Инетфенция света

П Л А Н:

Введение 2

Объяснение явления  интерференции 3

Развитие  волновой теории света 4

Исследования  Френеля по интерференции и дифракции  света 6

Интерферометры 8

Литература 14

Введение

Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Простой опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключается в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.

Другой случай интерференции  примерно в те же годы исследовал английский физик Роберт Гук (1635 – 1703). Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки.

Гук подошел к изучению этих явлений с правильной точки  зрения. Он полагал, что свет – это  колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти  колебания являются поперечными.

Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, и поэтому не смог разработать теорию интерференции. Толкование Гука содержит первый, правда, чисто качественный и расплывчатый вариант того, что мы сейчас называем интерференционным объяснением. Но никто, в том числе и Гук, не смог разобраться в этом явлении. Дело в том, что наблюдения делали в белом свете, и тут явления слишком многообразны и сложны.

В своем реферате я  покажу хронологию изучения явления  интерференции света, а также постараюсь раскрыть его сущность с различных точек зрения.

Объяснение явления интерференции

После открытия явления  интерференции света его практически  сразу же начали изучать. Исаак Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках.

Количественные исследования в этой области трудны, так как  толщина споев – порядка 1/1000 мм. Нужно измерять такие малые толщины. Соответственных устройств для  этого тогда небыло. Ньютон обходит  трудность этого измерения замечательным приемом. На плоскую стеклянную поверхность он кладет выпуклой стороной плоско-выпуклую линзу - объектив телескопа с очень большим радиусом кривизны (рис. 1). Тогда между нижней плоской и верхней выпуклой поверхностями образуется чрезвычайно тонкий слой воздуха, обнаруживающий пестрые яркие цвета; цветные кольца в белом свете и чередование одноцветных светлых и темных колец - в однородном.

Гвоздь устройства в  том, что, во-первых, толщина слоя различна в различных местах, т. е. мы имеем  здесь как бы набор слоев различной величины, а главное, геометрия здесь такова, что расстояние от центра до данного места значительно, в несколько сот раз больше толщины слоя в этом месте. Измеряя это расстояние, мы определяем толщину, которая по малости не поддается непосредственному измерению, уже при помощи расчета. Вот результат - основной результат Ньютона. Слой воздуха не отражает, если его толщина h равна некоторой величине d или кратному d: h = d, 2d, 3d и т. д. Это уже замечательное явление. Если отставить нижнюю поверхность, то отражение получается; при присоединении второй поверхности это отражение, как этим опытом показал Ньютон, пропадает. Наоборот, слой сильно отражает, если толщина его равна h = 1/2 d, 3/2 d, 5/2 d и т. д.

Ньютон экспериментально определил эту толщину d, для цвета на границе между красным и желтым она оказалась равной 1/89000 дюйма.

Рис. 1 Установка  Ньютона для изучения явления  интерференции

Как можно объяснить  появление этих колец (называемых кольцами Ньютона) с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темных колец.

Но почему же на одних  расстояниях от центра линзы свет отражается, а на других преломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи (световые частицы) испытывают «приступы легкого отражения», а в других – «приступы легкого преломления». Но почему это происходит, ученый не мог сказать.

Объяснение кольцам  Ньютона было дано в начале XIX в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. Но об этом будет сказано  позже. После Ньютона корпускулярная теории света становится общепризнанной. В течение всего XVIII в. ее придерживались почти все физики.

Развитие волновой теории света

Как уже  было сказано  выше, после работ Ньютона среди  ученых держалось твердое убеждение  в справедливости корпускулярной теории света. Однако все же и в XVIII в. были ученые, которые возражали против этой теории. Из крупных ученых можно назвать русских академиков М. В. Ломоносова и Л. Эйлера.

Ломоносов считал, что  свет – это распространяющееся колебательное  движение частиц эфира, т. е. неощутимой среды, заполняющей все мировое  пространство и пронизывающей поры весомых тел.

Против корпускулярной теории света, по Ломоносову, говорит  то обстоятельство, что световые лучи, проходя через прозрачное тело с  разных сторон, не мешают друг другу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить  тысячи свечей, так что тысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет – это поток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобно волнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь, световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу.

Из изложенного видно, что Ломоносов уже подходил к  пониманию явления интерференции.

Эйлер, так же как и  Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он уже отчетливо представлял свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этом Эйлер впервые высказал идею о том что цвет определяется частотой колебаний в световой волне.

Однако ни Ломоносов, ни Эйлер не смогли привлечь ученых на сторону волновой теории света.

В конце XVIII в. оптическими  исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг (1773 – 1829). Он пришел к важной идее, что кольца Ньютона  очень просто можно объяснить  с точки зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. 0н же впервые и ввел название «интерференция» (от латинских слов inter – взаимно и ferio – ударяю).

Весьма вероятно, что  интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: «Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью и попадает в узкий канал, выходящий из озера. представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в капал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю законом интерференции света».

Юнг, используя явление  интерференции, объяснил появление  колец Ньютона. Эти кольца в отраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором – темное.

Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться  цветные кольца. По расположению колец  для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих  цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данные Ньютона, которые были достаточно точными.

Юнг объяснил и другие случаи интерференции в тонких пластинках, а также проделал специальный  опыт по интерференции света. Этот опыт, который, как мы говорили, проводил еще Гримальди, известен под названием опыта Юнга.

В данном опыте наблюдается  не только явление интерференции, но и явление дифракции света. Если закрыть одно отверстие пальцем, то на экране видны дифракционные кольца, образованные в результате прохождения света через малое отверстие.

Результаты своих исследований по оптике Юнг доложил на ученом заседании Лондонского королевского общества, а также опубликовал  их в начале XIX в. Но, несмотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался.

На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него. Корпускулярная теория света по-прежнему казалась непоколебимой.

Исследования  Френеля по интерференции и дифракции  света

Французский инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, Огюстен Френепь (1788 – 1827) начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 г. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.

В 1817 г. Академия наук Франции объявила конкурс на лучшую работу по дифракции света. Френель решил участвовать в этом конкурсе. Он написал работу, в которой изложил результаты своих исследований, и направил ее в Академию наук в 1818 г. В этой работе Френель изложил ряд случаев интерференции света, которые он исследовал. В частности, он описал опыт по интерференции света при прохождении через две соединенные вместе призмы (так называемая бипризма Френеля).

Опыт Френеля ясно показывает случай интерференции от двух источников света. С помощью этого опыта Френель подсчитал длину волны для красного света. При этом она получилась равной длине волны для красного света, определенной из других опытов.

Основное же внимание в своей  работе Френель уделил опытам по дифракции  света, для которой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась на усовершенствованном принципе Гюйгенса, который в последующем стал называться принципом Гюйгенса – Френеля.

По Гюйгенсу, как мы видели выше, волновую поверхность в данный момент времени t можно рассматривать как огибающую всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t₀.

По Френелю, значение амплитуды  световой волны в какой-либо точке  пространства в момент времени t можно рассматривать как результат интерференции всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t₀.

Френель, используя этот принцип, исследовал разные случаи дифракции и рассчитал  расположение полос для этих случаев.

Так, он рассмотрел прохождение света  через маленькое отверстие и  определил, какая картина должна быть видна на экране, поставленном за этим отверстием. По его расчетам, получалось, что на экране будут  видны темные и светлые кольца, если свет монохроматический. При этом Френель вычислил радиусы этих колец в зависимости от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия и расстояния отверстия до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.

Френель описал и другие случаи дифракции света от различных экранов и рассчитал расположение дифракционных полос, исходя из волновой теории. При этом все расчеты Френеля совпадали с результатами, наблюдаемыми на опыте.

Работы, представленные на конкурс, рассматривала  специальная комиссия Академии наук. В ее составе были крупнейшие ученые того времени: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. Все они держались ньютоновских взглядов на природу света. Естественно, что они недоверчиво отнеслись к работе Френеля. Однако совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что комиссия не могла отвергнуть работу Френеля и была вынуждена присудить ему премию.

При этом произошел интересный случай. Рассматривая расчеты Френеля, член комиссии Пуассон заметил, что они  приводят к парадоксальному результату: согласно Френелю получалось, что в центре тени от круглого экрана должно быть светлое пятно. Однако этого до сих пор никто не наблюдал. Из теории Френеля следовало, что это светлое пятно будет заметно только в том случае, если радиус круглого экрана будет малым. Проделанный опыт подтвердил предсказание теории Френеля, что произвело  большое впечатление на членов комиссии.

Итак, комиссия Академии наук присудила премию Френелю за его работу по оптике. Однако это  вовсе не значит, что волновая теория была признана правильной. Премия ученому была дана за метод расчета. Что же касалось самих представлений, на основе которых был сделан расчет, т.е. представлений о волновой природе света, то академики, рассматривающие работу Френеля, не согласились с ним.

Они рассуждали примерно так: физические основы теории могут  быть неверны, а результаты расчета  правильны. Такие случаи история  знала. Например, пользуясь теорией  Птолемея о строении Вселенной, можно  вести расчеты и получать правильные результаты положений небесных светил на небе, однако по существу она неверна.

Нужно сказать в защиту академиков, что, несмотря на блестящие  результаты, полученные Френелем, в  его теории был определенный изъян. Дело в том, что, кроме интерференции  и дифракции, физики уже исследовали поляризацию света. Но теория Френеля вопросов поляризации света не касалась. Более того, казалось, что она не в состоянии их объяснить.

Интерферометры

ИНТЕРФЕРОМЕТР - прибор, основанный на явлении интерференции волн. В соответствии с природой волн существуют интерферометры акустические для звуковых волн и И. для эл--магн. волн. К последним относятся оптич. И. и радиоинтерферометр .В данной статье рассматриваются оптич. И., к-рые получили наиб, распространение как приборы для измерения длин волн спектральных линий и их структуры; для измерения показателей преломления прозрачных сред; в метрологии для абс. и относит, измерений длин и перемещений тел, измерения угл. размеров звёзд (Интерферометр звёздный; )для контроля формы, микрорельефа и деформации поверхностей оптич. деталей и чистоты металлич. поверхностей и пр. Применение в И. в качестве источников света одночастотных лазеров позволило существенно улучшить и автоматизировать технику интерферометрич. измерений, повысить точность измерения. В лазерных И. производится фотоэлектрич. регистрацияразности хода, выраженной непосредственно в длинах волн. Созданы голографич. И. (Голографическая интерферометрия ),позволяющие регистрировать небольшие изменения в форме поверхности или предмета, возникающие в результате тех или иных деформаций. В основе И. лежит пространственное разделение пучка света с помощью того или иного устройства с целью получения двух или более взаимно когерентных лучей, к-рые проходят разл. оптич. пути, а затем сводятся вместе и наблюдается результат их интерференции. Вид интерференц. картины зависит от способа разделения пучка света на взаимно когерентныелучи, от их числа, их относит, интенсивности, размеров источника, спектрального состава света. Многолучевые И. используются гл. обр. как спектрометры высокой разрешающей силы для исследования тонкой структуры спектральных линий и определения их формы, а двухлучевые И. являются в основном техн. приборами. Рассмотрим принцип действия двухлучевого И. Если один луч проходит геом. путь l₁ в среде с показателем преломления n₁, а другой - путь l₂ в среде с n₂, то оптич. разность хода лучей D=l₁n₁-l₂n₂+d определяет результат интерференции. Здесь d - изменение фазы на границах раздела сред. Интенсивность света в данной точке образующейся интерференц. картины при равных амплитудах Аинтерферирующих лучей изменяется в зависимости от величины D по закону: I==4A²соs²(pD/l). При D, равной целому числу длин волн l (D=ml), интенсивность имеет макс, значение - максимум интерференц. полосы (m - порядок интерференции). Разл. m соответствуют полосы разного порядка. Любое изменение величин l, n и l, входящих в выражение для D=ml, приводит к смещению интерференц. полос. Измеряя величину смещения полос при постоянных l и l, определяют величину изменения n интерференц. рефрактометрами Рэлея и Жамена (см.Интерферометр Рэлея, Интерферометр Жамена). Если известны l и n, то по смещению полос можно измерить геом. длины, для чего служат интерференционные компараторы. Т. к. интерференц. картина смещается заметно даже при небольших изменениях разности хода D~0,1l, точность измерения с помощью И. очень высока (поскольку l@0,5 мкм). При использовании источника монохроматич. света в поле зрения И. наблюдается большое число светлых и тёмных неотличимых друг от друга интерференционных полос разл. порядков. Изменение разности хода D (за счёт изменения l или n)приводит к смещению полос в поле зрения. В этом случае измерение возникшей разности хода сводится к счёту числа полос, прошедших через перекрестие в поле зрения, что производится визуально (при непрерывном изменении D) или фотоэлектрич. методами. В ряде И. (напр., интерферометрах Жамена и Рэлея) используется источник бе того света (лампа накаливания), при к-ром в поле зрения наблюдается лишь небольшое число (8-10) цветных полос низкого порядка, симметрично расположенных относительно центральной ахроматич. (белой) полосы нулевого порядка. При изменении разности хода D вся группа полос смещается в поле зрения и измерение разности хода обычно производится с помощью спец. оптич. компенсаторов, к-рые позволяют внести в интерферирующие пучки дополнительную - компенсирующую разность хода, возвращая белую полосу на перекрестие в поле зрения. Величина измерений непосредственно определяется с помощью отсчётного устройства компенсатора. Точность в определении n при этом достигает до 2.10^-8 .  
  
Рис. 1. Схема интерферометра Физо (для наглядности угол a и размеры дефектов увеличены).

Методы, с помощью к-рых в И. могут быть получены когерентные  пучки, весьма разнообразны, и потому существует большое число разл. конструкций И., обычно приспособленных к измерению к--л. одной величины (l, n или l). По методу получения когерентных пучков И. делятся на два типа. В основе одного из них когерентные пучки получаются в результате отражения от двух поверхностей плоскопараллельной или клиновидной пластинки с образованием соответственно полос равного наклона или равной толщины. В И. др. типа происходит интерференция лучей, вышедших от источника под углом друг к другу (Интерференция света ).К первому типу относятся интерферометры Физо, Майкельсона и его модификации, Жамена и др.; ко второму типу - интерферометр Рэлея и др. Простейшим интерферометром является интерферометр Физо (рис. 1), применяемый главным образом для контроля точности изготовления плоских поверхностей оптич. деталей. Свет от монохроматического источника L с помощью конденсора O₁ диафрагмы D и объектива О₂направляется параллельным пучком на эталонную Э и контролируемую К пластинки (положенные одна на другую) почти перпендикулярно к их поверхностям. При этом строго плоская эталонная

Рис. 2. а - Вид дефектов сверху на контролируемой пластинке; б - Сечение эталонной  и контрольной пластинок. Сечение  по линии А-А (угол a и размеры дефектов для наглядности сильно увеличены); в - Вид интерференционной картины полос равной толщины в интерферометре Физо.

и контролируемая поверхности пластинок  образуют между собой небольшой  угол a. С помощью полупрозрачной пластинки П в отражённом свете наблюдаются интерференционныеполосы равной толщины ,к-рые локализованы в области воздушного клина между контролируемой и эталонной поверхностями. Положения этих полос определяются из условия: D=2dn+l/2=ml=const (при п~1), где d - толщина воздушного клина. Если контролируемая поверхность идеально плоская, то полосы равного наклона имеют форму прямых эквидистантных линий, параллельных ребру клина (d=const), расстояние между к-рыми равно z=l/2a (рис. 2, в) (при a=10'' и l~0,5 мкм, z=5 мм). Если же на контролируемой поверхности имеются к--л. дефекты, напр, небольшие углубления или выступы (рис. 2, а, б)или она не строго плоская, то в области расположения этих дефектов наблюдаются отклонения dz от прямолинейности. При этом относит, величина отклонения dz/z связана с высотой или глубиной дефекта dh соотношением dh=(l/2)dz/z. Невооружённый глаз может оценить величину dz/z~0,l, что соответствует величине обнаруженного дефекта dh=l/20 (при l=0,633 мкм, dh=0,031 мкм). Знак отклонения позволяет отличить тип дефекта: углубление или выступ (рис. 2, в). Если контролируемая поверхность имеет форму сферы, то интерференционные полосы имеют форму концентрических окружностей (Ньютона кольца). В интерферометре Физо поверхности контролируемой и эталонной пластинок из-за малости угла (угл. секунды) почти полностью соприкасаются друг с другом и в процессе юстировки могут быть повреждены. Поэтому для контроля поверхностей часто используются бесконтактные И., построенные по схеме интерферометра Майкельсона (рис. 3). Здесь параллельный пучок света из объектива О₂входного коллиматора падает на полупрозрачную разделит, пластинку П и направляется к зеркалам M₁ и М₂, к-рыми в данном случае служат эталонная Э и контролируемая К пластинки. После отражения от зеркал-пластинок оба пучка вновь соединяются разделит, пластинкой П и направляются в объектив О₃ выходного коллиматора и интерферируют. При этом оба зеркала ориентированы так, чтобы контролируемая поверхность К и мнимое изображение эталонной поверхности Э в разделит, пластинке образовали небольшой воздушный клин толщиной в его ср. части (на оптич. оси) d=l₂- l₁, где l₁ и l₂ - расстояния от разделит, пластинки до зеркал:l₁=AB, l₂=AC. При интерференции наблюдаются полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина, максимумы интенсивности к-рых определяются из условия

D=2(l₂-l₁)=2d=ml,

т. е. так же, как и в интерферометре Физо. Анализ интерференц. картины проводится так же, как и в интерферометре Физо. Модернизованный интерферометр Майкельсона, в к-ром одно из плоских зеркал заменено  
  
Рис. 3. Принципиальная схема интерферометра Майкельсона для контроля плоских поверхностей бесконтактным методом.

сферическим (интерферометр Тваймана), позволяет проводить контроль качества сферич. (выпуклых или вогнутых) зеркал и качества объективов. Принцип интерферометра Майкельсона широко используется в ряде др. техн. И., напр, в И. для измерения абс. и относит, длин концевых мер. Большое число лазерных И. также построено по схеме интерферометра Майкельсона. Благодаря высокой монохроматичности и когерентности лазерного излучения такие И. позволяют проводить измерения при больших разностях хода, напр, измерять с высокой точностью большие линейные перемещения тел (достигающие неск. м), проводить проверку штриховых эталонных мер, шкал и др. Кроме лазеров в качестве источников света созданы квантовые И. для измерения небольших перемещений, длин деталей. Их действие основано на зависимости разностной частоты излучения между соседними продольными модами лазера f=c/2L от длины резонатора L (Лазер ).По изменению разностной частоты Df, происходящей при перемещении одного из зеркал резонатора, может быть измерена величина этого перемещения DL=2L²Df/c. Преимуществом таких И. является то, что измерение линейных размеров (и перемещений) сводится к определению частоты, к-рую можно измерить радиотехн. методами с высокой степенью точности. Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Захарьевский А. Н., Интерферометры, М., 1952; Коломийцов Ю. В., Интерферометры, Л., 11)76; Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Митрофанов А. С., Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л., 1978. В. II. Малышев.

Литература:

1. Спасский Б.И. Физика в ее развитии. – М.: Просвещение, 1979;
2. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. – М.: Просвещение, 1986;

3. Вавилов С.И. Исаак Ньютон. Издательство Академии наук СССР, 1960г., 294с.