Интерференция света

Я видел сон: прохладный гаснул день,

От дома длинная ложилась тень,

Луна, взойдя на небе голубом,

Играла в стеклах радужным огнем.

М.Ю. Лермонтов

В данной теме разговор пойдёт об интерференции света, ее проявления в природе и применении в различных областях науки и техники.

С давних пор существовало два взгляда на природу света. Одни ученые считали, что свет представляет собой волну, а другие рассматривали его как поток частиц (корпускул). И до начала XIX в. не было достаточно веских доказательств ни в пользу волновых, ни в пользу корпускулярных представлений.

Однако все изменилось в 1802 году, когда английский ученый Томас Юнг поставил опыт по сложению пучков света от двух источников и получил на экране устойчивую картину чередования максимумов и минимумов интенсивности света. Полученную картину он назвал интерференционной картиной (от латинских слов «интер» — взаимно, между собой и «ферио» — ударяю, поражаю). Тем самым, показав, что свет имеет волновую природу, так как данное явление — явление интерференции — присуще только волнам.

Явление интерференции наблюдали многие ученые задолго до Юнг. Так, в середине 17 века простой опыт по интерференции наблюдал итальянский физик и астроном Франческо Мария Гримальди. Его опыт был достаточно прост. Он, как и Ньютон, закрылся в комнате, закрыл ставни на окнах и проделал в них два отверстия, тем самым получив два конуса световых лучей. Поместив экран в том месте, где эти конусы света пересеклись, он неожиданно обнаружил, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один конус света. Исходя из проделанного опыта, Гримальди заключил, что «прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность».

Где-то в это же время, другой ученый, Роберт Гук, также наблюдал случай интерференции при изучении цвета мыльных пленок и тонких пластинок слюды. При этом он обнаружил, что если увеличивать или уменьшать толщину мыльной пленки или слюдяной пластины, то будут изменяться их цвета. Для истолкования наблюдаемого явления, Гук предположил, что свет — это какие-то колебательные движения, распространяющиеся в светоносном эфире.

Тогда, по предположению Гука, явление интерференции объяснялось довольно просто: световая волна, попадая на мыльную пленку, отражается от ее верхней и нижней поверхности и, попадая в глаза, производит ощущение различных цветов. Однако, из-за того, что Гук не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, он не смог разработать теорию интерференции. Хотя, толкования Роберта Гука содержат первый качественный (правда и слегка расплывчатый) вариант того, что сейчас мы называем интерференционным объяснением.

Следующим ученым, кто сделал важный шаг в исследовании интерференции, был Исаак Ньютон, исследовавший ее в тонких пленках. Естественно предположить, что количественные измерения в этой области трудны, так как приходится измерять очень малые толщины (порядка одной тысячной миллиметра). Ньютон обходит трудность этого измерения замечательным и, в тоже время, простым приемом. На плоскую стеклянную пластину он кладет плоско-выпуклую линзу от объектива телескопа, выпуклой стороной вниз. При этом, между нижней — плоской, и верхней — выпуклой, поверхностями образуется очень тонкий слой воздуха, который и обнаруживает пёстрые яркие цвета — цветные кольца в белом свете, или же чередование темных и светлых колец в случае монохроматического света.

Изюминка устройства в том, что, во-первых, толщина слоя в различных местах различна, и мы имеем целый набор слоев разной величины. Но главное это то, что расстояние от центра до данного места в несколько сот раз больше толщины слоя в данном месте. Иными словами, измеряя это расстояние, мы определяем толщину при помощи расчетов.

Как же Ньютон объяснял появление этих колец, которые сейчас называются кольцами Ньютона? Ньютон был приверженцем корпускулярной теории света, поэтому появление колец он пытался объяснить именно с позиции представления света как потока частиц: падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате видим систему светлых и темных колец.

Однако тут же возникал другой вопрос: почему же тогда на одних расстояниях от центра линзы свет отражается, а на других преломляется?

И на этот вопрос Ньютон ответил опираясь на корпускулярную теорию света: все дело в том, что в одних местах световые частицы испытывают «приступы легкого отражения», а в других – «приступы легкого преломления». Однако почему так происходит, ученый сказать не мог.

Объяснение кольцам Ньютона было дано в начале XIX века только на основе волновой теории света английским ученым Томасом Юнгом, который и ввел понятие «интерференция».

Согласно волновой теории света, эти кольца в отраженном свете возникают в результате того, что лучи света, отраженные от верхней и нижней поверхности воздушной прослойки, интерферируют друг с другом. Помимо этого, от толщины воздушной прослойки будет зависеть разность хода между этими двумя лучами. В частности, они могут либо усиливать друг друга, либо, наоборот, гасить. Поэтому, в первом случае наблюдается светлое кольцо, а во втором — темное.

Юнг также смог объяснить и другие случаи интерференции в тонких пленках, а также проделал специальный опытпо интерференции света. Этот опыт, который проводил еще Гримальди, в настоящее время известен как опыт Юнга. Остановимся на нем более подробно.

Юнг взял в качестве источника света ярко освещенную щель, от которой фронт волны падал на две другие узкие, равноудаленные щели, параллельные источнику. При этом, эти две щели становились источниками вторичных сферических когерентных волн — а это главное условие для наблюдения явления интерференции.

Напомним, что когерентными называются волны с одинаковой частотой, с постоянной разностью фаз, колебания векторов напряженности в которых происходят в одной плоскости.

В результате проделанного опыта Юнг получил не меняющуюся во времени картину, состоящую из чередующихся светлых и темных полос параллельных друг другу, названную им интерференционной картиной.

В настоящее время, под интерференцией света понимается явление сложения двух и более когерентных волн, приводящее к образованию в пространстве устойчивой картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности света.

Объясняется это следующим. При наложении двух когерентных световых волн в пространстве происходит перераспределение энергии по волновому фронту. Но среднее значение энергии во всех точках, конечно же равно сумме энергий, приносимых обеими волнами.

Как видно из формулы, амплитуда результирующего колебания световой волны зависит от разности фаз  и , которые, в свою очередь, зависят от геометрической разности хода.

Так вот, если эта разность хода будет равна целому числу длин волн, то колебания, возбуждаемые в некоторой точке обеими волнами, будут находиться в одинаковых фазах и, как следствие, усиливать друг друга. Полученную формулу называют условием интерференционного максимума.

Если же разность хода равна будет равна нечетному числу длин полуволн, то колебания, возбуждаемые в некоторой точке обеими волнами, будут находиться в противофазе и, как следствие, ослаблять друг друга. Эта формула носит название условие интерференционного минимума.

С помощью явления интерференции можно легко рассчитать длины волн, что и проделал Томас Юнг. Оказалось, что самая большая длина волны у красного цвета — 760 нм, а самая маленькая — 480 нм у фиолетового.

Таким образом, Юнг показал, что свету присущи волновые свойства, о чем и доложил на ученом заседании Лондонского королевского общества, а также опубликовал их в начале 19 века. Однако, несмотря на убедительность его работ, никто из ученых не хотел ее признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов на свет и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. А на это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался. На работы Юнга не просто не обратили внимания, а даже в печати появилась статья, содержащая грубые нападки на него.

Примерно в тоже время, независимо от Юнга, французский инженер Огюстен Френель также начал заниматься изучением явления интерференции и дифракции (о явлении дифракции света мы с вами поговорим на следующем уроке). Конечно же, он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в данном явлении доказательство того, что свет имеет волновую природу.

А началось все с того, что в 1817 году Академия наук Франции объявила конкурс на лучшую работу по исследованию световых явлений, и Френель решил поучаствовать в данном конкурсе. Он написал работу, в которой изложил результаты своих исследований, и направил ее в Академию наук в 1818 г. В частности, он точно описал поставленный опыт по интерференции света при прохождении через две соединенные вместе призмы (сейчас такую систему мы называем би-призмой Френеля).

Все работы, которые были представлены на конкурс, рассматривала специальная комиссия Академии наук. В ее составе находились крупнейшие ученые того времени —это Жан Франсуа Араго, Симеон Дени Пуассон, Жан Батист Био и Жозеф Луи Гей-Люссак. Все они придерживались ньютоновских взглядов на природу света. И естественно, что они очень недоверчиво отнеслись к работе молодого инженера Френеля. Однако совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хороши, что комиссия не могла отвергнуть работу и даже была вынуждена присудить ему премию.

Однако и это вовсе не значит, что волновая теория была признана правильной. Премия Френелю была дана лишь за метод расчета. Что же касалось непосредственно самих представлений, на основе которых был сделан расчет, то академики не согласились с ним. Они рассуждали примерно так: «Физические основы теории могут быть неверны, а результаты расчета правильны». А такие случаи история уже знала. Например, если пользоваться теорией Птолемея о строении Вселенной, то можно спокойно вести расчеты и получать правильные результаты положений небесных светил на небе, однако же, по существу она неверна.

Только к концу 19 века физика накопила достаточно много экспериментальных данных, свидетельствующих о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений, что позволило Джеймсу Максвеллу создать электромагнитную теорию поля и, как следствие из нее, показать, что свет — это все же электромагнитная волна, хоть и определенного оптического диапазона.

В настоящее время применения интерференции очень важны и обширны в мире. Существуют даже специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции света. Их назначения различны: от точных измерений длин световых волн до определения показателей преломления различных веществ.

Рассмотрим два, наиболее часто встречающихся применения интерференции — проверка качества обработки поверхностей и просветление оптики.

При проверке качества обработки поверхности изделий с помощью явления интерференции точность достигает одной десятой длины волны (что около 10^–6 см). Для этого создается очень тонкая клиновидная прослойка воздуха между поверхностью проверяемого изделия и очень гладкой эталонной пластины. Тогда, при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани, все неровности размером до десяти в минус шестой степени сантиметра вызовут заметные искажения интерференционных полос.

Но самый важный и наиболее частый способ применения интерференции — это просветление оптики. Возникает вопрос: зачем это нужно? Тогда ответим на два простых вопроса:

- видели ли вы стопку оконных стёкол?

- и видели ли объективы фотоаппаратов?

Если да, то вспомните, много ли видно сквозь пять–семь сложенных стёкол и какого цвета поверхность объектива?

Все дело в том, что лучи света, проходя из воздуха в стекло преломляются, но частично претерпевают и отражение (порядка 10%) от внешней поверхности и, порядка 5%, от внутренней, а потом ещё и ещё. На это отражение от каждой поверхности тратится значительная часть энергии, что делает непрозрачными и стопку стёкол и сложные оптические системы. Так, например, общие потери света в объективах современных фотоаппаратов потери составляют порядка 25%, а в микроскопах и того больше — около 50%.

Но если с обычными стёклами это не так страшно, то с оптикой надо что-то делать. Для этого и придумано просветление оптики.

Просветление оптики —это результат интерференции света, отражаемого от передних и задних границ просветляющих пленок, в результате чего происходит взаимное «гашение» отражённых световых волн и, следовательно, усиление интенсивности проходящего света.

Давайте разберёмся, как это работает. Для упрощения нашего понимания, рассмотрим ход луча, падающего на поверхность раздела под небольшим углом. А чтобы было еще проще, если вдруг понадобятся какие-то вычисления, то будем считать, что угол падения вообще равен нулю. Чтобы уменьшить световые потери, на поверхность оптического стекла наносят тончайшую пленку, абсолютный показатель преломления которой меньше, чем показатель преломления стекла. При отражении света от границ раздела воздух-пленка и пленка-стекло возникает интерференция когерентных волн. Толщину пленки и ее показатель преломления подбирают таким образом, чтобы интерферирующие волны гасили друг друга. В результате такого гашения отраженных волн происходит усиление волны, которая проходит в стекло.

Из-за того, что на поверхность стекла в основном падает белый свет, то гашение отраженных волн всех частот невозможно. Поэтому толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение имело место для волн средней части спектра (зеленый цвет). Гашение же красных и фиолетовых частей спектра происходит незначительно, в результате чего, например объектив с просветленной оптикой,в отраженном свете имеет сиреневатый оттенок.

Основные выводы:

– Интерференция света— это явление сложения двух и более когерентных волн, приводящее к образованию в пространстве устойчивой картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности света.

– Интерференции света доказывает его волновую природу.

– Вывели условия максимумов и минимумов интенсивности света.