Зображення джерела інтерференції. Інтерференційні картини. Умови максимуму та мінімуму. Інтерференція електромагнітних хвиль
Одинакової частоти, то на місці зустрічі виникає інтерференційна картина. Однак якщо спробувати поставити такий самий досвід за допомогою двох незалежних джерел світла, що випромінюють однакове світло, то ніякої інтерференційної картини не виникне — на місці зустрічі обох хвиль ми спостерігатимемо просто підсумовування інтенсивностей світла.
У 1675 р. Ньютон створив спеціальну установку. кільця Ньютона», що дозволило йому спостерігати інтерференціюАле він не знайшов пояснення походження світлових максимумів і мінімумів.
У 1801 р. Томас Юнг зміг спостерігати інтерференцію світла за допомогою установки:
.
Яскравий джерело світлаЗ потрапляє у щілину S. Коли світлова хвиля огинає краї цієї щілини, тобто. спостерігається явище дифракції, висвітлює дві вузькі щілини S 1 і S 2 . Через явища дифракції з обох щілин виходять дві хвилі, які частково перекривають одна одну. У цій галузі виникає інтерференція, але в екрані М видно систему інтерференційних максимумів і мінімумів, що виявляються як смуг. Томас Юнг пояснив походження цих смуг як явище інтерференції хвиль та обчислив довжину хвиліотримавши значення λ ≈ 5 · 10 -7 м.
Крім установки Юнга, розроблено низку інших пристроїв, що дозволяють побачити виникнення інтерференції світла.
Якщо в установці Юнга прибрати екран зі щілиною S, то джерело світла безпосередньо висвітлюватиме щілини S 1 і S 2 . При цьому інтерференційна картина зникне. Але прибравши щілину S, не змінюється частотна характеристика світлаі обидві щілини - S 1 і S 2 - пропускають світлові хвилі з однаковою частотою.
Видно, у разі, коли умова рівності частот достатня для виникнення інтерференції від складання синусоїдальних хвиль, а для світлових хвильцієї умови недостатньо. Причина полягає в несинусоїдності світлових хвиль, що у разі інтерференції відіграє вирішальну роль.
При додаванні некогерентних хвильнемає інтерференції; середня інтенсивність хвилі в будь-якій точці дорівнює сумі інтенсивностей доданків некогерентних хвиль.
Інтерференційна картина виникає лише у разі складання когерентних світлових хвиль. Це дозволяє пояснити наявність у досвіді Юнга щілини S. У цій установці обидві щілини S 1 і S 2 лежать на одному фронті хвилі і збуджуються одним загальним цугом(рядом обурень з перервами між ними), що виходять із щілини S. Тому з обох щілин виходять світлові хвилі з однаковою фазою, тобто когерентні хвилі, що дають на екрані інтерференційну картину.
Якщо ж щілину S прибрати, то щілини S 1 і S 2 будуть збуджуватись різними цугами, які беруть свій початок з різних ділянок світла. Хвилі, що виходять із обох щілин, виявляться некогерентними, і інтерференційна картина зникне.
ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНА КАРТИНА
ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНА КАРТИНА
Регулярне чергування областей підвищення. та зниж. інтенсивності світла, що у результаті накладання когерентних світлових пучків, т. е. за умов постійної (чи регулярно змінюється) різниці фаз з-поміж них (див. ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ СВІТЛА). Для сферич. макс. інтенсивність спостерігається при різниці фаз, що дорівнює парному числу напівхвиль, а мінімальна - при різниці фаз, що дорівнює непарному числу напівхвиль. (Див. Смуги рівної товщини).
Фізичний енциклопедичний словник. - М: Радянська енциклопедія. Головний редакторА. М. Прохоров. 1983 .
Дивитись що таке "ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНА КАРТИНА" в інших словниках:
інтерференційна картина- розподіл інтенсивності світла, що виходить в результаті інтерференції, в місці її спостереження. [Збірник термінів, що рекомендуються. Випуск 79. Фізична оптика. Академія наук СРСР. Комітет науково-технічної термінології. 1970 р.] Тематики… …
інтерференційна картина- interferencinis vaizdas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. fringe pattern; interference figure; interference image vok. Interferenzbild, n rus. інтерференційний малюнок, f pranc. image d’interférences, f; image interférentielle, f … Fizikos terminų žodynas
дифракційна картина- інтерференційна картина, що виникає при інтерференції світла, що дифрагував на оптичних неоднорідностях. [Збірник термінів, що рекомендуються. Випуск 79. Фізична оптика. Академія наук СРСР. Комітет науково-технічної термінології. 1970 р.]… … Довідник технічного перекладача
- (Від грец. hólos весь, повний і...графія) метод отримання об'ємного зображення об'єкта, заснований на інтерференції хвиль. Ідея Р. була вперше висловлена Д. Габором (Великобританія, 1948), проте технічна реалізація методу виявилася…
Вимірювальний прилад, в якому використовується інтерференція хвиль. Існують І. для звукових і для електромагнітних хвиль: оптичних (ультрафіолетової, видимої та інфрачервоної областей спектру) та радіохвиль різної довжини. Застосовуються І.… Велика Радянська Енциклопедія
Інтерференція світла досвід Юнга Інтерференція світла перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладання (суперпозиції) кількох когерентних світлових хвиль. Це явище супроводжується ма … Вікіпедія
Енциклопедія «Авіація»
інтерференційний метод дослідження- Мал. 1. Принципова схема установки. інтерференційний метод дослідження - один з основних оптичних методів дослідження течій. Характерні рисиІ. м. і.: а) використання в інтерференційних приладах двох когерентних ... Енциклопедія «Авіація»
Розділ фізики, в якому розглядаються всі явища, пов'язані зі світлом, включаючи інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання (див. також ФОТОМЕТРІЯ; ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ). ГЕОМЕТРИЧНА ОПТИКА Геометрична оптика ґрунтується на… Енциклопедія Кольєра
Це стаття про інтерференцію у фізиці. також Інтерференція та Інтерференція світла Картина інтерференції великої кількості кругових когерентних хвиль, залежно від довжини хвилі та відстані між джерелами Інтерференція хвиль взаємне … Вікіпедія
17.2. Способи одержання інтерференційних картин.
Існує ряд способів отримання інтерференційних картин: Метод Юнга, дзеркала Френеля, біпризму Френеляі т.д. Розглянемо докладно метод Юнг.
Джерелом сета є яскраво освітлена щілина S(рис.17.3), від якої світлова хвиля падає на дві вузькі рівновіддалені щілини та 
, паралельні щілини S. Таким чином, щілини відіграють роль когерентних джерел. Інтерференційна картина спостерігається на екрані ( Е), розташованому на деякій відстані від щілин 
і 
. У такій постановці Юнг здійснив перший спостереження інтерференції.
17.3. Інтерференція у тонких плівках.
Платівка постійної товщини. При падінні світлової хвилі на прозору тонку пластинку (або плівку) відбувається відображення від обох поверхонь пластинки. В результаті виникають дві світлові хвилі, які за певних умов можуть інтерферувати.
Нехай на прозору плоскопаралельну пластинку падає плоска світлова хвиля (паралельний пучок світла) (рис.17.4). В результаті відбиття від поверхонь пластинки, частина світла повертається у вихідне середовище.
У будь-яку точку P, що знаходиться з тієї ж сторони від платівки, що і джерело, приходять два промені. Ці промені утворюють інтерференційну картину.
Для визначення виду смуг можна уявити, що промені виходять із уявних зображень S 1 та S 2 джерела S, створюваних поверхнями платівки. На віддаленому екрані, розташованому паралельно платівці, інтерференційні смуги мають вигляд концентричних кілець з центрами на перпендикулярі до пластинки, що проходить через джерело S. Цей досвід пред'являє менш жорсткі вимоги до джерел. S, Чим розглянуті вище досліди. Тому можна як Sзастосувати ртутну лампу без допоміжного екрану з малим отвором, що забезпечує значний світловий потік. За допомогою листочка слюди (товщиною 0,03 – 0,05 мм) можна отримати яскраву інтерференційну картину прямо на стелі та на стінах аудиторії. Чим тонша платівка, тим більший масштаб інтерференційної картини, тобто. більша відстань між смугами.
Смуги рівного нахилу. Особливо важливий окремий випадок інтерференції світла, відображеного двома поверхнями плоскопаралельної пластинки, коли точка спостереження Pперебуває у нескінченності, тобто. спостереження ведеться або оком, акомодованим на нескінченність, або на екрані, розташованому у фокальній площині лінзи, що збирає (рис. 17.5).
У цьому випадку обидва промені, що йдуть від Sдо P, породжені одним падаючим променем і після відбиття від передньої та задньої поверхонь пластинки паралельні один одному. Оптична різниця ходу між ними в точці Pтака сама, як на лінії DC:
Тут n- Показник заломлення матеріалу пластинки. Передбачається, що з платівкою перебуває повітря, тобто. . Так як 
,
(h- Товщина платівки, 
і 
– кути падіння та заломлення на верхній грані; 
), то для різниці ходу отримуємо
Слід також врахувати, що при відображенні хвилі від верхньої поверхні платівки відповідно до формул Френеля її фаза змінюється на π. Тому різниця фаз δ хвиль, що складаються в точці Pдорівнює:
,
де 
- Довжина хвилі у вакуумі.
Відповідно до останньої формули світлі смуги розташовані в місцях, для яких 
, де m
– порядок інтерференції. Смуга, що відповідає даному порядку інтерференції, обумовлена світлом, що падає на платівку під певним кутом α. Тому такі смуги називають інтерференційнимисмугами рівного нахилу.
Якщо вісь об'єктива розташована перпендикулярно платівці, смуги мають вигляд концентричних кілець з центром у фокусі, причому в центрі картини порядок інтерференції максимальний.
Смуги рівного нахилу можна отримати у відбитому світлі, а й у світлі, що пройшло крізь пластинку. У цьому випадку один із променів проходить прямо, а інший – після двох відбитків на внутрішній стороні пластинки. Проте видимість смуг у своїй низька.
Для спостереження смуг рівного нахилу замість плоскопаралельної платівки зручно використовувати інтерферометр Майкельсона (Рис.17.6). Розглянемо схему інтерферометра Майкельсона: з1 та з2 – дзеркала. Напівпрозоре дзеркало посріблене і ділить промінь на дві частини - промінь 1 і 2. Промінь 1, відбиваючись від З1 і проходячи, дає, а промінь 2, відбиваючись від З2 і далі, дає. Пластинкиі однакові за розмірами.ставиться для компенсації різниці ходу другого променя. Промені когерентні та інтерферують.
Смуги рівної товщини (інтерференція від клину). Ми розглянули інтерференційні досліди, в яких розподіл амплітуди світлової хвилі від джерела відбувався внаслідок часткового відображення на поверхнях плоскопаралельної пластинки. Локалізовані смуги при протяжному джерелі можна спостерігати та інших умовах. Виявляється, що для досить тонкої пластинки або плівки (поверхні якої не обов'язково повинні бути паралельними і взагалі плоскими) можна спостерігати інтерференційну картину, локалізовану поблизу поверхні, що відбиває. Виникаючі за цих умов смуги називають смугами рівної товщини . У білому світлі інтерференційні лінії пофарбовані. Тому таке явище називають квітами тонких плівок. Його легко спостерігати на мильних бульбашках, на тонких плівкахолії або бензину, що плавають на поверхні води, на плівках оксидів, що виникають на поверхні металів при загартуванні, і т.п.
Розглянемо інтерференційну картину, одержувану від пластин змінної товщини (від клина).
Напрями поширення світлової хвилі, відбитої від верхньої та нижньої межі клину, не збігаються (рис.17.7). Відбиті та заломлені промені зустрічаються, тому інтерференційну картину при відображенні від клина можна спостерігати і без використання лінзи, якщо помістити екран у площину точок перетину променів (кришталик очі поміщають у потрібну площину).
Інтерференція спостерігатиметься тільки у 2-й області клину, так як у 1-й області оптична різниця ходу буде більшою за довжину когерентності.
Результат інтерференції у точках 
та екрану визначається за відомою формулою 
,
підставляючи в неї товщину плівки в місці падіння променя ( 
або 
). Світло обов'язково має бути паралельним (): якщо одночасно будуть змінюватися два параметри bта α, то стійкої інтерференційної картини не буде.
Оскільки різниця ходу променів, що відбилися від різних ділянок клина, буде неоднаковою, освітленість екрану буде нерівномірною, на екрані будуть темні та світлі смуги (або кольорові при освітленні білим світлом, як показано на рис.17.8). Кожна з таких смуг виникає в результаті відбиття від ділянок клина з однаковою товщиною, тому їх називають смугами рівної товщини .
Кільця Ньютона.На рис.17.9 зображено оправу, в якій затиснуті дві скляні пластини. Одна з них трохи опукла, так що пластини торкаються один одного в якійсь точці. І в цій точці спостерігається щось дивне: довкола неї виникають кільця. У центрі вони майже не пофарбовані, трохи далі переливаються всіма кольорами веселки, а до краю втрачають насиченість квітів, блякнуть та зникають.
Так виглядає експеримент, який у XVII столітті започаткував сучасну оптику. Ньютон докладно досліджував це явище, виявив закономірності в розташуванні та фарбуванні кілець, а також пояснив їх на основі корпускулярної теорії світла.
Кільцевісмуги рівної товщини , що спостерігаються в повітряному зазорі між доторканими опуклою сферичною поверхнею лінзи малої кривизни і плоскою поверхнею скла називаютькільцями Ньютона .
|
|
Загальний центр кілець розташований у точці торкання. У відбитому світлі центр темний, так як при товщині повітряного прошарку, набагато менше, ніж довжина хвилі , різниця фаз інтерферуючих хвиль обумовлена різницею в умовах відображення на двох поверхнях і близька до π. Товщина hповітряного зазору пов'язана з відстанню rдо точки дотику:
.
Тут використано умову 
. При спостереженні нормалі темні смуги, як уже зазначалося, відповідають товщині 
тому для радіусу 
m-го темного кільця отримуємо
(m
= 0, 1, 2, …).
Якщо лінзу поступово відсувати від поверхні скла, то інтерференційні кільця стягуватимуться до центру. При збільшенні відстані на картина набуває попереднього вигляду, оскільки місце кожного кільця буде зайняте кільцем наступного порядку. За допомогою кілець Ньютона, як і досвід Юнга, можна порівняно простими засобами наближено визначити довжину хвилі світла.
Отже, смуги рівного нахилу виходять при освітленні платівки постійної товщини розсіяним світлом, у якому містяться промені різних напрямів. Смуги рівної товщини спостерігаються при освітленні платівки змінної товщини(клина) паралельним пучком світла. Смуги рівної товщини локалізовані поблизу платівки.
| " |
Розглянемо та опишемо інтерференційну картину для гармонійних хвиль.
Нехай джерела S t і S 2 є когерентними та отримані одним із перерахованих методів.
Розглянемо дві циліндричні когерентні світлові хвилі, що виходять з джерел S t і S 2 , що мають вигляд паралельних тонких ниток, що світяться, або вузьких щілин (рис.5.4). Область, де ці хвилі перекриваються, називається полем інтерференції. У всій цій області спостерігається чергування місць з максимальною та мінімальною інтенсивністю світла. Якщо в поле інтерференції внести екран, то на ньому буде видно інтерференційну картину, яка має вигляд світлих і темних смуг, що чергуються. Обчислимо ширину цих смуг у припущенні, що екран паралельний площині, що проходить через джерела S1 та S2. Положення точки на екрані характеризуватимемо координатою х, що відраховується в напрямку, перпендикулярному до ліній S 1 і S 2 .. Початок відліку виберемо в точці Про, щодо якої S 1 і S 2 . розташовані симетрично. Джерела вважатимемо такими, що коливаються в однаковій фазі. З рис. 5.4 видно, що
Отже,
Нижче буде з'ясовано, що для отримання помітної інтерференційної картини відстань між джерелами d повинна бути значно меншою за відстань до екрана l. Відстань х, у якого утворюються інтерференційні лінії, також буває значно менше l. За цих умов можна покласти , тоді
Помноживши s 2 -s 1 на показник заломлення середовища n отримаємо оптичну різницю ходу
Підстановка цього значення різниці ходу за умови максимуму
дає, що максимуми інтенсивності спостерігатимуться при значеннях х, рівних
Тут - довжина хвилі в середовищі, що заповнює простір між джерелами та екраном.
Підставивши значення (5.1) за умову
отримаємо координати мінімумів інтенсивності:
Назвемо відстань між двома сусідніми максимумами інтенсивності відстанню між інтерференційними смугами, а відстань між сусідніми мінімумами інтенсивності – шириною інтерференційної смуги. З формул (5.2) і (5.3) випливає, що відстань між смугами та ширина смуги мають однакове значення, що дорівнює
Згідно з формулою (5.4) відстань між смугами зростає із зменшенням відстані між джерелами d. При d, порівнянному з відстань між смугами було б того ж порядку, що і т. е. становило б кілька десятих мкм. У цьому випадку окремі смуги були б абсолютно невиразні. Для того щоб інтерференційна картина стала виразною, необхідно дотримання згадуваної вище умови: d< Якщо світло, що виходить від одного джерела, розділити певним чином, наприклад, на два пучки, а потім накласти їх один на одного, то інтенсивність в області суперпозиції пучків змінюватиметься від однієї точки до іншої. При цьому в одних точках досягається максимум інтенсивності, який більший, ніж сума інтенсивностей цих двох пучків, і мінімуму, де інтенсивність дорівнює нулю. Це явище називають інтерференцією світла. Якщо пучки світла, що накрадаються, є строго монохроматичними, то інтерференція виникає завжди. Це, звичайно, не може відноситься до реальних джерел світла, так як вони не бувають строго монохроматичними. Амплітуда і фаза природного джерела світла схильна до безперервних флуктуацій, причому вони відбуваються дуже швидко так, що людське око або примітивний фізичний детектор не можуть зафіксувати ці зміни. У пучках світла, що походять від різних джерел, флуктуації абсолютно не залежні, про такі пучки говорять, що вони взаємно некогерентні. При накладенні таких джерел інтерференції немає, повна інтенсивність дорівнює сумі інтенсивностей окремих пучків світла. Виділяють два загальні методи одержання пучків світла, які можуть інтерферувати. Ці методи лежать у основі класифікації пристроїв, які використовують інтерферометрії. У першому їх пучок світла ділиться під час проходження через отвори, які розташовані близько друг від друга. Цей метод називають методом поділу хвильового фронту. Він застосовується тільки, якщо використовувати малі джерела світла. Першу експериментальну установку для демонстрації інтерференції світла було зроблено Юнгом. У його досвіді світло від точкового монохроматичного джерела падало на два малі отвори в непрозорому екрані, які розташовувалися недалеко один від одного на однакових відстанях від джерела світла. Дані отвори в екрані ставали вторинними джерелами світла, світлові пучки, які від яких можна було вважати когерентними. Пучки світла від цих вторинних джерел перекриваються, спостерігається інтерференційна картина у сфері їх перекриття. Інтерференційна картина складається із сукупності світлих і темних смуг, які називають інтерференційними смугами. Вони знаходяться на рівних відстанях один від одного і спрямовані під прямим кутом до лінії, що з'єднує вторинні джерела світла. Смуги інтерференції можна спостерігати в будь-якій площині області перекриття пучків, що розходяться, від вторинних джерел. Такі інтерференційні смуги називають нелокалізованими. У другому способі пучок світла ділять за допомогою однієї або декількох поверхонь, які частково відбивають, і частково пропускають світло. Цей метод називають методом поділу амплітуди. Він може використовуватись для протяжних джерел. Плюс його в тому, що за його допомогою набувають більшої інтенсивності, ніж метод розподілу фронту. Картину інтерференції, яку одержують розподілом амплітуди, можна отримати, якщо плоскопаралельну пластинку з прозорого матеріалу висвітлювати світлом від точкового джерела квазимонохроматичного світла. При цьому в будь-яку точку, яка знаходиться з того ж боку, що й джерело світла приходять два промені. Одні з них відбився від верхньої поверхні пластини, інший відбився від її нижньої поверхні. Відбиті промені інтерферують та становлять інтерференційну картину. При цьому смуги в площинах, які паралельні платівці, мають вигляд кілець, з віссю, нормальної до пластини. Вигляд таких кілець зменшується при зростанні розміру джерела світла. Якщо точка спостереження знаходиться в нескінченності, тоді спостереження ведуть оком, адаптованим на нескінченність або у фокальній площині об'єктива телескопа. Промені, відбиті від верхньої та нижньої поверхонь пластинки паралельні. Смуги, що у результаті інтерференції променів, що падають на плівку під однаковими кутами, носять назви смуг рівного нахилу. (Докладніше про інтерференцію в плоскопаралельній пластині див. розділ «Інтерференція в тонких плівках») ПРИКЛАД 1 Різницю ходу променів знайдемо, спираючись на рис.1: Умова максимуму для променів світла, що інтерферують (див. розділ «Інтерференція світла»): За умовою завдання нас цікавить становище другої інтерференційної лінії, отже: . Застосовуючи вирази (1.1) та (1.2), отримуємо: Виразимо з формули (1.3): ПРИКЛАД 2Методи одержання пучків світла, що інтерферують.
Приклади розв'язання задач
Завдання
Яке положення другої світлої смуги в досвіді Юнга, якщо відстань між щілинами дорівнює b відстань від щілин до екрана l. Щілини висвітлюють монохроматичним світлом з довжиною рівної они .
Рішення
Зобразимо ситуацію проходження світла від отворів ( і ) до екрану досвід Юнга (рис.1). Екран паралельний площині, в якій розташовані отвори.
Відповідь
мЗавдання
У досвіді Юнга на шляху одного з променів, що виходять від вторинного джерела, розмістили перпендикулярно даному променю тонку скляну пластину з показником заломлення n. При цьому центральний максимум змістився в положення, яке раніше займав максимум номер m. Яка товщина пластини, якщо довжина хвилі світло дорівнює?
Рішення
Різниця ходу променів за наявності пластини, враховуючи, що промінь падає на пластину за нормаллю, запишемо як: