3.9.4. Интерференция света

Напомним, что интерференция волн происходит только при взаимодействии когерентных колебаний. Результаты интерференции определяются разностью фаз взаимодействующих волн в месте наблюдения или разностью хода этих волн. Если разность хода двух волн равна четному числу полуволн, то амплитуда при интерференции волн достигает максимального значения. Если разность хода равна нечетному числу полуволн, амплитуда принимает минимальное значение. При этом следует учитывать, что закон сохранения энергии, безусловно, выполняется, а при интерференции волн происходит перераспределение энергии в пространстве. В качестве примера рассмотрим кратко интерференцию света на тонких пленках.

Рис, 5

Представим себе очень тонкую плоскопараллельную пленку (рис. 5)., на которую падает параллельный пучок света (плоская волна).

Рассмотрим интерференционную картину в отраженном свете. Лучи, идущие в направлении 1 и 2, интерферируют, так как

когерентны. ОС - фронт волны — геометрическое место точек с одинаковой фазой колебания. Оптическая длина пути: . Выражая отрезкиООи OC через толщину пленки d и угол преломления i, а также учтем тот факт, что при отражении света в точке Опроисходит потеря полуволны, приведем в окончательном виде условия интерференции:

где К = 0, 1,2,3,... (К - порядок интерференции).

Если интерференционная картина образуется в проходящем свете, то условия максимума и минимума будут записаны наоборот, что согласуется с законом сохранения энергии.

Интерференция наблюдается на масляных и скипидарных пленках на поверхности воды. Интересные картины получаются и на поверхности металлических стружек, получивших название цветов побежалости, которые грубо могут характеризовать температуру среза детали при обработке ее на станке. Анализ выражения для оптической разности хода лучей при интерференции на тонких пленках позволяет сделать заключение, что = 2n₂ • d • cos i₂ зависит от d и i₂. Поэтому интерференционная картина может быть обусловлена изменением толщины пленки, получившая название интерференционных полос равной толщины (оптический клин, кольца Ньютона) и изменением угла падения (преломления) света, называемая интерференцией полос равного наклона.

Явление интерференции в тонких пленках используют для улучшения качества оптических приборов. Оптические стекла (линзы) с применением пленки, в результате чего световой поток, проходящий через прибор в приемник света (глаз, фотопленка, фотоэлементы), не уменьшается за счет отражения, называются просветленными.

Приборы, в которых для измерения каких-либо величин используется явление интерференции, называются интерферо­метрами. Интерферометры используются для контроля чистоты обработки металлических поверхностей высокого класса точности, для измерения коэффициентов преломления, близких к единице, для целей спектрального анализа, в научных и других целях.

3.9.5. Дифракция и рассеивание света

Дифракцией света называется отклонение лучей света от прямолинейного распространения и загибание в область геометрической тени на краях препятствий или на препятствиях, соизмеримых с длиною световых волн.

Наиболее интересными и имеющими практическое значение являются приспособления, называемые дифракционными решетками. Под дифракционной решеткой подразумевают систему параллельных щелей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Простейшая дифракционная решетка представляет собой пластинку, на которой чередуются узкие прозрачные и непрозрачные полоски, параллельные между собой.

Сумма ширины прозрачной (отражающей) и непрозрачной (рассеивающей) полосок называется периодом решетки и обозначается d.

Аналитическое выражение для максимумов дифракционной решетки имеет вид:

d sin ,

где т — порядок спектра, равный целому числу. Из приведенного выражения видим, что положение максимумов зависит от длины волны, а это указывает на то, что дифракционная решетка является спектральным прибором и применяется для определения химического состава вещества.

Если плоская световая волна будет распространяться в объемной среде, в которой имеются неоднородные участки, то возникнут дифракционные явления - отклонения света от первоначального направления. Так, например, дифракция на капельках дождя ведет к образованию радуги. Дифракция на ледяных кристаллах вызывает появление кругов вокруг Солнца, дифракция на капельках тумана -появление венцов вокруг Луны. Дифракцию электромагнитных волн, более коротких, чем волны видимого света, можно наблюдать на кристаллической решетке вещества. Условие дифракционных максимумов для этого случая записывается:

2d sin ,

где К = 1, 2, 3,... — порядок интерференции, - угол скольжения. Это выражение называется формулой Вульфа-Брегга и используется для описания дифракции в рентгеновских лучах.

На основе дифракции рентгеновских лучей разработаны методики рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов кристаллических веществ.

Изменение направления распространения света в веществе может происходить и при рассеивании света из-за взаимодействия света и частиц вещества. Опыт показывает, что физической причиной явления рассеяния света является оптическая неоднородность среды, коэффициент преломления которой беспорядочно меняется от точки в точке. Среды с явно выраженной оптической неоднородностью носят название мутных сред (дым, туман, перламутр, молочные стекла).

Интенсивность рассеянного света в большинстве случаев можно определить по формуле Релея: , где- интенсивность падающего света, — длина волны. Данная зависимость позволяет объяснить голубой цвет неба и красную окраску заката.