Физика / ЛЕКЦИИ_2-ой_семестр / 5_Теория Максвелла_Ядро / ЛК_15-Интерференция_дифракция-упрощение

4

Тема 6. Интерференция. Дифракция.

Лекция № 15.

*) Справочный материал. Историческое развитие представлений о природе

света, как об электромагнитных волнах.

1. Физическая сущность интерференции.

2. Физическая сущность дифракции.

3.Дифракция Фраунгофера.

*) Справочный материал. Историческое развитие представлений о природе

света, как об электромагнитных волнах.

К началу XVIII в. существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.

Эксперименталь­ное доказательство справедливости волновой теории было получено в 1851 г., когда Э. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение, соответствующее предсказанию воновой теорией.

К началу XIX столетия корпускулярная теория была полностью отвергнута и восторжествовала волновая теория.

Далее, наука о свете накапливала экспериментальные данные, свидетельствующие о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений, что позволило лорду Джеймсу Кларку Максвеллу в 70-х годах прошлого столетия создать электромагнитную теорию света.

Согласно электромагнитной теории Максвелла, где с и v — соответственно скорости распространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью  и магнитной проницаемостью .

В своём развитии теория Лоренца ввела представле­ние об электронах, колеблющихся внутри атома. Но несмотря на огромные успехи электромагнитной теории Максвелла и электронной теории Лоренца, их применение сопровождалось с рядом затруднений для описания некоторых экспериментов.

Возникшие затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе (1900г.) немецкого физика Макса Планка, согласно которой излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой :

(1)

где h — постоянная Планка.

В 1905г. великий Альберт Эйнштейн . создал квантовую теорию света, согласно которой не только излучение света, но и его распространение происходит в виде потока световых квантов — фотонов, энергия которых определяется соотношением (1), а масса равна

(2)

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия света с веществом.

1. Физическая сущность интерференции.

Необходимым условием интерференции волн является их когерентность.

Определение 1.

Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Две волны называются когерентными, если разность их фаз не зависит от времени.

Этому условию удовлетворяют монохроматические волны.

Определение 2.

Монохроматическая волна — это волна с одной определенной и строго постоянной частотой.

Предположим, что две монохроматические (одночастотные!) световые волны, накладываясь друг на друга, возбуждают в определенной точке пространства колебания одинакового направ­ления.

Их взаимное наложение показывают, что интенсивность – I результирующей волны как для Е, так и для Н будет равна:

(1)

где I₁ и I₂ – интенсивности исходных световых волн.

В точках пространства, где cos(₂—₁)>0, интенсивность I>I₁+I₂, то есть, возрастает, а где cos(₂—₁)<0, интенсивность I<I₁+I₂, то есть, падает..

Следовательно, при наложении двух (или нескольких) коге­рентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других — мини­мумы интенсивности.

Определение 3.

Явление возникновения пространственных экстремумов (максимумов и минимумов!) интенсивности называется интерференцией света.

2. Физическая сущность дифракции.

Определение 1.

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле — любое отклонение распространения волн вблизи препятст­вий от законов геометрической оптики.

Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса, соглас­но которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране.

Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн

(в однородной изотропной среде они сферические).

Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента време­ни, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

Явление дифракции характерно для волновых процессов. Но если свет являет­ся волновым процессом, то для него должна наблюдаться дифракция, т. е. световая волна, падающая на границу какого-либо непрозрачного тела, должна огибать его (проникать в область геометрической тени). Но из опыта, однако, известно, что предметы, освещаемые светом, идущим от точечного источника, дают резкую тень и, следовате­льно, лучи не отклоняются от их прямолинейного распространения.

Дифракция для световых лучей существенно ослаблена!

К сожалению, теория Гюйгенса не могла объяснить этот факт.

Этот факт объяснил Френель, который дополнил принцип Гюйгенса и в новой формулировке принцип Гюйгенса получил название принципа Гюйгенса-Френеля.

3.Дифракция Фраунгофера .

Немецкий физик И. Фраунгофер (1787—1826) рассмотрел дифракцию плоских световых волн, или дифракцию в параллельных лучах.

Определение 1.

Дифракция Фраунгофера – явление, наблюдаемое когда источник света и точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию.

Рассмотрим дифракцию Фраунгофера от бесконечно длинной и узкой щели (для этого практически достаточно, чтобы длина щели была значительно больше ее ширины).

Пусть плоская монохроматическая световая волна падает нормально плоскости щели.

На экране Э будут наблюдаться, так называемые, дифракицонные максимумы и минимумы. Этот факт иллюстрируется графическим распределением интенсивности дифрагированного излучения.

Интересно именно появление дифракционных экстремумов, падает плоская монохроматическая волна!

Определение 2.

Распределение интенсивности на экране, полу­чаемое вследствие дифракции, называется дифракционным спектром.

Определение 3.

Система параллельных щелей рав­ной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непроз­рачными промежутками, называется одномерной дифракционной решёткой.

Дифракционная картина на решетке из щелей определяется как результат взаимной ин­терференции волн, идущих от каждой из них.

Чем больше щелей N, тем большее количество световой энергии пройдет через решетку, тем больше минимумов образуется между соседними главными максимума­ми, тем, следовательно, более интенсивными и более острыми будут максимумы.

На графике ниже представлена качественная дифракционная картина от восьми щелей.