Что такое интерференция света

Интерференция и дифракция света

Из курса физики 9 класса известно, что свет -— это электромагнитное излучение с короткой длиной волны. И как любому волновому процессу, свету свойственны волновые явления, в частности интерференция и дифракция. Поговорим кратко о явлении интерференции и дифракции света.

Интерференция света

Интерференция — это сложение в пространстве двух волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд колебаний среды.

Такое постоянное во времени распределение возможно лишь только в том случае, если складывающиеся волны будут иметь одинаковую длину волны, и разность фаз источников будет постоянной (то есть волны будут когерентными). В этом случае в разных точках пространства условия сложения волн будут различны, но постоянны. Это приведет к тому, что в одном месте волны будут складываться, а в другом — вычитаться. В случае света возникнет интерференционная картина: чередование темных и светлых областей. Какая именно область будет в данной точке, зависит от того, какое расстояние прошла от источника каждая волна.

В точке будет наблюдаться максимум интерференционной картины, если разность хода двух волн будет равна целому числу длин волн ($Δd=\pm k \lambda$). Минимум интерференционной картины будет наблюдаться, если разность хода составит нечетное число полуволн $$Δd=\pm (2k+1)< \lambda \over 2>$$.

Легче всего наблюдать интерференцию света на тонких пленках (к примеру, на пленке мыльного пузыря или масла на воде). Световая волна, частично отражаясь от разных сторон пленки, складывается и вычитается в соответствии с указанными формулами. В результате мы можем видеть чередование светлых и темных областей на пленке. При этом, если свет белый, представляющий собой смесь основных цветов спектра, то условия максимума и минимума будут разными для разной длины волн, и интерференционные переливы будут радужными.

Дифракция света

Другим волновым явлением, которое демонстрирует свет, является дифракция.

Дифракция — это огибание волнами препятствий и искривление прямолинейного направления их распространения.

Проще всего наблюдать дифракцию света, если свет от удаленного источника перекрыть непрозрачной шторкой с маленьким круглым отверстием. Далее на экране размер светового пятна будет отличаться от размера отверстия, нарушая линейное распространение световых волн.

Другим свидетельством дифракции света является предел увеличения микроскопа. Если рассматриваемый объект слишком мал, то световые волны начинают его огибать, и увидеть его становится невозможно.

Опыт Юнга

Для наблюдения явления интерференции и дифракции света в 1802 г. Т. Юнг поставил опыт, ставший классическим.

Сперва свет пропускался сквозь первое небольшое отверстие, за которым, в соответствии с принципом Гюйгенса, образовывалась сферическая световая волна. А затем эта волна пропускалась через два расположенных рядом маленьких отверстия. Поскольку на два отверстия падала одна и та же волна, волны за этими отверстиями были когерентными и при наложении давали интерференционную картину чередования темных и светлых полос.

В результате можно было видеть оба явления: дифракцию световых волн, выходящих из двух отверстий, и их интерференцию на экране.

Что мы узнали?

Интерференция — это сложение двух распространяющихся в пространстве волн одинаковой длины волны. Дифракция — это отклонение распространения волны от прямолинейного, а также огибание ею препятствий. Поскольку свет — это электромагнитная волна, он демонстрирует оба этих явления.

Интерференция света

Свет — это электромагнитная волна определенного диапазона частот, распространяющаяся в пространстве. И как волновое явление, свет демонстрирует все признаки волны. Одним из таких признаков является интерференция. Кратко поговорим на эту тему, дадим определение интерференции, рассмотрим ее механизм.

Явление интерференции

Большинство сред, где происходит распространение волн, подчиняется принципу суперпозиции, известного из курса физики 9 класса. Поэтому, если в такой среде распространяются волны от двух и более источников, то в точке встречи мгновенное значение амплитуд волн складывается. При этом, если частоты волн одинаковы, то происходит интересное явление, называемое интерференцией.

Если на воде возбуждать две волны одинаковой частоты, то, глядя на расходящиеся круги, можно заметить, что там, где круги от разных источников начинают сливаться, на кругах появляются участки, где высота волны усиливается, и участки, где, наоборот, волна практически исчезает. Распространяющиеся «суммарные» круги получаются пересечены линиями отсутствия волн, которые радиально расходятся от источников.

Почему происходит интерференция?

Условия максимумов и минимумов

Вкратце, схема образования интерференционной картины следующая. В момент встречи двух волн одинаковой амплитуды их сложение дает некоторое значение амплитуды: от нуля до двойной амплитуды.

Для того чтобы в данной точке суммарная волна колебалась с удвоенной амплитудой, необходимо, чтобы разность фаз в этой точке была равна нулю, а это возможно, если в разность хода волн $Δd$ укладывается целое число волн (четное число полуволн):

Для того чтобы суммарная волна имела нулевую амплитуду, необходимо, чтобы фаза одной волны отличалась от другой на половину периода. То есть в разность хода должно укладываться нечетное число полуволн:

Если разность хода имеет величину, в которую не укладывается целое число полуволн, то результирующая амплитуда будет иметь некоторое промежуточное значение.

Когерентность

Для появления интерференционной картины необходимо, чтобы условия минимумов и максимумов в данной точке не менялись. То есть чтобы разность хода двух волн всегда содержала одинаковое число полуволн. Это условие выполняется в том случае, если источники волн не перемещаются, а возбуждаемые волны имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Источники, отвечающие этому условию, называются когерентными. Только волны когерентных источников дают устойчивую интерференционную картину.

Если источники некогерентны, то во всех точках среды условия минимумов и максимумов начинают постоянно меняться, и устойчивая интерференционная картина сменяется хаотичным волновым процессом.

Интерференция света

В обычной жизни наблюдать интерференцию света от двух источников невозможно. Происходит это потому, что обычные источники света некогерентны: у них, как правило, неодинакова частота, и фаза излучения меняется со временем.

Однако, если две световых волны будут являться частями одного светового пучка, можно добиться, чтобы возникла интерференционная картина.

Наиболее частым примером интерференции света, доказывающим волновую его природу, является появление радуги на тонкой поверхности мыльного пузыря или масла на воде. Луч света, попавший в тонкую пленку, отражается от двух ее поверхностей, образуя внутри пленки два когерентных луча. При сложении эти лучи образуют чередование светлых и темных полос. При этом еще играет роль и разность толщины пленки: условия чередования в разных местах выполняются для света разной длины. В результате на тонкой пленке суммарная интерференционная картина складывается из интерференционных картин разных длин волн, образуя радужные переливы.

Что мы узнали?

Интерференция — это явление сложения двух волн, в результате которого в среде появляются участки волны с двойной и с нулевой амплитудой. Условия максимумов и минимумов описываются специальными формулами. Появление интерференционной картины на тонких пленках доказывает волновую природу света.

Физика

Благодаря прошлым урокам нам известно, что свет является совокупностью прямолинейных лучей, определенным образом распространяющихся в пространстве. Однако для объяснения свойств некоторых явлений мы не можем пользоваться представлениями геометрической оптики, то есть не можем игнорировать волновые свойства света. Например, при прохождении солнечного света через стеклянную призму на экране возникает картина чередующихся цветных полос (рис. 1), которые называют спектром; при внимательном рассмотрении мыльного пузыря видна его причудливая окраска (рис. 2), постоянно меняющаяся с течением времени. Для объяснения этих и других подобных примеров мы будем использовать теорию, которая опирается на волновые свойства света, то есть волновую оптику.

Рис. 1. Разложение света в спектр

Рис. 2. Мыльный пузырь

На этом уроке мы рассмотрим явление, которое называется интерференцией света. С помощью этого явления ученые в XIX веке доказали, что свет имеет волновую природу, а не корпускулярную.

Явление интерференции. Пример сложения двух световых волн

Явление интерференции заключается в следующем: при наложении друг на друга в пространстве двух или более волн возникает устойчивая картина распределения амплитуд, при этом в некоторых точках пространства результирующая амплитуда является суммой амплитуд исходных волн, в других точках пространства результирующая амплитуда становится равной нулю. При этом на частоты и фазы исходно складывающихся волн должны быть наложены определенные ограничения.

Пример сложения двух световых волн

Увеличение или уменьшение амплитуды зависит от того, с какой разностью фаз две складывающиеся волны приходят в данную точку.

На рис. 3 показан случай сложения двух волн от точечных источников и , находящихся на расстоянии и от точки M, в которой производят измерения амплитуды. Обе волны имеют в точке M в общем случае различные амплитуды, так как до попадания в эту точку они проходят разные пути и их фазы различаются.

Рис. 3. Сложение двух волн

На рис. 4 показано, как зависит результирующая амплитуда колебания в точке M от того, в каких фазах приходят ее две синусоидальные волны. Когда гребни совпадают, то результирующая амплитуда максимально увеличивается. Когда гребень совпадает со впадиной, то результирующая амплитуда обнуляется. В промежуточных случаях результирующая амплитуда имеет значение между нулем и суммой амплитуд складывающихся волн (рис. 4).

Рис. 4. Сложение двух синусоидальных волн

Максимальное значение результирующей амплитуды будет наблюдаться в том случае, когда разность фаз между двумя складывающимися волнами равна нулю. То же самое должно наблюдаться, когда разность фаз равна , так как – это период функции синуса (рис. 5).

Рис. 5. Максимальное значение результирующей амплитуды

Амплитуда колебаний в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебание в этой точке, равна целому числу длин волн или четному числу полуволн (рис. 6).

Рис. 6. Максимальная амплитуда колебаний в точке M

, где .

Амплитуда колебаний в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебание в этой точке, равна нечетному числу полуволн или полуцелому числу длин волн (рис. 7).

Рис. 7. Минимальная амплитуда колебаний в точке M

, где .

Интерференцию можно наблюдать только в случае сложения когерентных волн (рис. 8).

Рис. 8. Интерференция

Когерентные волны – это волны, которые имеют одинаковые частоты, постоянную во времени в данной точке разность фаз (рис. 9).

Рис. 9. Когерентные волны

Если волны не когерентны, то в любую точку наблюдения две волны приходят со случайной разностью фаз. Таким образом, амплитуда после сложения двух волн также будет случайной величиной, которая изменяется с течением времени, и эксперимент будет показывать отсутствие интерференционной картины.

Некогерентные волны – это волны, у которых разность фаз непрерывно меняется (рис. 10).

Рис. 10. Некогерентные волны

Интерференция в тонких пленках

Существует много ситуаций, когда можно наблюдать интерференцию световых лучей. Например, бензиновое пятно в луже (рис. 11), мыльный пузырь (рис. 2).

Рис. 11. Бензиновое пятно в луже

Пример с мыльными пузырями относится к случаю так называемой интерференции в тонких пленках. Английский ученый Томас Юнг (рис. 12) первым пришел к мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а другая – от внутренней.

Рис. 12. Томас Юнг (1773-1829)

Результат интерференции зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны света. Усиление произойдет в том случае, если преломленная волна отстанет от отраженной на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет на половину волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света (рис. 13).

Рис. 13. Отражение световых волн от поверхностей пленки

Когерентность волн, отраженных от внешней и внутренней поверхности пленки, объясняется тем, что обе эти волны являются частями одной и той же падающей волны.

Различие в цветах соответствует тому, что свет может состоять из волн различной частоты (длины). Если свет состоит из волн с одинаковыми частотами, то он называется монохроматическим и наш глаз воспринимает его как один цвет.

Монохроматический свет (от др.-греч. μόνος – один, χρῶμα – цвет) – электромагнитная волна одной определенной и строго постоянной частоты из диапазона частот, непосредственно воспринимаемых человеческим глазом. Происхождение термина связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей физической природе электромагнитные волны видимого диапазона не отличаются от волн других диапазонов (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и т. д.), и по отношению к ним также используют термин «монохроматический» («одноцветный»), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают. Свет, состоящий из волн с различными длинами, называется полихроматическим (свет от солнца).

Таким образом, если на тонкую пленку падает монохроматический свет, то интерференционная картина будет зависеть от угла падения (при некоторых углах волны будут усиливать друг друга, при других углах – гасить). При полихроматическом свете для наблюдения интерференционной картины удобно использовать пленку переменной толщины, при этом волны с разными длинами будут интерферировать в разных точках, и мы можем получить цветную картинку (как в мыльном пузыре).

Основные направления применения интерференции

Существуют специальные приборы – интерферометры (рис. 14, 15), с помощью которых можно измерять длины волн, показатели преломления различных веществ и другие характеристики.

Рис. 14. Интерферометр Жамена

Рис. 15. Интерферометр Физо

К примеру, в 1887 году два американских физика, Майкельсон и Морли (рис. 16), сконструировали специальный интерферометр (рис. 17), с помощью которого они собирались доказать или опровергнуть существование эфира. Этот опыт является одним из самых знаменитых экспериментов в физике.

Рис. 16. А. Майкельсон и Э. Морли

Рис. 17. Звездный интерферометр Майкельсона

Интерференцию применяют и в других областях человеческой деятельности (для оценки качества обработки поверхности, для просветления оптики, для получения высокоотражающих покрытий).

Задача

Условие

Два полупрозрачных зеркала расположены параллельно друг другу. На них перпендикулярно плоскости зеркал падает световая волна частотой (рис. 18). Чему должно быть равно минимальное расстояние между зеркалами, чтобы наблюдался минимум интерференции проходящих лучей первого порядка?

Рис. 18. Иллюстрация к задаче

Дано:

Найти:

Решение

Один луч пройдет сквозь оба зеркала. Другой пройдет сквозь первое зеркало, отразится от второго и первого и пройдет сквозь второе. Разность хода этих лучей составит удвоенное расстояние между зеркалами.

Номер минимума соответствует значению целого числа .

Длина волны равна:

,

где – скорость света.

Подставим в формулу разности хода значение и значение длины волны:

Ответ: .

Экспериментальное получение когерентных волн

Для получения когерентных световых волн при использовании обычных источников света применяют методы деления волнового фронта. При этом световая волна, испущенная каким-либо источником, делится на две или более частей, когерентных между собой.

1. Получение когерентных волн методом Юнга

Источником света служит ярко освещенная щель, от которой световая волна падает на две узкие щели и параллельные исходной щели S (рис. 19). Таким образом, щели и служат когерентными источниками. На экране в области BC наблюдается интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Рис. 19. Получение когерентных волн методом Юнга

2. Получение когерентных волн с помощью бипризмы Френеля

Данная бипризма состоит из двух одинаковых прямоугольных призм с очень малым преломляющим углом, сложенных своими основаниями. Свет от источника преломляется в обеих призмах, в результате этого за призмой распространяются лучи, как бы исходящие из мнимых источников и (рис. 20). Эти источники являются когерентными. Таким образом, на экране в области BC наблюдается интерференционная картина.

Рис. 20. Получение когерентных волн с помощью бипризмы Френеля

3. Получение когерентных волн с помощью разделения по оптической длине пути

Две когерентные волны создаются одним источником, но до экрана проходят разные геометрические пути длины и (рис. 21). При этом каждый луч идет в среде со своим абсолютным показателем преломления. Разность фаз между волнами, приходящими в точку на экране, равна следующей величине:

,

где и – длины волн в средах, показатели преломления которых равны соответственно и .

Рис. 21. Получение когерентных волн с помощью разделения по оптической длине пути

Произведение геометрической длины пути на абсолютный показатель преломления среды называется оптической длиной пути.

,

– оптическая разность хода интерферирующих волн.

Проверка качества обработки поверхности. Просветление оптики

С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до длины волны. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности до см вызовут заметное искривление интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемых поверхностей и нижней грани (рис. 22).

Рис. 22. Проверка качества обработки поверхности

Множество современной фототехники использует большое количество оптических стекол (линзы, призмы и т. д.). Проходя через такие системы, световой поток испытывает многократное отражение, что пагубно влияет на качество изображения, поскольку при отражении теряется часть энергии. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо применять специальные методы, одним из которых является метод просветления оптики.

Просветление оптики основано на явлении интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления, меньшим показателя преломления стекла.

На рис. 23 показан ход луча, падающего на поверхность раздела под небольшим углом. Для упрощения все вычисления делаем для угла, равного нулю.

Рис. 23. Просветление оптики

Разность хода световых волн 1 и 2, отраженных от верхней и нижней поверхности пленки, равна удвоенной толщине пленки:

Длина волны в пленке меньше длины волны в вакууме в n раз (n – показатель преломления пленки):

Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, разность хода должна быть равна половине длины волны, то есть:

Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы добиться этого, подбирают соответствующим образом показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух сред.

Список литературы

1. Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
2. Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
3. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И., Физика 11. – М.: Мнемозина.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «reprint1.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)
3. Интернет-портал «youtube.com» (Источник)
4. Интернет-портал «toehelp.ru» (Источник)
5. Интернет-портал «exir.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Вопросы в конце параграфа 67 (стр. 202), вопросы в конце параграфа 68 (стр. 206) – Мякишев Г. Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы).
2. Где используется явление интерференции?
3. Каково условие максимумов интерференции?
4. В некоторую точку на экране приходит два когерентных излучения с оптической разностью хода 1,2 мкм. Длина волны этих лучей в вакууме – 600 нм. Определите, что произойдет в этой точке в результате интерференции в трех случаях: а) свет идет в воздухе; б) свет идет в воде; в) свет идет в стекле с показателем преломления 1,5.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад