глаз) регистрирует не амплитуду, а интенсивность волны, поэтому возведем соотношение (1)в квадрат и перейдем к интенсивностям волн

E 2 =E 1 2 +E 2 2 +E 1 E 2 (2)

Усредним это выражение по времени

=++<E 1 E 2 > (2)

Последнее слагаемое в (3) 2называют интерференционным членом. Его можно записать в виде

2<E 1 E 2 >=2 (4)

где  -угол между векторами E 1 и E 2 .Если /2, тo cos=0и интерференционный член будет равен нулю. Это означает, что волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях интерферировать не могут. Если вторичные источники, от которых наблюдают интерференцию, получены от одного первичного источника, то векторыE 1 иE 2 параллельны иcos=1.В этом случае (3)можно записать в виде

=++ (5)

где усредняемые по времени функции имеют вид

E 1 =E 10 cos(t+), E 2 =E 20 cos(t+), (6)

=-k 1 l 1 + 1 , =-k 2 l 2 + 2 .

Вычислим в начале среднее по времени значение интерференционного члена

(7)

откуда при =: =½E 2 10 , =½E 2 20 (8)

Обозначая I 1 =E 2 10 , I 2 =E 2 20 и
, формулу (5) можно записать в терминах интенсивности волн. Если источники некогерентны, то

I=I 1 +I 2 , (9)

а если когерентны, то

I=I 1 +I 2 +2
cos (10)

k 2 l 2 -k 1 l 1 +  -  (11)

есть разность фаз складываемых волн. Для источников. полученных от одного первичного источника  1 = 2 ,поэтому

=k 2 l 2 -k 1 l 1 =k 0 (n 2 l 2 -n 1 l 1)=(2/ ) (12)

где К 0 =2 -волновое число в вакууме, -оптическая разность хода лучей 1и 2от S 1 и S 2 до точки наблюдения интерференции 0. Получили

(13)

Из формулы (10)следует, что в точке 0будет максимум интерференции, если cos  = 1,откуда

m, или=m  (m=0,1,2,…) (14)

Условие минимума интерференции будет при cos  = -1,откуда

=2(m+½), или=(m+½)  (m=0,1,2,…) (14)

Таким образом, волны в точке наложения усилят друг друга, если их оптическая разность хода равна четному числу полуволн ослабят друг друга

если она равна нечетному числу полуволн.

Степень когерентности излучения источника. Интерференция частично когеретных волн.

Реальные световые пучки, приходящие в точку наблюдения интерференции, частично когерентны, т.о. содержат когерентный и некогерентный свет. Для характеристики частично когерентного света вводят степень когерентности 0< < 1которая представляет собой долю некогерентного света в световом пучке. При интерференции частично когерентных пучков получим

I= неког +(1-)I ког =(I 1 +I 2)+(1-)(I 1 +I 2 +2I 1 I 2 cos 

ОткудаI=I 1 +I 2 +2I 1 I 2 cos (17)

Если =0 или=1, то приходим к случаям некогерентного и когерентного сложения интерферентностей волн.

Опыт Юнга (деление волнового фронта)

П
ервый опыт по наблюдению интерференции был осуществлен Юнгом (1802). Излучение от точечного источника Sпроходило через два точечных отверстияS 1 иS 2 в диафрагмеD и в точке Р на экране Э наблюдалась интерференция лучей 1 и 2, проходящим по геометрическим путямSS 1 P иSS 2 P.

Рассчитаем интерференционную картину на экране. Геометрическая разность хода лучей 1 и 2 от источника S до точки Р на экране равна

l=(l` 2 +l 2)  (l` 1 +l 1)= (l` 2 1` 1)+(l 2 l 1) (1)

Пусть d – расстояние междуS 1 иS 2 , b – расстояние от плоскости источникаS до диафрагмы Д,a – расстояние от диафрагмы Д до экрана Э,x – координата точкиP на экране отностительно его центра, аx` - координата источникаS относительно центра плоскости источника. Тогда согласно рисунку по теореме Пифагора получим

Аналогичными будут выражения для l` 1 иl` 2 , если заменитьab, xx`. Предположим, чтоd иx<

Аналогично
(4)

С учетом (3) и (4) геометрическая разность хода лучей 1 и 2 будет равна

(5)

Если лучи 1и 2проходят в среде с показателем преломления n,то их оптическая разность хода равна

Условия максимумов и минимумов интерференции на экране имеют вид

(7)

Откуда координаты максимумов х=х m и минимумов х=х" m интерференционной картины на экране

Если источник имеет вид полоски с координатой x",перпендикулярной плоскости рисунка, то изображение на экране также будет иметь вид полосок с координатой х,перпендикулярных плоскости рисунка.

Расстояние между ближайшими максимумами и минимумами интерференции или ширина интерференционных полос (темных или светлых) будет согласно (8)равна

x=x m+1 -x m =x` m+1 -x` m =
(9)

где =  /n – длина волны в среде с показателем преломленияn.

Пространственная когерентность(некогерентность) излучения источника

Различают пространственную и временную когерентность излучения источника. Пространственная когерентность связана с конечными (неточечными) размерами источника. Онaповодит к уширению интерференционных полос на экране и при некоторой ширине источника Dполному исчезно­вению интерференционной картины.

Объясняется пространственная некогерентность следующим образом. Если источник имеет ширину D,то каждая светящаяся полоска источника с координатой х" даст на экране свою интерференционную картину. В ре-зyльтaтeразличные смещенные относительно друг друга интерференционные картины на экране наложатся, друг на друга, что приведет к размазыванию интерференционных полос и при некоторой ширине источника D к полному исчезновению интерференционной картины на экране.

Можно показать, что интерференционная картина на экране исчезнет, если угловая ширина источника, =D/l ,видимая из центра экрана, больше отношения/d:

(1)

К схеме Юнга сводится метод получения вторичных источников S 1 и S 2 с помощью бипризмы Френеля. Источники S 1 и S 2 лежат в одной плоскости с первичным источником S.

Можно показать, что расстояние между источниками S 1 и S 2 ,полученными с помощью бипризмы с преломляющим угломи показателем n равно

d=2a 0 (n-1), (2)

а ширина интерференционных полос на экране

(3)

Интерференционная картина на экране исчезнет при выполнении условия
или при ширине источника, равной
, т.е. ширине интерференционной полосы. Получим с учетом (3)

(4)

Если l=0,5м, а 0 =0,25м, n= 1,5 -стекло,=6 10 -7 -длина волны зеленого света, то ширина источника, при которой исчезнет интерференционная картина на экране равна D=0,2мм.

Временная когерентность излучения источника. Время и длина когерентности.

Временная когерентность связана со немонохроматичноотью излучения источника. Онаприводит к уменьшению интенсивности интерференционных полос при удалении от центра интерференционной картины и последующему ее обрыву. Например, при наблюдении интерференционной картины с использованием немонохроматического источника и бипризмы Френеля на экране наблюдается от 6до 10полос. При использовании высокомонохроматичного лазерного источника излучения число интерференционных полос на экране достигает нескольких тысяч.

Найдем условие обрыва интерференции из-за немонохроматичности источника, излучающего в интервале длин волн (). Положение m-го максимума на экране определяется условием

(1)

где  0 /n -длина волны с показателем преломления n.Отсюда следует, что каждой длине волнысоответствует своя интерференционная картина. При увеличениипроисходит смещение интерференционой картины тем большее, чем больше порядок интерференции (номер интерференционной полосы) m.В результате может оказаться, что m-ый максимум для длины волныналожится на (m+1)-ый максимум для длины волны.При этом интерференционное поле между m-ым и (m+1)-ым максимумами для длины волныравномерно заполнится интерференционными максимумами из интервала () и экран окажется равномерно освещенным, т.е. ИК оборвется.

Условие обрыва интерференционной картины

X max (m,+)=X max (m+1,) (2)

Откуда согласно (1)

(m+1)=m(, (3)

что дает для порядка интерференции(номера интерференционной полосы), при которой произойдет обрыв ИК

(4)

Условие интерференционных максимумов связано с оптической разностью хода лучей 1и 2,приходящих в точку наблюдения интерференции на экране условием

Подставляя (4)в (5),найдем оптическую разность хода лучей 1и 2,при которой происходит исчезновение интерференции на экране

(6)

При >L ког интерференционная картина не наблюдается. Величина L ког =  называетсядлиной (продольной) когерентности , а величина

t ког =L ког /c (7)

-временем когерентности. Переформулируем (6)в терминах частоты излучения. Учитывая, чтоc,получим

|d|=или=(8)

Тогда согласно (6)

L ког =
(9)

А согласно (7)

или
(10)

Получили связь между временем когерентности t ког и шириной частотного интервалаизлучения источника.

Для видимого диапазона (400-700)нм с шириной интервала=300нм при средней длине волны= 550им длина когерентности составляет

порядка L ког =10 -6 м,а время когерентности порядка t ког =10 -15 с. Длина когернтности лазерного излучения может достигать нескольких километров. Отметим, что время излучения атома имеет порядок 10 -8 c, а длины волновых цугов составляют порядка L = 3м.

Принципы Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля.

Вволновой оптике существует два принципа: принцип Гюйгенса и принцип Гюйгенса-Френеля. В принципе Гюйгенса постулируется, что каждая точка фронта волны является источником вторичных волн. Построив огибающую этих волн, можно найти положение фронта волны в последующие моменты времени.

Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим и позволяет вывеcти. например, законы отражения и преломления света, объясняет явления распространения света в анизотропных кристаллах(двойное лучепреломление). Но он не может объяснить большинство оптических явлений, обусловленных интерференцией волн.

Френель дополнил принцип Гюйгенса условием интерференции вторич­ных волн, исходящих от фронта волны. Такое расширение принципа Гюйгенса получило название принципа Гюйгенса-Френеля.

Зоны Френеля.

Френель предложил простой прием вычисления результата интерференции вторичных волн. приходящих от фронта волны в произвольную точку Р, лежащую на прямой, проходящую через источник S и точку Р.

Рассмотрим идею Френеля на примере сферической волны, испускаемой точечным источником S.

Пусть фронт волны от источника S в некоторый момент времени находится на расстоянии aот S и на расстоянии bот точки Р. Разобьем фронт волны на кольцевые зоны так, чтобы расстояние от краев каждой зоны до точки Р отличались на/l.При таком построении колебания в соседних зонах сдвинуты по фазе на ,т.е. происходят в противофазе. Если обозначить амплитуды колебаний в зонах E 1 , E 2 , ... причемE 1 >E 2 >...,то амплитуда результирующего колебания в точке Р будет равна

E=E 1 -E 2 +E 3 -E 4 +… (1)

Здесь чередование знаков (+) и (-),так как колебания в соседних зонах происходят в противофазе. Представим формулу (1)в виде

где положено E m =(Е m-1 +Е m+1)/2. Получили, что амплитуда колебаний в точке Р, если в нее приходят колебания от всего волнового фронта, равна Е=Е 1 /2, т.е. равна половине амплитуды волны, приходящей в точку Р от первой зоны Френеля.

Если закрыть все четные или нечетные зоны Френеля с помощью специальных пластинок, называемых зонными, то амплитуда колебаний в точке Р увеличится и будет равна

E=E 1 +E 3 +E 5 +…+E 2m+1 , E=|E 2 +E 4 +E 6 +…+E 2m +…| (3)

Если на пути фронта волны поставить экран с отверстием, который открывал бы конечное четное число зон Френеля, то интенсивность света в точке Р будет равна нулю

E=(E 1 -E 2)+(E 3 -E 4)+(E 5 -E 6)=0 (4)

т.е. в этом случае в точке Р будет темное пятно. Если же открыть нечет­ное число зон Френеля, то в точке Р будет светлое пятно:

E=E 1 -E 2 +E 3 -E 4 +E 5 =E 1 (4)

Для перекрытия зон френеля с помощью экранов или зонных пластине необходимо знать радиусы зон френеля. Согласно рис. Получим

r
2 m =a 2 -(a-h m) 2 =2ah m (6)

r 2 m =(b+m  / 2) 2 -(b+h m) 2 =bm-2bh m (7)

где пренебрегли членами с  2 иh m 2 .

Приравнивая (5) и (6), получим

(8)

Подставляя формулу (8)в (6),радиус m-ой зоны Френеля

(9)

где м=1,2,3,... -номер зоны Френеля, -длина волны, излучения, испускаемого источником. Если фронт водны плоский (a ->),то

(10)

При фиксированном радиусе отверстия в экране, поставленом на пути волны число m зон Френеля, открываемых этим отверстием, зависит от расстояний a и bот отверстия до источника S и точки Р.

Дифракция волн(света).

Дифракцией называют совокупность интерференционных явлений, наблюдаемых в средах с резкими неоднородностями, соизмеримыми с длиной волны, и связанных с отклонением законов распространения света от законов геометрической оптики. Дифракция, в частности, приводит к огибанию волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени Роль неоднородностей среды могут играть щели, отверстия и различные препятствия: экраны, атомы и молекулы вещества и т.п.

Различают два вида дифракции. Если источник и точка наблюдения расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдении, практически параллельны, то говорят о дифракции Фраунгофера(дифракция в параллельных лучах), в противном случае говорят о дифракции Френеля(дифракция в сходящихся лучах)

Дифракция Френеля на круглом отверстии.

Пусть сферическая волна, от источника в падает на круглое отверстие в диафрагме. В этом случае на экране будет наблюдаться дифракционная картина в виде светлых и темных колец.

Если отверстие открывает четное число зон Френеля, то в центре дифракционной картины будет темное пятно, а если оно открывает нечетное число зон Френеля, то светлое пятно.

При перемещении диафрагмы с отверстием между источником и экраном в пределах отверстия будет укладываться то четное, то нечетное число зон Френеля и вид дифракционной картины(то с темным, то со светлым пятном в центре) будет постоянно меняться.

Дифракция Фраунгофера на щели.

Пусть от источника S распространяется сферическая волна. С помощью линзы Л 1 она превращается в плоскую волну, которая падает на щель шириной b .Лучи, дифрагировавшие на щели под углом собираются на экране, находящемся в фокальной плоскости линзы Л 2 ,в точке F

Интенсивность дифракционной картины в точке Р экрана определяется интерференцией вторичных волн, исходящих от всех элементарных участков щели и распространяющихся в точку Р в одной и том же направлении  .

В виду того, что на щель падает плоская волна, фазы колебаний во всех точках щели одинаковы. Интенсивность в точке Р экрана, обусловленная волнами, распространяющимися в направлении  ,будет определяться сдвигом фаз между волнами, исходящими от плоского фронта волны АВ, перпендикулярного направлению распространения волны(см. рис.), либо волнами. исходящими от любой плоскости, параллельной направлению АВ.

Сдвиг фаз между волнами, испускаемыми полоской 0в центре щели и полоской с координатой х,отсчитанной от центра щели, составляет kxsin(рис.). Если щель имеет ширину bи испускает волну с амплитудой E 0 ,то полоска с координатой x и шириной dxиспускает волну с амплитудой (Eo/b)dx.От этой полоски в точку Р экрана в направлениипридет волна с амплитудой

(1)

Множитель it, одинаковый для всех волн, приходящих в точку Р экрана, можно опустить, так как при вычислении интенсивности волны в точке Р он исчезнет. Амплитуда результирующего колебания в точке Р, обусловленная наложением вторичных волн, пришедших в точку Р от всей щели, будет равна

(2)

где u=(k b / 2)sin=( b / )sin,  - длина волны, испускаемая источником. Интенсивность волныI=E 2 в точке Р экрана будет равна

(3)

где I 0 -интенсивность волны, испускаемой щелью в направлении=0, когда (sin u/u)=1.

В точке Р будет минимум интенсивности, если sin u=0 или

откуда bsin=m, (m=1,2,…) (4)

Это условие дифракционных минимумов темных полос на экране).

Условие дифракционных максимумов найдем, взяв производную oт I() но u и приравняв ее к нулю, что приводит к трансцендентному уравнению tg u=u. Решить ато уравнение можно графически

Согласно рис. прямая y=u пересекает кривые y=tg u примерно в точках с координатой по оси абцисс, равной

u=(2m+1)  / 2 =(m+½), а такжеu=0  =0, (5)

что позволяет написать приближенное, но достаточно точное решение уравнения tg u=uв виде

(6)

О
ткуда получим, что условие дифракционных максимумов(светлых полос на экране) имеет вид

bsinm+½) (m=1,2,…). (7)

Центральный максимум при =0 не входит в условие (7)

Распределение интенсивность на экране при дифракции света на одной щели представлено на рис.

Дифракционная решетка и ее применение для разложения немонохроматического излучения источника в спектр.

Дифракционной решеткой можно считать любое устройство, обеспечивающее пространственную периодическую модуляцию падающей на нее световой волны по амплитуде и фазе. Примером дифракционной решетки является периодическая система. Nпараллельных щелей, разделенных непрозрачными промежутками, лежащих в одной плоскости, расстояние dмежду серединами соседних щелей называетсяпериодом илипостоянной решетки.

Дифракционная решетка обладает способностью разлагать немонохроматической излучение источника в спектр, создавая на экране смещенные относительно друг друга дифракционные картины, соответствующие разным длинам волн излучения источника.

Рассмотрим вначале формирование дифракционной картины для излучения источника с фиксированной длиной волны .

Пусть на решетку нормально падает плоская монохроматическая волна с длиной волны ,а дифракционная картина наблюдается на в фокальной плоскости линзы Л.Дифракционная картина на экране представляет собой многолучевую интерференцию когерентных пучков света одинаковой интенсивности, идущих в точку наблюдения Р от всех щелей в направлении.

Для расчета интерференционной картины(ИК) обозначим E 1 () амплитуду волны (формула (2) предыдущего раздела), пришедшей в точку наблюдения Р от первого структурного элемента решетки, амплитуду волны от второго структурного элемента Е 2 =E 1 e i  ,от третьего Е 2 =E 1 e 2i  и т.д. где

=kasin=
(1)

Сдвиг фаз волн, приходящих в точку Р от соседних щелей с расстоянием d между ними.

Полная амплитуда колебаний,создаваемых в точке Р волнами, прихо­дящими в нее от всех N щелей дифракционной решетки, представляется суммой геометрической прогрессии

E P =E 1 ()(1+e i  +e 2i  +…+e i(N-1) )=E 1 ()
(2)

Интенсивность волны в точке Р равна I()=E p E * p ,гдеE * p -комплексно сопряженная амплитуда. Получаем

I()=I 1 ()
(3)

где обозначено

,
(4)

Отсюда следует, что распределение интенсивности на экране I(), создаваемое излучением от N 12 щелей, промодулировано функцией интенсивности одной щели I 1 ()=I 0 (sin(u)/u) 2 .Распределение интенсивности на экране, определяемое формулой (3)представлено на рис.

Из рисунка видно, что в ИК имеются резкие максимумы, называемые главными ,между которыми наблюдаются малоинтенсивные максимумы и минимумы, называемыепобочными. Число побочных минимумов равно N-1,а число побочных максимумов равно N-2.Точки, в которых I 1 ()= 0,называютсяглавными минимумами. Их расположение такое же как и в случае одной щели.

Рассмотрим формирование главных максимумов. Они наблюдаются в направлениях, определяемым условием sin/2=0(но при этом sin N/2=0, что приводит к неопределенности I()=0/00. Условие sin/2=0 дает /2=k или

dsin=k, k=0,1,2,… (5)

где k -порядок главного максимума.

Рассмотрим формирование минимумов. Первое условие sin u=0при u0приводит к условию главных минимумов, такому же как в случае одной щели

bsin=m, m=0,1,2,… (6)

Второе условие sin N/2=0при sin/20определяет положение побочных минимумов при значениях

, … (N-1);

N  , (N+1), … (2N-1); (7)

2 N  , (2N+1),… (3N-1);

Подчеркнутые значения кратны N и приводят к условию главных максимумов N=Nkили /2=k.Эти значениядолжны быть исключены из списка побочных минимумов. Оставшиеся значения можно записать в виде

,где р -целое число, некратное N (8)

откуда получаем условие побочных минимумов

dsin=(k+ P / N), P=0,1,2,…N-1 (9)

где k -фиксированный порядок главного максимума. Можно допустить отрицательные значения р= -1,-2, ...-(N-1),которые дадут положение побочных минимумов слева от k-го главного максимума.

Из условий главных и побочных максимумов и минимумов следует, что излучению с другой длиной волны будет соответствовать другое угловое расположение минимумов и максимумов в дифракционной картине. Это означает, что дифракционная решетка осуществляет разложение немонохроматического излучения источника в спектр.

Характеристики спектральных приборов: угловая и линейная дисперсии и разрешающая способность прибора.

Любой спектральный прибор осуществляет разложения излучения на монохроматические составляющие путем их пространственного разделения с помощью диспергирующего элемента(призмы, дифракционной решетки и т.д.) Чтобы извлечь необходимую информацию из наблюдаемых спектров, прибор должен давать хорошее пространственное разделение спектральных линий, а также обеспечивать возможность раздельного наблюдения близких спектральных линий.

В связи с этим для характеристики качества спектрального прибора вводят следующие величины: угловую D  =ddили линейную D l =dldдисперсии прибора и егоразрешающую способность R=/,где - минимальнаяразность длин волн спектральных линии, которые прибор позволяет видеть раздольно. Чем меньше разность,"видимая" прибором, тем выше его разрешающая способность R.

Угловая дисперсия D  определяет угол=D  ,на который разводит прибор две спектральные линии, длины волн которых отличаются на единицу (например, в оптике полагают= 1нм). Линейная дисперсия D l определяет расстояниеl =D l между спектральными линиями на экране, длины волн которых отличаются на единицу (=1 нм). Чем выше значения Dи D l способность спектрального прибора к пространственному разделению спектральных линий.

Конкретные выражения для дисперсий прибора D  и D l и его разрешающей способности Rзависят от типа прибора, используемого для регистрации спектров излучения различных источников. В данном курсе вопрос о вычислении спектральных характеристик прибора будет рассмотрен на примере дифракционной решетки.

Угловая и линейная дисперсии дифракционной решетки.

Выражение для угловой дисперсии дифракционной решетки можно найти дифференцируя условие главных максимумов d sin =kпо.Получим dcos d=kd,откуда

(1)

Вместо угловой дисперсии можно использовать линейную

(2)

Учитывая, что положение спектральной линии, отсчитываемое от центра дифракционной картины равно l=Ftg ,где F -фокусное расстояние линзы в фокальной плоскости которой регистрируется спектр, получим

, что дает
(3)

Разрешающая способность дифракционной решетки.

Большая угловая дисперсия является необходимым, но недостаточным условием раздельного наблюдения близких спектральных линий. Это объ­ясняется тем, что спектральные линии имеют ширину. Любой детектор (в том числе и глаз) регистрирует огибающую спектральных линий, кото­рые в зависимости от их ширины могут восприниматься либо как одна, либо как две спектральные линии.

В связи с этим вводится дополнительная характеристика спектрального прибора -его разрешающая способность: R=,где -минимальная разность длин волн спектральных линий, которые прибор позволяет видеть раздельно.

Чтобы получить конкретное выражение для R для данного прибора, необходимо задаться критерием разрешения. Известно, что глаз воспринимает две линии раздельно, если глубина "провала" в огибающей спектральных линий составляет не менее 20%от интенсивности в максимумах спектральных линий. Этому условию удовлетворяет критерий, предложенный Рэллеем: две спектральные линии одинаковой интенсивности можно наблюдать раздельно, если максимум одной из них совпадает о "краем" другой. За "края" линии можно принять положение ближайших к ней побочных минимумов.

На рис. изображены две спектральные линии, соответствующе излучениям с длиной волны   <  

Совпадение "края" одной линии с максимумом другой эквивалентно одинаковому угловому положению ,например, максимума, левой линии, соответствующей длине волны  ,и левого "края" линии, соответствующей длине волны  .

Положение k-го максимума спектральной линии с длиной волны   определяется условием

dsin=k  (1)

Положение левого"края" линии с длиной волны   определяется угловым положением ее первого левого побочного минимума (р=-1)

dsin=(k- 1 / N) 2 (2)

Приравнивая правые части формул (1)и(2), получим

K 1 =(k- 1 / N) 2 , илиk(  - 1)=  /N, (3)

(4)

Получили, что разрешающая способность R=kNдифракционной решетки увеличивается с увеличением числа N штрихов на решетке, а при фиксированном N с увеличением порядка k спектра.

Тепловое излучение.

Тепловое излучение(ТИ) -это испускание ЭМ-волн нагретым телом за счет его внутренней энергии. Все остальные виды свечения тел, возбуждаемые за счет видов энергии, отличие от тепловой, называютлюминесценцией.

Поглащательная и отражательная способность тела. Абсолютно черное, белое и серое тела.

В общем случае любое тело отражает, поглощает и пропускает падающее на него излучение. Поэтому для падающего на тело потока излучения можно написать:

(2)

где  , а , t -коэффициенты отражения, поглощения и пропускания, называемые также егоотражательной, поглащательной и пропускательной способностями. Если тело не пропускает излучение, тоt = 0 , и  +a=1 . Вобщем случае коэффициенты  иа зависят от частоты излучения и температуры тела:
и
.

Если тело полностью поглощает падающее на него излучение любой частоты, но не отражает его (а T = 1 ,
),то тело называютабсолютно чёрным, а если тело полностью отражает излучение, но не поглощает его, то тело называютбелым , если жеа T <1 ,то тело называют серым. Если поглащательная способность тела зависит от частоты или длины волны падающего излучения и a  <1 ,то тело называютселективным поглотителем.

Энергетические характеристики излучения.

Поле излучения принято характеризовать потоком излучения Ф (Вт) .

Поток -это энергия, переносимая излучением через произвольную поверхность в единицу времени. Поток излучения, испускаемый единицей площади. тела, называют энергетической светимостью тела и обозначаютR T (Вт/м 3 ) .

Энергетическую светимость тела в интервале частот
обозначают dR  , а если она зависит от температуры телаT , тo dR  .Энергетическая светимость пропорциональна ширинеd  частотного интервала излучения:
.Коэффициент пропорциональности
называютиспускательной пособностью тела илиспектральной энергетической светимостью .

Размерность
.

Энергетическая светимость тела во всем интервале испускаемых частот излучения равна

Связь между спектральными характеристиками излучения по частоте и длине волны.

Характеристики излучения, зависящие от частоты  или длины волны излучения, называютспектральными. Найдем связь между этими харак­теристиками по длине и частоте волны. Учитывая,dR  = dR  ,получим:
. Из связи =с/  следует |d  |=(c/  2 )d  . Тогда

Тепловое излучение. Законы Вина и Стефана-Больцмана.

Тепловое излучение -это ЭМ-излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии. ТИ имеет сплошной спектр, т.е. его испускательная способностьr  или r  в зависимости от частоты или длины волны излучения изменяется непрерывно, без скачков.

ТИ -это единственный вид излучения в природе, которое является равновесным, т.е. находится в термодинамическом или тепловом равновесии с излучающим его телом. Тепловое равновесие означает, что излучающее тело и поле излучения имеют одинаковую температуру.

ТИ является изотропным, т.е. вероятности испускания излучения разных длин волн или частот и поляризаций в разных направлениях равновероятны (одинаковы).

Среди излучающих (поглощающих) тел особое место занимают абсолютно черные тела (АЧТ), которые полностью полащают падающее на него излучение, но не отражают его. Если АЧТ раскалить, то, как показывает опыт, оно будет светить ярче, чем серое тело. Например, если на фарфоровой тарелке нанести рисунок желтой, зеленой и черной краской, а затем тарелку нагреть до высокой температуры, то черный рисунок будет светить ярче, зеленый слабее, и совсем слабо будет светиться желтый рисунок. Примером раскаленного АЧТ является Солнце.

Другим примером АЧТ является полость с малым отверстием и зеркально отражающими внутренними стенками. Внешнее излучение, попав в отверстие, остается внутри полости и практически не выходит из него, т.е. поглощательная способность такой полости равна единице, а это и есть АЧТ. Например, обычное окно в квартире, открытое в солнечный день, не выпускает наружу попавшее внутрь его излучение, и снаружи кажется черным, т.е. ведет себя как АЧТ.

Опыт показывает, что зависимость испускательной способности АЧТ
от длины волны излучения имеет вид:

График
имеет максимум. При увеличении температуры тела максимум зависимости
от смещается в сторону более коротких длин волн (больших частот), а тело начинает светить ярче. Это обстоятельство отражено в двух опытных законах Вина и законе Стефана-Больцмана.

Первый закон Вина утверждает : положение максимума испускательной способности АЧТ (r o  ) m обратно пропорционально его температуре:

(1)

где b = 2,9  10 -3 м  К -первая постоянная Вина.

Второй закон Вина утверждает : максимальная испускательная способность АЧТ пропорциональна пятой степени его температуры:

(2)

где с = 1,3  10 -5 Вт/м 3 К 5 -вторая постоянная Вина.

Если вычислить площадь под графиком испускательной способности АЧТ, то найдем его энергетическую светимость R o T .Она оказывается пропорциональной четвертой степени температуры АЧТ. Таким образом

(3)

Это закон Стефана-Больцмана ,  = 5,67  10 -8 Вт/м 2 К 4 -постоянная Стефана-Больцмана.

Закон Кирхгофа.

Кирхгофом было доказано следующее свойство тепловых излучателей:

отношение испускательной способности тела r  к его поглащательной способностиa  при той же температуреT не зависит от природы из­лучающего тела, для всех тел одинаково и равно испускательной способно­сти АЧТ r o  : r  /a  = r o  .

Это основной закон теплового излучения. Для его доказательства рассмотрим теплоизолированную полость А с малым отверстием, внутри ко­торой находится тело В. Полость А нагрета и обменивается теплом с телом В через поле излучения полости С. В состоянии теплового равновесия тем­пературы полости А, тела В и поля излучения С одинаковы и равны Т. В опыте имеется возможность измерять поток


 излучения, выходящего из отверстия, свойства которого аналогичны свойствам излучения С внутри полости.

Поток излучения   , падающий от нагретой полости А на тело В поглащается этим телом и отражается, а само тело В излучает энергию.

В состоянии теплового равновесия испущенный телом В поток r  и отраженный им поток(1-a  )   должны равняться потоку  теплового излучения полости

(1)

откуда

Это и есть закон Кирхгофа. При его выводе природа тела В не учитывалась, поэтому он справедлив для любого тела и, в частности, для АЧТ, для которого испускательная способность равна r o  ,а поглощательная способностьa  =1 . Имеем:

(2)

Получили, что отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности равно испускательной способности АЧТ при той же температуре Т .Равенствоr o  =   говорит о том, что по выходящему из полости потоку излучения  можно измерить испускательную способность АЧТr o  .

Формула Планка и доказательство с ее помощью опытных законов Вина и Стефана-Больцмана.

Длительное время различные ученые пытались объяснить закономерности излучения АЧТ и получить аналитический вид функции r o  . При попытке решить задачу было получено много важных законов теплового излучения. Так, в частности. Вин на основе законов термодинамики показал, что испускательная способность АЧТr o  является функцией отношения частоты излучения и его температурыT , совпадающей с температурой АЧТ:

r o  = f ( / T)

Впервые явный вид для функции r o  был получен Планком (1905). При этом Планк предположил, что ТИ содержит ЗМ-волны различных частот (длин волн) в интервале (
).Волну фиксированной частоты называютосциллятором ЭМ-поля. По предположению Планка энергия каждого осциллятора поля частоты квантуется, то есть зависит от целочисленного параметра, а значит, изменяется дискретным образом(скачком):

(1)

где  0 ( ) -минимальный квант(порция) энергии, которым может обладать осциллятор поля частоты .

На основе этого предположения Планк получил следующее выражение для испускательной способности АЧТ (см. любой учебник):

(2)

где с = 3  10 8 м/с -скорость света,k=1,38  10 -23 Дж/К -постояннная Больцмана.

В соответствии с теоремой Вина r o  =f( /T) необходимо положить, что квант энергии осциллятора поля пропорционален его частоте :

(3)

где коэффициент пропорциональности h = 6,62  10 -34 Дж  с или
=1, 02  10 -34 называется постоянной Планка, = 2  -циклическая частота излучения (осциллятора поля). Подставив (3)в формулу (2),получим

(4)

(5)

Для практических расчетов удобно подставить значения постоянных c, k, h и записать формулу Планка в виде

(6)

где a 1 = 3,74  10 -16 Вт.м 2 , a 2 = 1,44  10 -2 мК.

Полученное выражение для r o  дает правильное описание закона излучения АЧТ, соответствующее эксперименту. Максимум функции Планка можно найти вычислив производнуюdr o  /d   и приравняв ее к нулю, что дает

(7)

Это первый закон Вина. Подставив  =  m в выражение для функции Планка, получим

(8)

Это второй закон Вина. Интегральная энергетическая светимость (площадь под графиком функции Планка) находится интегрированием функции Планка по веем длинам волн. В результате получим(см. учебник):

(9)

Это закон Стефана-Больцмана. Таким образом, формула Планка объясняет все опытные законы излучения АЧТ.

Излучение серых тел.

Тело, для которого поглощательная способность a  =a  <1 и не зависит от частоты излучения(его длины волны) называютсерым. Для серого тела согласно закону Кирхгофа:

, гдеr o  - функция Планка

, где
(1)

Для несерых тел (селективных поглотителей), для которых a  зависит от  или ,связьR  =a  R 0  не имеет места, и надо вычислять интеграл:

(2)