‘≥зика > ≤нтерференц≥¤ св≥тла

≤нтерференц≥¤ св≥тла

ƒос≥ ми розгл¤дали поширенн¤ в т≥й чи ≥нш≥й части≠н≥ простору одн≥Їњ св≥тловоњ хвил≥. “а часто в одн≥й ≥ т≥й сам≥й частин≥ простору поширюютьс¤ одночасно св≥тло≠в≥ хвил≥ в≥д двох або к≥лькох джерел св≥тла. Ќаприклад, коли в к≥мнат≥ горить одночасно к≥лька ламп, то окрем≥ св≥тлов≥ хвил≥ накладаютьс¤ одна на одну. ўо при цьому в≥дбуваЇтьс¤? ќчевидно в кожн≥й точц≥ простору виникаЇ складне електромагн≥тне коливанн¤, ¤ке е ре≠зультатом додаванн¤ коливань кожноњ хвил≥ окремо.

Ќайпрост≥ше з'¤сувати, що в≥дбуваЇтьс¤ при накла≠данн≥ двох хвиль, на приклад≥ хвиль на поверхн≥ води. јналог≥чне ¤вище спостер≥гатиметьс¤ ≥ у випадку св≥тлових хвиль.

ѕрикр≥пимо до коливноњ пластинки на певн≥й в≥дста≠н≥ один в≥д одного два стерженьки, ¤к≥ будуть одночасно удар¤ти по поверхн≥ води у ванн≥, створюючи дв≥ кругов≥ хвил≥ однаковоњ довжини. ¬ результат≥ накладанн¤ цих хвиль ми побачимо. в де¤ких м≥сц¤х вода спок≥йна, тобто накладанн¤ хвиль в≥д двох джерел веде до л≥кв≥дац≥њ коливань њњ поверхн≥; в ≥нших м≥сц¤х поверхн¤ води коливаЇтьс¤ сильн≥ше, н≥ж у випадку одного джерела Ч тут накла≠данн¤ хвиль в≥д двох джерел веде до зб≥льшенн¤ ампл≥≠туди коливань. «вернути увагу, що м≥сц¤ п≥дсилених ≥ послаблених коливань розм≥щен≥ на поверхн≥ води не хаотично, а в певному пор¤дку. “ака картина чергу≠ванн¤ максимум≥в ≥ м≥н≥мум≥в коливань називаЇтьс¤ ≥нтерференц≥йною картиною, а ¤вище п≥дсиленн¤ ко≠ливань в одних точках середовища, де поширюютьс¤ хвил≥, ≥ послабленн¤ в ≥нших, ¤ке Ї результатом накла≠данн¤ одна на одну хвиль однаковоњ довжини, а, отже, однаковоњ частоти, називаЇтьс¤ ≥нтерференц≥Їю хвиль.

«'¤суЇмо походженн¤ ≥нтерференц≥йноњ картини Ч чому при накладанн≥ хвиль в одних м≥сц¤х виникаЇ послабленн¤ коливань, а в ≥нших Ч посиленн¤. «≥йшов≠шись у кожн≥й точц≥ поверхн≥ води, одна ≥ друга хвил≥ викликають коливанн¤ частинок води, визначити ¤к≥ дл¤ кожного окремого випадку неважко. –езультуюче зм≥щенн¤ частинки в будь-¤кий момент часу дор≥в≠нюЇ геометричн≥й сум≥ зм≥щень, ¤к≥ д≥стаЇ частинка, беручи участь у кожному ≥з хвильових процес≥в, що додаютьс¤. Ќехай в даний момент часу в ¤комусь м≥сц≥ зм≥щенн¤ поверхн≥ води в≥д одн≥Їњ ≥ другоњ хвил≥ спр¤мован≥ в один б≥к ≥ максимальн≥ Ч обидв≥ хвил≥ приход¤ть в цю точку в однаков≥й фаз≥. якщо хвил≥ з≥йдутьс¤ гребен¤ми, то вода в ц≥й точц≥ сильно п≥дн≥ме≠тьс¤. „ерез п≥впер≥ода (1/2 “) гребен≥ зм≥н¤тьс¤ запа≠динами, причому в обох хвил¤х одночасно, оск≥льки вони мають однаковий пер≥од. ѕоверхн¤ води сильно опуститьс¤. ўе через п≥впер≥ода поверхн¤ води знову сильно п≥дн≥метьс¤ ≥ т. д. “аким чином, в даному м≥сц≥ коливанн¤ будуть п≥дсилен≥. ¬ тих м≥сц¤х, де гребен≥ одн≥Їњ хвил≥ сход¤тьс¤ з западинами ≥ншоњ, тобто куди хвил≥ приход¤ть в протилежних фазах, коливанн¤ будуть максимально послаблювати одне одне. “ут коливанн¤ поверхн≥ води будуть слабкими або њх зовс≥м не буде, ¤кщо ампл≥туди коливань в обох хвил¤х однаков≥.

ћи розгл¤нули випадки, коли коливанн¤ джерел хвиль в≥дбуваютьс¤ в однаков≥й фаз≥, тобто гребен≥ (чи западини) виход¤ть з обох джерел одночасно. јнало≠г≥чну ≥нтерференц≥йну картину д≥станемо ≥ тод≥, коли коливанн¤ джерел хвиль зсунут≥ за фазою на певний кут, причому значенн¤ цього зсуву весь час залишаЇтьс¤ незм≥нним.

якщо ж фаза коливань одного чи обох джерел зм≥нюЇтьс¤ дов≥льно, тод≥ в кожн≥й точц≥ поверхн≥ води фази коливань то сп≥впадають, то протилежн≥, коли≠ванн¤ то п≥дсилюютьс¤, то послаблюютьс¤, ≥ розм≥≠щенн¤ максимум≥в ≥ м≥н≥мум≥в безперервно зм≥нюютьс¤. ¬ цьому випадку спостер≥гаЇтьс¤ хаотичне хвилюванн¤ поверхн≥ Ч ст≥йка ≥нтерференц≥йна картина не спостер≥≠гаЇтьс¤. “ак само не спостер≥гаЇтьс¤ ст≥йка ≥нтерфе≠ренц≥йна картина ≥ тод≥, коли частоти коливань (пер≥оди або довжини хвиль) обох хвиль неоднаков≥. ¬ цьому випадку в кожн≥й точц≥ поверхн≥ п≥дсиленн¤ коливань зм≥нюЇтьс¤ њх послабленн¤м, пот≥м знову п≥дсиленн¤м ≥ т. д. „им сильн≥ше в≥др≥зн¤ютьс¤ частоти коливань, тим швидше зм≥нюЇтьс¤ розм≥щенн¤ максимум≥в ≥ м≥н≥≠мум≥в, ≥ ст≥йка ≥нтерференц≥¤ не спостер≥гаЇтьс¤. “аким чином, дл¤ спостереженн¤ ≥нтерференц≥йноњ картини необх≥дно, щоб хвил≥ мали однакову частоту (пер≥од або довжину хвил≥) ≥ незм≥нну р≥зницю фаз в кожн≥й точц≥ простору, де вони накладаютьс¤ одна на одну. “ак≥ хвил≥ називають когерентними. ќтже, ст≥йка ≥нтерфе≠ренц≥йна картина спостер≥гаЇтьс¤ лише п≥д час накла≠данн¤ когерентних хвиль.

ѕостаЇ питанн¤: ¤к створити умови, необх≥дн≥ дл¤ виникненн¤ ≥нтерференц≥њ св≥тлових хвиль? ≤накше кажучи, ¤ким чином можна д≥стати когерентн≥ св≥тлов≥ хвил≥?

« повс¤кденного досв≥ду ми добре знаЇмо, що вми≠канн¤ двох джерел св≥тла, наприклад двох лампочок в одн≥й к≥мнат≥, викликаЇ п≥дсиленн¤ св≥тла у вс≥х точках простору, ≥ ≥нтерференц≥¤ не спостер≥гаЇтьс¤. Ќеважко зрозум≥ти, що будь-¤к≥ два св≥тних т≥ла не можуть бути когерентними джерелами св≥тла. —правд≥, св≥тло, випром≥нюване св≥тним т≥лом (наприклад, ниткою електролампи), Ї сукупн≥стю величезноњ к≥лькост≥ електромагн≥тних хвиль, ¤к≥ випром≥нюютьс¤ окремими атомами чи молекулами. ”мови випром≥нюванн¤ цих частинок дуже швидко ≥ хаотично зм≥нюютьс¤, а тому швидко й хаотично зм≥нюЇтьс¤ фаза коливань. “ак≥ джерела св≥тла некогерентн≥.

ƒл¤ одержанн¤ когерентних джерел св≥тла вдаютьс¤ до штучного прийому: розд≥л¤ють пучок св≥тла в≥д одного джерела на два чи к≥лька пучк≥в, ¤к≥ йдуть у р≥зних напр¤мах, а пот≥м знову звод¤ть ≥ накладають один на одного. якщо ц≥ частини одн≥Їњ хвил≥ пройдуть р≥зну в≥дстань, то м≥ж ними виникне р≥зниц¤ фаз, обу≠мовлена р≥зницею ходу хвиль, ≥ при накладанн≥ хвиль повинн≥ виникнути ≥нтерференц≥йн≥ ¤вища. ÷е розд≥≠ленн¤ пучка на два можна зд≥йснити р≥зними способами. Ќаприклад, за допомогою б≥призми. Ѕ≥призма Ч це дв≥ вузьк≥ призми, складен≥ малими основами.

ѕоставимо перед б≥призмою джерело S монохро≠матичного випром≥нюванн¤, тобто випром≥нюванн¤ з одн≥Їю строго визначеною частотою коливань. “аке випром≥нюванн¤ можна д≥стати за допомогою св≥тло≠ф≥льтра, ¤кий пропускаЇ св≥тло одного кольору, точ≠н≥ше Ч одн≥Їњ частоти коливань. Ќа екран≥ ≈ виникне ≥нтерференц≥йна картина. ¬она Ї чергуванн¤м св≥тлих ≥ темних смуг, ≥з св≥тлою смугою посередин≥. —в≥тл≥ смуги ≥нтерференц≥њ мають кол≥р св≥тлоф≥льтра, вста≠новленого перед джерелом св≥тла.

ѕо¤снюЇтьс¤ виникненн¤ ≥нтерференц≥йноњ картини так. ”с≥ промен≥, ¤к≥ падають на праву призму, п≥сл¤ заломленн¤ в н≥й ≥дуть так, н≥би вони вийшли з точки S1, ¤ка Ї у¤вним зображенн¤м джерела св≥тла S. јнало≠г≥чно промен≥ п≥сл¤ заломленн¤ в л≥в≥й призм≥ йдуть так, н≥би вони вийшли з точки S2. “аким чином, на вс≥й поверхн≥ екрана в≥дбуваЇтьс¤ накладанн¤ когерентних промен≥в, ¤к≥ н≥би йдуть в≥д двох у¤вних ≥ когерентних джерел св≥тла S1 ≥ S2 ” середин≥ ≥нтерференц≥й≠ноњ картини проти джерела св≥тла видно св≥тлу смугу, оск≥льки в цьому м≥сц≥ когерентн≥ хвил≥ на≠кладаютьс¤ з однаковими фа≠зами. ѕри в≥ддаленн≥ в≥д центральноњ св≥тлоњ смуги на екран≥ р≥зниц¤ ходу промен≥в зростаЇ, ≥ коли вона дос¤гаЇ (1/2 l), на екран≥ по обидва боки в≥д центральноњ св≥тлоњ вини≠кають темн≥ смуги.  оли р≥з≠ниц¤ ходу промен≥в дос¤гаЇ l, на екран≥ виникають св≥тл≥ смуги, пот≥м при р≥зниц≥ ходу промен≥в 3/2 l, Ч темн≥ смуги ≥ т. д.

якщо на б≥призму спр¤мувати св≥тло ¤когось ≥ншого кольору, то спостер≥гати≠метьс¤ аналог≥чна ≥нтерференц≥йна картина, але в≥д≠стан≥ м≥ж св≥тлими ≥ темними смугами будуть ≥ншими. Ќаприклад, при осв≥тленн≥ б≥призми червоним св≥тлом в≥дстан≥ м≥ж смугами ви¤вл¤ютьс¤ б≥льшими, н≥ж при осв≥тленн≥ зеленим чи син≥м св≥тлом.

ј що спостер≥гатиметьс¤ на екран≥, ¤кщо б≥призму осв≥тити б≥лим св≥тлом? ” цьому випадку теж спостер≥≠гатиметьс¤ ≥нтерференц≥йна картина: в центр≥ буде видно б≥лу св≥тлу смугу, а по обидва боки в≥д нењ Ч кольоров≥ смуги, забарвлен≥ вс≥ма кольорами райдуги. ¬иникненн¤ р≥знокольорових смуг легко по¤снити. ѕрипустимо, що дл¤ ¤коњсь точки ј р≥зниц¤ ходу промен≥в S1ј Ч S2ј дор≥внюЇ ц≥лому числу довжин хвиль червоного св≥тла, а дл¤ хвиль св≥тла ≥ншого забарвленн¤ ц¤ умова не виконуЇтьс¤. ќднак дл¤ ≥ншоњ точки ¬ екрана р≥зниц¤ ходу промен≥в S1¬Ч S2¬ дор≥внюЇ ц≥лому числу довжин хвиль уже зеленого св≥тла, а дл¤ св≥тла ≥ншого забарвленн¤ (в тому числ≥ й червоного) ц¤ умова не виконуЇтьс¤. ƒл¤ точки — р≥зниц¤ ходу промен≥в дор≥вню≠ватиме ц≥лому числу довжин хвиль вже дл¤ ф≥олетового св≥тла.

ƒ≥стати когерентн≥ св≥т≠лов≥ пучки можна за допо≠могою дзеркал ‘ренел¤, ¤к≥ ¤вл¤ють собою два плоск≥ дзеркала, розм≥щен≥ п≥д кутом майже 180∞ одне до. якщо на ц≥ дзеркала спр¤мувати пучок св≥тла, то в≥н роздвоюЇтьс¤ дзеркалами ≥ в≥д кожного дзеркала св≥тло поширюЇ≠тьс¤ розб≥жним пучком. ѕ≥сл¤ в≥дбиванн¤ обидва пучки св≥тла накладаютьс¤ один на одного ≥ ≥нтерферують. Ќа екран≥ виникаЇ така сама ≥нтерференц≥йна картина, ¤к коли б екран осв≥тлювавс¤ когерентними джерелами S1 ≥ S2, у¤вними зображенн¤ми джерела св≥тла S у дзеркалах.

? 1. ” чому пол¤гаЇ ¤вище ≥нтерференц≥њ св≥тла? 2. «а ¤коњ умови ≥нтерферуюч≥ хвил≥ п≥дсилюють одна одну? взаЇмно послаблюють?

3. ўо необх≥дно дл¤ отриманн¤ ст≥йкоњ ≥нтерференц≥йноњ картини?

4. як≥ хвил≥ Ї когерентними? 5. як можна отримати когерентн≥ св≥тлов≥ хвил≥?

І 41. ƒисперс≥¤ св≥тла

ѕ≥д час вивченн¤ заломленн¤ св≥тла було встановле≠но, що заломленн¤ на меж≥ розд≥лу двох середовищ по¤снюЇтьс¤ р≥зницею в швидкост¤х поширенн¤ св≥тла в цих середовищах. ѕоказник заломленн¤ показуЇ, у ск≥льки раз≥в швидк≥сть св≥тла в одному середовищ≥ б≥льша чи менша за швидк≥сть св≥тла в другому середо≠вищ≥. « ≥ншого боку, ¤вища ≥нтерференц≥њ ≥ дифракц≥њ св≥дчать про те, що кожному кольору св≥тлових проме≠н≥в в≥дпов≥даЇ певна довжина хвил≥. “од≥ з в≥домоњ фор≠мули l = u/n випливаЇ, що швидк≥сть поширенн¤ св≥тла в речовин≥ маЇ залежати в≥д частоти св≥тла n. —пробуЇмо з'¤сувати цю залежн≥сть на досл≥д≥.

1	2

Ќазва: ≤нтерференц≥¤ св≥тла
ƒата публ≥кац≥њ: 2005-03-24 (1896 прочитано)