Інтерференція світла

Упродовж багатьох століть, аж до XVII, існували уявлення, що світло є нічим іншим, як потоком окремих частинок – так званих корпускул. І хоча явища дифракції та інтерференції спостерігав ще Ньютон, загальноприйнятою була точка зору про корпускулярну природу світла.

Інтерференція – одне з яскравих проявів хвильової природи світла. Це цікаве й красиве явище спостерігається при накладенні двох або декількох світлових пучків. 

Інтенсивність світла в області перекривання пучків має вигляд світлих і темних смуг, що чергуються, причому в максимумах інтенсивність більше, а в мінімумах менше суми інтенсивностей пучків.

При використанні білого світла інтерференційні смуги виявляються пофарбованими в різні кольори спектра. З інтерференційними явищами ми зустрічаємося досить часто: кольори масляних плям на асфальті, фарбування замерзаючих шибок, вигадливі кольорові малюнки на крилах деяких метеликів і жуків – усе це прояв інтерференції світла.

Вперше явище інтерференції було незалежно виявлено Робертом Бойлем (1627—1691) і Робертом Гуком (1635—1703).

Вони спостерігали виникнення різнобарвного забарвлення тонких плівок (інтерференційних смуг), подібних до олійних або бензинових плям на поверхні води. У 1801 році Томас Юнг (1773-1829) першим пояснив явище інтерференції світла, запропонував термін «інтерференція» (1803) і пояснив «барвистість» тонких плівок. Він також виконав перший демонстраційний експеримент зі спостереження інтерференції світла, отримавши інтерференцію від двох щілинних джерел світла (1802). Пізніше цей дослід Юнга став класичним.

Інтерференція – явище накладання хвиль, унаслідок якого в деяких точках простору спостерігається стійке в часі посилення (або послаблення) результуючих коливань.

При поширенні світлової хвилі в кожній точці простору, де поширюється хвиля, відбувається періодична зміна напруженості та магнітної індукції електромагнітного поля.

Якщо через деяку точку простору поширюються дві світлові хвилі, то напруженості полів векторно додаються (так само додаються і вектори магнітної індукції). Результуюча напруженість характеризуватиме світлову енергію, що надходить у дану точку: чим більша напруженість, тим більшою є енергія, що надходить.

У випадку коли напрямки напруженостей полів двох світлових хвиль, що приходять у дану точку, збігаються, результуюча напруженість збільшується і в точці спостерігається максимальне збільшення освітленості. І навпаки, коли напруженості полів напрямлені протилежно, результуюча напруженість зменшується («світло гаситиметься світлом»).

Під час інтерференції енергія не зникає – відбувається її перерозподіл у просторі.

Щоб у певних точках простору весь час могло відбуватися посилення або послаблення результуючих коливань, необхідне виконання двох умов, які називають умовами когерентності хвиль:

1) хвилі повинні мати однакову частоту (відповідно й довжину);

2) різниця  початкових фаз хвиль має бути незмінною (хвилі, що накладаються, повинні мати незмінний у часі зсув фаз).

Когерентні хвилі – це хвилі, які відповідають умовам когерентності.

Інтерференція може виникнути тільки при додаванні когерентних коливань.

Перейдіть за посиланням, оберіть вкладку Інтерференція, увімкніть екран

https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-interference/latest/wave-interference_uk.html

Змінюйте частоту , амплітуду та відстань, спостерігайте інтерференційну картину

2. Умови інтерференційних максимуму та мінімуму.

Перший експеримент по спостереженню інтерференції світла в лабораторних умовах належить І. Ньютону. Він спостерігав інтерференційну картину, що виникає при відбитті світла в тонкому повітряному прошарку між плоскою скляною пластиною й плоскоопуклою лінзою великого радіуса кривизни. Інтерференційна картина мала вигляд концентричних кілець, що одержали назву кілець Ньютона.

Ньютон не зміг з погляду корпускулярної теорії пояснити, чому виникають кільця, однак він розумів, що це пов'язане з якоюсь періодичністю світлових процесів.

Розглянемо дві когерентні світлові хвилі, які виходять із джерел S₁ і S₂  в однакових фазах, поширюються в однорідному середовищі та надходять у точку V , розташовану на відстані d₁ від джерела S₁ і на відстані  d₂ від джерела S₂. 

∆d– геометрична різниця ходу хвиль

∆d=d₁-d₂

Умова інтерференційного максимуму:

Коли хвилі надходять у точку  в однаковій фазі, то в точці  увесь час спостерігаються коливання зі збільшеною амплітудою – інтерференційний максимум. Це відбудеться за умови, що на відрізку ∆d укладатиметься будь-яке ціле число довжин хвиль (парне число пів-хвиль)

Умова інтерференційного мінімуму:

Коли хвилі надходять у точку М у протилежних фазах, вони гаситимуть одна одну у точці М спостерігається інтерференційний мінімум. Це відбудеться за умови, що на відрізку ∆d укладатиметься непарне число півхвиль.

3. Спостереження інтерференції світла

Спостерігати інтерференційну картину від двох незалежних джерел світла (за винятком лазерів) неможливо.

Першим інтерференційним дослідом, що одержав пояснення на основі хвильової теорії світла, з'явився дослід Юнга (1802 р.). 

Для одержання когерентних хвиль Томас Юнг використав дві вузькі щілини (S₁, S₂), які були розташовані на відстані 1 мм одна від одної і на які потрапляло світло від одного джерела. Джерелом слугувала ще одна щілина – S . Відповідно до принципу Гюйґенса кожна щілина (S₁ і S₂) після потрапляння світла ставала джерелом вторинних хвиль. Ці хвилі були когерентні, оскільки насправді надходили від одного джерела S і мали певну різницю ходу  ∆d (йшли до екрана, розташованого на відстані 3 м, різними шляхами). Якщо для якоїсь точки екрана різниця ходу ∆d дорівнювала парному числу півхвиль, то в цій точці спостерігався максимум освітленості, якщо непарному – мінімум освітленості. Тобто Юнг спостерігав на екрані інтерференційну картину: чергування світлих і темних смуг у випадку монохроматичного світла та чергування райдужних смуг у випадку білого світла.

4. Інтерференція на тонких плівках

Із проявами інтерференції світла ми часто зустрічаємось, спостерігаючи освітлення тонкої прозорої плівки. Світлова хвиля частково відбивається від зовнішньої поверхні плівки (хвиля 1), частково проходить через плівку і, відбившись від її внутрішньої поверхні, повертається в повітря (хвиля 2). Оскільки хвиля 2 проходить більшу відстань, ніж хвиля 1, між ними існує різниця ходу.

Обидві хвилі когерентні, адже створені одним джерелом, тому в результаті їх накладання спостерігається стійка інтерференційна картина. Якщо хвиля 2 відстає від хвилі 1 на парне число півхвиль, то спостерігається посилення світла (інтерференційний максимум), якщо на непарне – послаблення світла (інтерференційний мінімум). 

Саме інтерференцією світла зумовлений колір багатьох комах.

Біле світло поліхроматичне (складається з хвиль різної довжини), тому для посилення світлового випромінювання різного кольору потрібна різна товщина плівки: якщо плівка різної товщини освітлюється білим світлом, то вона виявляється райдужно забарвленою (райдужні мильні бульбашки, райдужна масляна плівка на поверхні води). Крім того, різниця ходу хвиль залежить від кута падіння світла на плівку (зі збільшенням кута падіння різниця ходу збільшується), тому тонкі плівки переливаються – змінюють колір, коли змінюється кут, під яким ми дивимося на плівку.

Ще приклади інтерференції навколо нас

5. Застосування інтерференції.

Застосування інтерференції є дуже великим і важливим. Інтерференція має найширше застосування для вимірювання довжини хвилі випромінювання, показників заломлення і дисперсійних властивостей речовини, для вимірювання кутів, лінійних розмірів деталей в довжині світлової хвилі. 

Інтерференцію на тонких плівках застосовують для просвітлення оптики (збільшення прозорості деталей оптичних систем). Цей метод був відкритий українським фізиком Олександром Теодоровичем Смакулою (1900-1983) у 1935 р.

За допомогою інтерференції оцінюють якість шліфування поверхні виробу. Для цього між поверхнею зразка і дуже гладенькою еталонною пластиною створюють повітряний прошарок. У разі освітлення пластин монохроматичним світлом на тонкому повітряному клині між зразком і пластиною утворюється інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг. Якість шліфування визначають за формою смуг: наявність нерівності навіть порядку 10-8 м спричиняє викривлення інтерференційних смуг.