Интерференция света. Электромагнитная природа света

Я видел сон: прохладный гаснул день,

От дома длинная ложилась тень,

Луна, взойдя на небе голубом,

Играла в стеклах радужным огнем.

Михаил Юрьевич Лермонтов

В данной теме речь пойдёт об интерференции света.

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

В 1802 году английский ученый Томас Юнг поставил опыт по сложению пучков света от двух источников. Опыт Юнга был достаточно прост. Он взял источник света, коим служила ярко освещенная щель, от которой фронт волны падает на две узкие равноудаленные щели, параллельные источнику. Эти две щели становились источником вторичных сферических когерентных волн. В результате проведенного опыта Юнг получил не меняющуюся во времени картину, состоящую из чередующихся светлых и темных полос. Он смог дать правильное толкование результатов опыта, объяснив возникновение полос интерференцией света.

Ранее рассматривалась интерференция звуковых волн. Напомним, в чем заключается это явление. При наложении двух когерентных волн (т. е. волн с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз) образуется так называемая интерференционная картина, т. е. не меняющаяся со временем картина распределения амплитуд колебаний в пространстве. Это значит, что в одних точках пространства колебания всегда происходят с максимальной амплитудой. Это те точки, в которые колебания от обоих источников в любой момент времени приходят в одинаковых фазах и поэтому всегда усиливают друг друга.

В других точках колебания происходят с минимальной амплитудой. Эти точки расположены по отношению к источникам так, что к ним колебания всегда приходят в противоположных фазах, ослабляя друг друга (а при равных амплитудах колебаний волны в любой момент времени полностью гасят друг друга).

Поскольку явление интерференции присуще только волновым (т. е. периодическим) процессам, то опыт Юнга явился неопровержимым доказательством того, что свет обладает волновыми свойствами. Юнг не только доказал, что свет — это волна, но и измерил длину световой волны.

Оказалось, что свету разных цветов соответствуют разные интервалы длин волн. Самые большие значения длин волн у красного света: от 760 нм до 620 нм.

Поскольку частота колебаний в волне обратно пропорциональна длине волны, то красному цвету соответствуют наименьшие по сравнению с другими цветами частоты.

Длины волн убывают (а частоты возрастают) в следующей последовательности цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Существует мнемоническая фраза, используемая для запоминания основных цветов видимого спектра светового излучения. В этой фразе начальная буква каждого слова соответствует начальной букве названия определённого цвета:

Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан.

Таким образом, в начале XIX в. опытным путем была подтверждена справедливость волновых взглядов на природу света. В то время ни о каких волнах, кроме механических, ученые еще не знали. Поэтому считали, что свет, подобно звуку, представляет собой механическую упругую волну.

Известно, что упругие волны могут возникать только в веществе, поскольку именно частицы вещества совершают упругие колебания, распространяющиеся в пространстве. Значит, если свет — это упругая волна, то для его распространения нужна среда.

Однако свет от звезд доходит до нас через такие области космического пространства, где нет вещества. Учитывая этот факт, сторонники волновых воззрений на природу света выдвинули гипотезу о том, что все мировое пространство заполнено некой невидимой упругой средой, которую они назвали светоносным эфиром. Считалось, что именно в этом эфире и распространяется свет.

В то же время предположение о существовании светоносного эфира порождало много противоречий и спорных вопросов. Так, например, в конце второго десятилетия XIX века было выяснено, что свет является поперечной волной. Известно, что упругие поперечные волны могут возникать только в твердых телах. Получалось, что светоносный эфир представляет собой твердое тело.

В связи с этим возникал вопрос о том, как планеты и другие небесные тела могут двигаться сквозь твердый эфир, не испытывая при этом никакого сопротивления?

Только к концу 19 века физика накопила достаточно много экспериментальных данных, свидетельствующих о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений. Это позволило в 70-х годах 19 века Джеймсу Максвеллу создать электромагнитную теорию поля. Он доказал, что в природе должны существовать электромагнитные волны. Максвелл рассчитал скорость распространения электромагнитных волн в вакууме и среде. Совпадение значения скорости распространения электромагнитных волн со скоростью света привело Максвелла к мысли о том, что свет — это электромагнитные волны. Окончательно электромагнитная теория утвердилась после обнаружения Петром Николаевичем Лебедевым давления света на тела, расположенные на пути его распространения.

Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света. Согласно этой теории свет — это электромагнитная волна определенного оптического диапазона, с частотой от трёх на десять в девятой до трёх на десять в девятнадцатой степени Герц.

В то же время по мере развития физики к концу XIX в. был открыт целый ряд экспериментальных фактов, которые можно было объяснить только на основе корпускулярных представлений о свете, т. е. рассматривая его как поток частиц.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Причем энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:

Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка.

В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул идею о том, что электромагнитные волны можно рассматривать как поток квантов излучения.

В настоящее время квант электромагнитного излучения называют также фотоном. Фотон (от греческого photos — свет) — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

Таким образом, при распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом — корпускулярные.

В 1927 году немецкий физик Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности: для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света: они взаимно дополняют друг друга.

Однако для объяснения какого-либо эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно.

Поэтому в настоящее время признана справедливой как волновая, так и корпускулярная теория. Обе эти теории, дополняют друг друга.

Основные выводы:

– Интерференция света — это наложение световых когерентных волн, в результате которого наблюдается устойчивая во времени картина чередования максимумов и минимумов интенсивности света.

– Свет — это электромагнитная волна определенного оптического диапазона, с частотой от 3· 10⁹ до 3 · 10¹⁹ Герц.

– Фотон — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения.

– Принцип дополнительности Нильса Бора гласит, что для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света: они взаимно дополняют друг друга.

– Однако следует помнить, что для объяснения какого-либо эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления о природе света, но не те и другие одновременно.