Досвід Юнгає першим інтерференційним досвідом, який отримав пояснення з урахуванням хвильової теорії. У досвіді Юнга світло від джерела проходить через дві близько розташовані щілини. Світлові пучки, розширюючись через дифракцію, падають на віддалений екран. В області перекриття світлових пучків з'являються інтерференційні лінії.
Інтерференція – один із яскравих проявів хвильової природи світла. Це цікаве та гарне явище спостерігається при накладенні двох або декількох світлових пучків. Інтенсивність світла в області перекривання пучків має характер світлих і темних смуг, що чергуються, причому в максимумах інтенсивність більша, а в мінімумах менше суми інтенсивностей пучків. При використанні білого світла інтерференційні смуги виявляються забарвленими у різні кольори спектру. З інтерференційними явищами ми стикаємося досить часто: кольори масляних плям на асфальті, забарвлення шибок, химерні кольорові малюнки на крилах деяких метеликів і жуків - все це прояв інтерференції світла.
Перший експеримент зі спостереження інтерференції світла у лабораторних умовах належить І. Ньютону. Він спостерігав інтерференційну картину, що виникає при відображенні світла в тонкому повітряному прошарку між плоскою скляною пластиною і плоскопуклою лінзою великого радіусу кривизни. (Малюнок 6).Інтерференційна картина мала вигляд концентричних кілець, що отримали назву кілець Ньютона (Малюнок 7).
Ньютон не зміг з погляду корпускулярної теорії пояснити, чому виникають кільця, проте він розумів, що це пов'язано з якоюсь періодичністю світлових процесів.
Першим інтерференційним досвідом, який отримав пояснення з урахуванням хвильової теорії світла, став досвід Юнга (1802). У досвіді Юнга світло джерела, якою служила вузька щілина Sпадав на екран з двома близько розташованими щілинами S 1 та S 2 (Рисунок 8).Проходячи через кожну щілину, світловий пучок поширювався внаслідок дифракції, тому на білому екрані Е світлові пучки, що пройшли через щілини. S 1 та S 2, перекривалися. В області перекриття світлових пучків спостерігалася інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг, що чергуються.
|
|
|
Малюнок 8 Схема інтерференційного досвіду Юнга |
Юнг був першим, хто зрозумів, що не можна спостерігати інтерференцію при складанні хвиль від двох незалежних джерел. Тому в його досвіді щілини S 1 та S 2, які відповідно до принципу Гюйгенса можна розглядати як джерела вторинних хвиль, освітлювалися світлом одного джерела S. При симетричному розташуванні щілин вторинні хвилі, що випускаються джерелами S 1 та S 2 знаходяться у фазі, але ці хвилі проходять до точки спостереження Pрізні відстані r 1 та r 2 . Отже, фази коливань, створюваних хвилями від джерел S 1 та S 2 у точці P, Загалом кажучи, різні. Таким чином, задача про інтерференцію хвиль зводиться до завдання про складання коливань однієї і тієї ж частоти, але з різними фазами. Твердження про те, що хвилі від джерел S 1 та S 2 поширюються незалежно один від одного, а в точці спостереження вони просто складаються, є досвідченим фактом і зветься принципу суперпозиції .
Монохроматична (або синусоїдальна) хвиля , що поширюється у напрямку радіус-вектора, записується у вигляді
Приладів, які могли б стежити за швидкими змінами поля світлової хвилі в оптичному діапазоні, немає; спостерігається величиною є потік енергії, який прямо пропорційний квадрату амплітуди електричного поля хвилі. Фізичну величину, що дорівнює квадрату амплітуди електричного поля хвилі, прийнято називати інтенсивністю : I = A 2 .
Нескладні тригонометричні перетворення призводять до наступного виразу для інтенсивності результуючого коливання в точці P:
|
|
де Δ = r 2 – r 1 – так звана різницю ходу .
З цього виразу випливає, що інтерференційний максимум (світла смуга) досягається в точках простору, в яких Δ = mλ ( m= 0, ±1, ±2, ...). При цьому I max = ( a 1 + a 2) 2 > I 1 + I 2 . Інтерференційний мінімум (темна смуга) досягається при Δ = mλ+λ/2. Мінімальне значення інтенсивності I min = ( a 1 – a 2) 2 < I 1 + I 2 . на малюнку 9показано розподіл інтенсивності світла в інтерференційній картині, залежно від різниці ходу Δ.
Зокрема, якщо I 1 = I 2 = I 0 , т. е. інтенсивності обох хвиль, що інтерферують однакові, вираз (*) набуває вигляду:
|
При зміщенні вздовж координатної осі yна відстань, рівну ширині інтерференційної лінії Δ l, тобто при зміщенні з одного інтерференційного максимуму до сусіднього, різниця ходу Δ змінюється на одну довжину хвилі λ. Отже,
де ψ – кут сходження «променів» у точці спостереження P. Виконаємо кількісну оцінку. Припустимо, що відстань dміж щілинами S 1 та S 2 дорівнює 1 мм, а відстань від щілин до екрану Е становить L= 1 м, тоді ψ = d / L= 0,001 рад. Для зеленого світла (λ = 500 нм) отримаємо Δ l= λ / ψ = 5 · 105 нм = 0,5 мм. Для червоного світла (λ = 600 нм) Δ l= 0,6 мм. Таким шляхом Юнг вперше виміряв довжини світлових хвиль, хоча точність цих вимірів була невелика. Слід наголосити, що у хвильовій оптиці, на відміну від геометричної оптики, поняття променя світла втрачає фізичний зміст. Термін «промінь» використовується тут для стислості для позначення напряму поширення хвилі. Надалі цей термін вживатиметься без лапок. В експерименті Ньютона (Малюнок 6)при нормальному падінні хвилі на плоску поверхню лінзи різниця ходу приблизно дорівнює подвоєній товщині 2h повітряного проміжку між лінзою та площиною. Для випадку, коли радіус кривизни R лінзи великий у порівнянні з h, можна отримати приблизно:
де r - Зміщення від осі симетрії. При написанні висловлювання для різниці ходу слід також врахувати, що хвилі 1 і 2 відбиваються за різних умов. Перша хвиля відбивається від кордону скло-повітря, а друга - від кордону повітря-скло. У другому випадку відбувається зміна фази коливань відбитої хвилі на π, що еквівалентно збільшенню різниці ходу на λ/2.
При r = 0, тобто у центрі (точка дотику) Δ = λ/2; тому в центрі кілець Ньютона завжди спостерігається інтерференційний мінімум – темна пляма. Радіуси r m наступних темних кілець визначаються виразом
Ця формула дозволяє експериментально визначити довжину хвилі світла, якщо відомий радіус кривизни R лінзи. Проблема когерентності хвиль. Теорія Юнга дозволила пояснити інтерференційні явища, що виникають при складанні двох монохроматичних хвильоднієї й тієї частоти. Проте повсякденний досвід вчить, що інтерференцію світла насправді не просто. Якщо в кімнаті горять дві однакові лампочки, то в будь-якій точці складаються інтенсивності світла і ніякої інтерференції немає. Виникає питання, у яких випадках потрібно складати напруженості (з урахуванням фазових співвідношень), у яких – інтенсивності хвиль, тобто квадрати напруженостей полів? Теорія інтерференції монохроматичних хвиль неспроможна дати відповіді це питання. Реальні світлові хвилі не є строго монохроматичними. Через фундаментальні фізичні причини випромінювання завжди має статистичний (або випадковий) характер. Атоми світлового джерела випромінюють незалежно один від одного у випадкові моменти часу і випромінювання кожного атома триває дуже короткий час (? 10 -8 с). Результуюче випромінювання джерела у кожен час складається з вкладів великої кількості атомів. Через час порядку τ вся сукупність випромінюючих атомів оновлюється. Тому сумарне випромінювання матиме іншу амплітуду і, особливо важливо, іншу фазу. Фаза хвилі, що випромінюється реальним джерелом світла, залишається приблизно постійною лише на інтервалах часу порядку τ. Окремі «уривки» випромінювання тривалості τ називаються цугамі . Цуги мають просторову довжину, рівну cτ, де c- швидкість світла. Коливання у різних цугах не узгоджені між собою. Таким чином, реальна світлова хвиля є послідовністю хвильових цугів з безладно мінливою фазою. Прийнято говорити, що коливання у різних цугах некогерентні . Інтервал часу τ, протягом якого фаза коливань залишається приблизно постійною часом когерентності . Інтерференція може виникнути тільки при складанні когерентних коливань, тобто коливань, що належать до одного й того ж цугу. Хоча фази кожного з цих коливань також схильні до випадкових змін у часі, але ці зміни однакові, тому різниця фаз когерентних коливань залишається постійною. І тут спостерігається стійка інтерференційна картина і, отже, виконується принцип суперпозиції полів. При додаванні некогерентних коливань різниця фаз виявляється випадковою функцією часу. Інтерференційні смуги зазнають безладних переміщень з боку в бік, і за час Δ tїх реєстрації, яка в оптичних експериментах значно більша за час когерентності (Δ t>> τ), відбувається повне усереднення. Реєструючий пристрій (око, фотопластинка, фотоелемент) зафіксує в точці спостереження усереднене значення інтенсивності, що дорівнює сумі інтенсивностей I 1 + I 2 обох коливань. І тут виконується закон складання інтенсивностей. Таким чином, інтерференція може виникнути лише при складанні когерентних коливань. Для виникнення інтерференції хвиль необхідно, щоб хвилі мали однакову частоту і різницю фаз коливань полів у цих хвилях залишалася постійною у часі. І тут інтерференційна картина не розмивається згодом і переміщається у просторі. Хвилі, які відповідають зазначеним умовам, називаються когерентними. Найпростіший спосіб одержання когерентних хвиль – розщеплення хвилі від якогось монохроматичного джерела на дві або кілька хвиль (ці хвилі будуть когерентні, якщо при розщепленні, наприклад, при відображенні від дзеркала, не вноситься різниця фаз, що не контролюється). Потім можна в різний спосіб змусити кожну з хвиль пройти різний шлях. Це можна зробити, або змусивши два промені пройти різні відстані в просторі (як у досвіді Юнга), або змусивши промені пройти одну і ту ж відстань, але в середовищах з різним показником заломлення, змінивши тим самим швидкість світла. В обох випадках виникає певна постійна різниця ходу променів, що приводить при суміщенні цих променів до інтерференційної картини. Хвилі від двох незалежних джерел є некогерентними і не можуть дати інтерференції. Т. Юнг інтуїтивно вгадав, що з отримання інтерференції світла потрібно хвилю джерела розділити на дві когерентні хвилі і потім спостерігати на екрані результат їх складання. Так відбувається у всіх інтерференційних схемах. Однак, навіть у цьому випадку інтерференційна картина зникає, якщо різниця ходу Δ перевищить довжину когерентності cτ. |
(6)
(7)
(8)
Розглядаючи сяюче голографічне зображення, більшість із нас навряд чи згадує фізичні терміни. «дифракція»і «інтерференція світлових хвиль».
Але саме завдяки вивченню цих понять з'явилася можливість створювати голограму.
Що таке дифракція світла?
Слово «дифракція»утворено від латинського "diffractus", що означає у дослівному перекладі «огинання хвилями перешкоди» . Як відомо, має хвильову природу, та її промені підпорядковуються хвильовим законам. Дифракцією у фізиці називають оптичні явища, що виникають, коли світлові хвилі поширюються в оптично неоднорідному середовищі з непрозорими включеннями.
Хвильова природа світла визначає його поведінку при огинанні перешкод. Якщо перешкода в багато разів більша за довжину світлової хвилі, світло не огинає її, утворюючи зону тіні. Але у випадках, коли розміри перешкод пропорційні довжині хвилі, виникає явище дифракції. В принципі будь-яке відхилення від геометричних оптичних законів можна віднести до дифракції.
Інтерференція хвиль
Якщо ми встановимо перед джерелом світла непрозорий екран і проробимо в ньому точковий отвір, то промені світла, що проникають через цю точку, на наступному екрані, розташованому паралельно першому, відобразяться у вигляді концентричних кілець з чергуванням світлих і темних кіл. Це явище у фізиці називають дифракцією Френеля, на ім'я вченого, який вперше виявив його та описав.
Змінивши форму отвору і зробивши його щілинним, ми отримаємо на другому екрані іншу картину. Світлові промені розташуються у вигляді ряду світлих і темних смужок, як на магазинному штрих-коді. Дифракцію світла на щілинному отворі вперше описав німецький фізик Фраунгофер, ім'ям якого вона називається досі. 
Пояснити розкладання світлової хвилі на світлі та темні ділянки вчені змогли за допомогою поняття інтерференції. Декілька джерел хвильових коливань, якщо частоти їх коливань когерентні (однакові чи кратні одне одному), можуть посилювати випромінювання одне одного, але можуть і послаблювати, залежно від збігу фаз коливань. При обгинанні перешкод і виникненні вторинних хвиль набирає чинності їх інтерференція. На ділянках, де фази хвиль збігаються, спостерігається підвищена освітленість (яскраві світлі смужки або кола), а там, де не збігаються – освітленість знижена (темні ділянки).
Дифракційні грати
Якщо взяти прозору пластинку і нанести на неї ряд паралельних непрозорих рисочок на однаковій відстані один від одного, ми отримаємо дифракційну решітку. При пропущенні крізь неї плоского світлового фронту утворюється дифракція на непрозорих штрихах. Вторинні хвилі, взаємно послаблюючись і посилюючись, утворюють дифракційні мінімуми та максимуми, що легко виявити на екрані, поставленому за ґратами.
При цьому відбувається не тільки відхилення світлових променів, але й розкладання білого світла на спектральні спектральні складові. У природі необхідне маскування фарбування крил метеликів, оперення птахів, зміїної луски часто утворюється завдяки використанню дифракційних і інтерференційних оптичних явищ, а чи не через пігментів.
Голограми
Принцип голограми був винайдений у 1947 році фізиком Д. Габором, який згодом отримав за його винахід Нобелівську премію. Тривимірне, тобто. об'ємне зображення об'єкта можна зняти та записати, а потім відтворити, якщо використовувати лазерні промені. Одна з світлових хвиль називається опорною і випускається джерелом, а друга - об'єктною і відображається від об'єкта, що записується.
На фотопластинці або іншому матеріалі, призначеному для запису, фіксується поєднання світлих і темних смуг і плям, які відображають інтерференцію електромагнітних хвиль у цій зоні простору. Якщо на фотопластинку направляють світло з довжиною хвилі, що відповідає характеристикам опорної хвилі, відбувається його перетворення на світлову хвилю, за характеристиками близьку до об'єктної. Таким чином, у світловому потоці виходить об'ємне зображення зафіксованого об'єкта. 
Сьогодні нерухомі голограми можна записувати та відтворювати навіть у домашніх умовах. Для цього потрібен лазерний промінь, фотопластина і каркас, який надійно утримує ці пристосування, а також об'єкт запису. Для домашньої голограми відмінно підійде промінь лазерної указки зі знятою лінзою, що фокусує.
ВИЗНАЧЕННЯ
Явищем інтерференціїназивають накладання коливань та взаємне їх посилення чи ослаблення.
Інтерференція проявляється як чергування максимумів та мінімумів інтенсивності. Результатом інтерференції називають картину інтерференції. Слово інтерференція (interferer) має французьке походження, воно перекладається як втручатися.
Явище інтерференції хвиль можливе, коли коливання відбуваються при рівних частотах, мають однакові напрями усунення частинок у просторі, різниці фаз коливань постійні, тобто якщо джерела коливань когерентні. (Слово cohaerer перекладається з латини як бути у зв'язку). Порожньо, одна сукупність хвиль, що біжить створює послідовно в кожній точці аналізованої частини поля хвилі, однакові коливання. При цьому вона накладається на сукупність подібних когерентних хвиль з першими і володіють такою ж амплітудою, тоді явище інтерференції призводить до постійного в часі розшарування поля хвилі на області посилення коливань або області їх ослаблення.
Розташування інтерференційного посилення коливань визначено різницею ходу хвиль (). Максимального посилення коливання досягають, якщо:
K-ціле число; - довжина хвилі.
Коливання є найбільш ослабленими, якщо:
Інтерферувати можуть будь-які типи хвиль. Історично вперше інтерференцію виявили біля світлових хвиль Р. Бойль та Р. Гук, які спостерігали появу кольорового забарвлення тонких плівок. Т. Юнг ввів поняття принципу суперпозиції хвиль, пояснив сутність явища та використав термін інтерференція. Юнг здійснив першим досвід з інтерференції світла. Він отримав інтерференційну картину від двох щілин, згодом цей досвід став класичним. У цьому експерименті світлова хвиля від однієї вузької щілини потрапляла на екран, який мав ще дві вузькі щілини. На демонстраційному екрані пучки світла від останніх двох щілин перекривали один одного. В області перекриття виникала картина інтерференції зі світлих та темних смуг. Створена Юнгом теорія пояснила явище інтерференції під час накладання двох монохроматичних хвиль однакових частот. Юнг першим зрозумів, що інтерференцію не можна отримати, якщо мати справу з незалежними джерелами світла.
Стаціонарна та нестаціонарна інтерференція
Інтерференцію ділять на стаціонарну та нестаціонарну. Стаціонарна картина інтерференції виникає лише у разі повністю когерентних хвиль.
В результаті відбувається перерозподіл енергії у просторі. Енергія концентрується в максимумах, причому в мінімуми не потрапить зовсім. Перерозподіл енергії хвилі у просторі при інтерференції відповідає закону збереження енергії. Енергія хвилі, отриманої в результаті інтерференції, дорівнюватиме сумі енергій хвиль, що накрадаються (в середньому).
При накладення некогерентних хвиль явища інтерференції немає.
Умовою інтерференційних максимумів для хвилі світла є вираз:
Довжина хвилі світла у вакуумі; - Оптична різниця ходу променів. Оптичною різницею ходу () називають різницю оптичних довжин, що проходять хвилі:
L — це оптична довжина шляху (геометрична довжина шляху (s), помножена на показник заломлення середовища (n)):
Якщо виконується рівність:
то в точці, що розглядається, спостерігається мінімум. Вираз (6) називають умовою інтерференційного мінімуму.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Довжини хвиль видимого світла лежать від 380 нм до 760 нм. Які хвилі з даного діапазону будуть максимально посилені при оптичній різниці ходу  м? |
| Рішення | Умовою максимуму інтенсивності світла при інтерференції є: Виразимо довжину хвилі світла з умови (1.1):
Розглянемо різні значення k.
Подивимося, які з отриманих довжин хвиль потрапляють до діапазону видимих хвиль 380 (нм |
| Відповідь |  м; м |
(нм) переведемо нм в метри для зручності порівняння: 0,380 м. Виходить, що в діапазон, що розглядається, потрапляють хвилі тільки при м; та м.ПРИКЛАД 2
| Завдання | Яка відстань від когерентних джерел світла до демонстраційного екрану в досвіді Юнга (l), відстань між цими джерелами дорівнює d, довжина світла, відстань між смугами в середині картини інтерференції дорівнює b? Прийняти, що . |
| Рішення | Зробимо малюнок. З рис.1 ми по Теоремі Піфагора маємо: |
Завдяки минулим урокам нам відомо, що світло є сукупністю прямолінійних променів, які певним чином поширюються в просторі. Проте пояснення властивостей деяких явищ ми можемо користуватися уявленнями геометричної оптики, тобто можемо ігнорувати хвильові властивості світла. Наприклад, при проходженні сонячного світла через скляну призму на екрані виникає картина кольорових смуг, що чергуються (рис. 1), які називають спектром; при уважному розгляді мильного міхура видно його химерне забарвлення (рис. 2), що постійно змінюється з часом. Для пояснення цих та інших подібних прикладів ми використовуватимемо теорію, яка спирається на хвильові властивості світла, тобто хвильову оптику.
Мал. 1. Розкладання світла у спектр
Мал. 2. Мильна бульбашка
На цьому уроці ми розглянемо явище, яке називається інтерференцією світла. За допомогою цього явища вчені у ХІХ столітті довели, що світло має хвильову природу, а не корпускулярну.
Явище інтерференції полягає в наступному: при накладенні один на одного в просторі двох або більше хвиль виникає стійка картина розподілу амплітуд, при цьому в деяких точках простору амплітуда результуюча є сумою амплітуд вихідних хвиль, в інших точках простору результуюча амплітуда стає рівною нулю. При цьому на частоти і фази хвиль повинні бути накладені певні обмеження.
Приклад складання двох світлових хвиль
Збільшення або зменшення амплітуди залежить від того, з якою різницею фаз дві хвилі, що складаються, приходять в дану точку.
На рис. 3 показаний випадок складання двох хвиль від точкових джерел і , що знаходяться на відстані та від точки M, В якій проводять вимірювання амплітуди. Обидві хвилі мають у точці Mу випадку різні амплітуди, оскільки до потрапляння у цю точку вони проходять різні шляхи та його фази різняться.
Мал. 3. Додавання двох хвиль
На рис. 4 показано, як залежить результуюча амплітуда коливання у точці Mвід того, у яких фазах приходять її дві синусоїдальні хвилі. Коли гребені збігаються, то результуюча амплітуда максимально збільшується. Коли гребінь збігається з западиною, результуюча амплітуда обнулюється. У проміжних випадках результуюча амплітуда має значення між нулем і сумою амплітуд хвиль, що складаються (рис. 4).
Мал. 4. Додавання двох синусоїдальних хвиль
Максимальне значення результуючої амплітуди буде спостерігатися в тому випадку, коли різниця фаз між двома хвилями, що складаються, дорівнює нулю. Це ж має спостерігатися, коли різниця фаз дорівнює , оскільки - це період функції синуса (рис. 5).
Мал. 5. Максимальне значення результуючої амплітуди
Амплітуда коливань у цій точці максимальнаякщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює цілому довжини хвиль або парному числу напівхвиль (рис. 6).
Мал. 6. Максимальна амплітуда коливань у точці M
Амплітуда коливань у цій точці мінімальна, якщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює непарному числу напівхвиль або напівцілому довжини хвиль (рис. 7).
Мал. 7. Мінімальна амплітуда коливань у точці M
де .
Інтерференціюможна спостерігати лише у разі додавання когерентниххвиль (рис. 8).
Мал. 8. Інтерференція
Когерентні хвилі- це хвилі, які мають однакові частоти, постійну в часі в цій точці різниця фаз (рис. 9).
Мал. 9. Когерентні хвилі
Якщо хвилі не когерентні, то будь-яку точку спостереження дві хвилі приходять з випадковою різницею фаз. Таким чином, амплітуда після складання двох хвиль також буде випадковою величиною, яка змінюється з часом, і експеримент показуватиме відсутність інтерференційної картини.
Некогерентні хвилі- це хвилі, у яких різниця фаз постійно змінюється (рис. 10).
Мал. 10. Некогерентні хвилі
Існує багато ситуацій, коли можна спостерігати інтерференцію світлових променів. Наприклад, бензинова пляма в калюжі (рис. 11), мильна бульбашка (рис. 2).
Мал. 11. Бензинова пляма в калюжі
Приклад з мильними бульбашками відноситься до випадку так званої інтерференції в тонких плівках. Англійський вчений Томас Юнг (рис. 12) першим прийшов до думки про можливість пояснення кольорів тонких плівок додаванням хвиль, одна з яких відбивається від зовнішньої поверхні плівки, а інша – від внутрішньої.
Мал. 12. Томас Юнг (1773-1829)
Результат інтерференції залежить від кута падіння світла на плівку, її товщини та довжини хвилі світла. Посилення відбудеться у тому випадку, якщо заломлена хвиля відстане від відображеної ціле число довжин хвиль. Якщо ж друга хвиля відстане половину хвилі чи непарне число напівхвиль, то станеться ослаблення світла (рис. 13).
Мал. 13. Відображення світлових хвиль від поверхонь плівки
Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої та внутрішньої поверхні плівки, пояснюється тим, що обидві ці хвилі є частинами однієї і тієї ж падаючої хвилі.
Відмінність у кольорах відповідає тому, що світло може складатися із хвиль різної частоти (довжини). Якщо світло складається з хвиль з однаковими частотами, то воно називається монохроматичнимі наше око сприймає його як один колір.
Монохроматичне світло(від др.-грец. μόνος – один, χρῶμα – колір) – електромагнітна хвиля однієї певної та строго постійної частоти з діапазону частот, що безпосередньо сприймаються людським оком. Походження терміна пов'язані з тим, що різницю у частоті світлових хвиль сприймається людиною як різницю у кольорі. Однак за своєю фізичною природою електромагнітні хвилі видимого діапазону не відрізняються від хвиль інших діапазонів (інфрачервоного, ультрафіолетового, рентгенівського і т. д.), і по відношенню до них також використовують термін «монохроматичний» («однокольоровий»), хоча жодного відчуття кольору ці хвилі не дають. Світло, що складається з хвиль з різними довжинами, називається поліхроматичним(Світло від сонця).
Таким чином, якщо на тонку плівку падає монохроматичне світло, то інтерференційна картина залежатиме від кута падіння (при деяких кутах хвилі підсилюватимуть один одного, при інших кутах – гасити). При поліхроматичному світлі для спостереження інтерференційної картини зручно використовувати плівку змінної товщини, при цьому хвилі з різними довжинами інтерферуватимуть у різних точках, і ми можемо отримати кольорову картинку (як у мильному міхурі).
Існують спеціальні прилади – інтерферометри (рис. 14, 15), за допомогою яких можна вимірювати довжини хвиль, показники заломлення різних речовин та інші характеристики.
Мал. 14. Інтерферометр Жамена
Мал. 15. Інтерферометр Фізо
Наприклад, в 1887 році два американські фізики, Майкельсон і Морлі (рис. 16), сконструювали спеціальний інтерферометр (рис. 17), за допомогою якого вони збиралися довести або спростувати існування ефіру. Цей досвід є одним із найзнаменитіших експериментів у фізиці.
Мал. 17. Зірковий інтерферометр Майкельсона
Інтерференцію застосовують і в інших галузях людської діяльності (для оцінки якості обробки поверхні, для просвітлення оптики, для отримання покриттів, що відбивають).
Умова
Два напівпрозорі дзеркала розташовані паралельно один до одного. На них перпендикулярно до площини дзеркал падає світлова хвиля частотою (рис. 18). Чому має бути рівна мінімальна відстань між дзеркалами, щоб спостерігався мінімум інтерференції променів першого порядку, що проходять?
Мал. 18. Ілюстрація до завдання
Дано:
Знайти:
Рішення
Один промінь пройде крізь обидва дзеркала. Інший пройде крізь перше дзеркало, відіб'ється від другого і першого і пройде крізь друге. Різниця ходу цих променів становитиме подвоєну відстань між дзеркалами.
Номер мінімуму відповідає значенню цілого числа.
Довжина хвилі дорівнює:
де – швидкість світла.
Підставимо у формулу різниці ходу значення та значення довжини хвилі:
Відповідь: .
Для отримання когерентних світлових хвиль під час використання звичайних джерел світла застосовують методи розподілу хвильового фронту. При цьому світлова хвиля, випущена яким-небудь джерелом, ділиться на дві або більше когерентних частин між собою.
1. Отримання когерентних хвиль методом Юнга
Джерелом світла служить яскраво освітлена щілина, від якої світлова хвиля падає на дві вузькі щілини та паралельні вихідної щілини S(Рис. 19). Таким чином, щілини і є когерентними джерелами. На екрані в області BCспостерігається інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг, що чергуються.
Мал. 19. Отримання когерентних хвиль методом Юнга
2. Отримання когерентних хвиль за допомогою біпризми Френеля
Дана біпризму складається з двох однакових прямокутних призм з дуже малим заломлюючим кутом, складеним своїми основами. Світло від джерела переломлюється в обох призмах, внаслідок цього за призмою поширюються промені, що ніби виходять із уявних джерел і (рис. 20). Ці джерела є когерентними. Таким чином, на екрані в області BCспостерігається інтерференційна картина.
Мал. 20. Отримання когерентних хвиль за допомогою біпризми Френеля
3. Отримання когерентних хвиль за допомогою поділу оптичної довжини шляху
Дві когерентні хвилі створюються одним джерелом, але до екрану проходять різні геометричні шляхи довжини (рис. 21). При цьому кожен промінь іде в середовищі зі своїм абсолютним показником заломлення. Різниця фаз між хвилями, що приходять у точку на екрані, дорівнює наступній величині:
де і – довжини хвиль у середовищах, показники заломлення яких рівні відповідно та .
Мал. 21. Отримання когерентних хвиль за допомогою поділу оптичної довжини шляху
Добуток геометричної довжини шляху на абсолютний показник заломлення середовища називається оптичною довжиною шляху.
,
- Оптична різниця ходу хвиль, що інтерферують.
За допомогою інтерференції можна оцінити якість обробки поверхні виробу з точністю до довжини хвилі. Для цього потрібно створити тонкий клиноподібний прошарок повітря між поверхнею зразка і дуже гладкою еталонною пластиною. Тоді нерівності поверхні до см викличуть помітне викривлення інтерференційних смуг, що утворюються при відображенні світла від поверхонь, що перевіряються, і нижньої грані (рис. 22).
Мал. 22. Перевірка якості обробки поверхні
Безліч сучасної фототехніки використовує велику кількість оптичного скла (лінзи, призми і т. д.). Проходячи через такі системи, світловий потік зазнає багаторазового відображення, що згубно впливає на якість зображення, оскільки при відображенні втрачається частина енергії. Щоб уникнути цього ефекту, необхідно застосовувати спеціальні методи, одним із яких є метод просвітлення оптики.
Просвітлення оптики ґрунтується на явищі інтерференції. На поверхню оптичного скла, наприклад лінзи, наносять тонку плівку з показником заломлення, меншим за показник заломлення скла.
На рис. 23 показаний хід променя, що падає на поверхню розділу під невеликим кутом. Для спрощення всі обчислення робимо для кута, що дорівнює нулю.
Мал. 23. Просвітлення оптики
Різниця ходу світлових хвиль 1 і 2, відбитих від верхньої та нижньої поверхні плівки, дорівнює подвоєній товщині плівки:
Довжина хвилі в плівці менше довжини хвилі у вакуумі nраз ( n- Показник заломлення плівки):
Для того щоб хвилі 1 і 2 послаблювали один одного, різниця ходу повинна дорівнювати половині довжини хвилі, тобто:
Якщо амплітуди обох відбитих хвиль однакові або дуже близькі один до одного, гасіння світла буде повним. Щоб досягти цього, підбирають відповідним чином показник заломлення плівки, оскільки інтенсивність відбитого світла визначається відношенням коефіцієнтів заломлення двох середовищ.
Інтерференція- додавання у просторі двох (чи кількох) хвиль, у якому у різних його точках виходить посилення чи ослаблення амплітуди результуючої хвилі. Явище характерне хвиль будь-якої природи: звукових хвиль, хвиль лежить на поверхні води, електромагнітних хвиль та інших.
Стійку інтерференційну картину дають лише когерентні хвилі, тобто. хвилі, що мають однакові частоти та постійну в часі різницю фаз коливань.
Нехай до точки А прийшли дві хвилі однакової частоти, що пройшли перед цим різні відстані l 1і l 2від джерел.
Амплітуда результуючого коливання залежить від величини, яка називається різницею ходухвиль.
Якщо різниця ходу дорівнює цілому числу хвиль, то хвилі входять у точку синфазно. Складаючись, хвилі посилюють одна одну і дають коливання з подвоєною амплітудою.
Якщо різниця ходу дорівнює непарному числу напівхвиль, хвилі приходять у точку А в протифазі. У цьому випадку вони гасять один одного, амплітуда результуючого коливання дорівнює нулю.
В інших точках простору спостерігається часткове посилення чи ослаблення результуючої хвилі.
Досвід Юнга
У 1802 р. англійський вчений Томас Юнгпоставив досвід, у якому спостерігав інтерференцію світла. Світло з вузької щілини Sпадав на екран з двома близько розташованими щілинами S 1і S 2. Проходячи через кожну щілину, світловий пучок розширювався, і на білому екрані світлові пучки, що пройшли через щілини S 1і S 2, перекривалися. В області перекриття світлових пучків спостерігалася інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг, що чергуються.
Хід променя у мильній плівці
На малюнку зображено у розрізі сильно збільшена за товщиною мильна плівка. Нехай у точці А плівки потрапляє світлова хвиля. Частина світла відбивається від цієї поверхні, а частина - заломлюється, проходить всередину плівки і відбивається від її поверхні в точці В. Ці два відбиті пучки світла мають однакову частоту, оскільки виходять від одного джерела. Складаючись, вони утворюють інтерференційну картину.
З інтерференційними явищами ми зустрічаємося досить часто: кольори масляних плям, малюнки на крилах деяких метеликів та жуків та ін.