Электромагнитная природа света Интерференция света.

План.

1. Особенности световых волн. Когерентность.

2. Способы осуществления интерференции света.

3. Интерферометры и использования

Рис. 1

Методы определения скорости света. Свет распространяется со конечной скоростью. Впервые измерить скорость света удалось датском ученому А. К. Ремеру (1644-1710) в 1676 г., когда он наблюдал затмения спутников Юпитера. Наблюдения показали, что затмение спутника Юпитера зависимости от положения Земли в ее движении вокруг Солнца заканчивается с некоторым опозданием. Это обусловлено тем, что свету требуется определенное время, чтобы пройти разницу расстояния между двумя крайними положениями Земли на ее орбите. Значение скорости, которое получил впервые Ремер, через низкую точность измерения равнялось 215 000 км / с. В лаборатории скорость света измерил впервые французский физик И. Л. Физо (1819-1896) в 1849 г. С помощью полупрозрачного зеркала А (рис.1) свет от источника направлялось на зубчатое колесо К с числом зубцов N, вращающееся вокруг точки 0. Проходя между зубцами, свет достигало зеркала Дз, которое находилось от колеса на расстоянии = 8,6 км. Если колесо К вращается достаточно быстро, то отраженный от зеркала свет попадает на зубец так, что к наблюдателю С оно не доходит. Тогда скорость световых волн: , где — наименьшая угловая скорость вращения колеса, при котором свет не доходит до наблюдателя.

Американский физик А. А. Майкельсон (1852-1931) вместо зубчатого колеса применил вращающееся восьмигранное зеркало.

По современным данным, скорость света в вакууме равна:= 299792456,2М / сМ / с.

Опыты свидетельствуют, что скорость света в различных средах равна: , где — скорость света в вакууме, — абсолютный показатель преломления данной среды.

Природа света. За последние 300 лет взгляды на природу света очень менялись. В конце 17 в. сформировались две принципиально разные теории относительно природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.

Согласно корпускулярной теории свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

Согласно волновой теории свет есть волной, которая распространяется от источника и распространяется с большой скоростью во всемирном эфире — неподвижной упругой веществе, непрерывно заполняет всю Вселенную.

Обе теории имели достижения и недостатки в изображении различных проявлений и явлений связанных со светом. К концу 19 в. большинство физиков поддерживала корпускулярную теорию Ньютона; в начале 19 в. волновая теория получила существенные теоретические дополнения, позволило более детально выяснять с ее помощью большинство световых явлений, которые до этого не имели разъяснения; поэтому волновая теория Гюйгенса-Френеля получила всеобщее признание, а корпускулярная теория на длительное время была забыта. Слабым местом волновой теории был эфир, но впоследствии потребность в этой гипотетической субстанции отпала ибо благодаря электромагнитной теории Максвелла выяснилось, что свет, как электромагнитная волна, распространяется в электромагнитном поле. Видимый свет является электромагнитными волнами с длиной от 770 нм до 380 нм, которые порождаются колебаниям зарядов в атомах и молекулах.

Таким образом волновая теория трансформировалась в электромагнитную теорию света. К концу 19 в. эта новая теория света не имела больших оговорок, но впоследствии накопился практический материал, который заставил принять гипотезу М. Планка (1900 г.) относительно дискретного (прерывистого) характера излучения и поглощения света; родилась квантовая теория света А. Эйнштейна (1905 г.) . Таким образом поток квантов света — фотонов очень напоминал корпускулярную теорию Ньютона. Но фотоны не частицы — все фотоны движутся со скоростью света, имея при этом конечную массу (масса покоя фотона равна нулю). По современным представлениям природа свет носит двойственный характер — квантово-волновой дуализм природы света.

Свет — сложный электромагнитный процесс, который имеет как волновые, так и корпускулярные свойства.

В таких явлениях, как: интерференция, дифракция, поляризация свет обнаруживает волновые свойства. А в таких явлениях, как: фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры, давление света на поверхность свет проявляет себя как поток материальных частиц — квантов. Современная физика пытается создать единую теорию относительно природы света, которая бы отражала квантово-волновой дуализм света, однако разработка такой теории пока не завершена.

Интерференция света. Интерференцией называют наложения когерентных волн, при котором они стабильно усиливаются или ослабляются. Когерентные волны — это волны одинаковой частоты, стабильной разности фаз (в точке сложения) и одинакового направления колебаний соответствующих векторов. Полосы в интерференционной картине могут быть разного цвета. Один из методов образования когерентных волн — расщепление волны, излучаемой одним источником, на две, путь которых до точки наблюдения разный.

1. Способ Юнга. В 1807 г. Т. Юнг получил два когерентные источники в виде двух небольших отверстий в экране, освещаемом узким пучком света. По принципу Гюйгенса-Френеля отверстия можно считать вторичными источниками света, образуемыми источником S. Нетрудно заметить, что любое изменение фазы колебания источника S вызывать такую же смену фаз у источников, но разница их фаз остается неизменной; источники является когерентными.

Б) Зеркала Френеля. Французский физик Френель (1788-1827) совершил интерференцию света в чистом виде с помощью двух зеркал, расположенных под углом, близким к 180 ° По этому способу одна часть каждой световой волны, излучаемой точечным источником S, отражаясь от зеркала QN, а вторая от зеркала QM, меняют свое направление распространения так, что дальше сходятся на экране и интерферируют. Чтобы свет от источника S непосредственно не попадало на экран, источник экранируют. Когерентные волны, образующиеся способом отражения от двух зеркал, словно излучаются источниками S 'и S , которые являются мнимыми изображениями в зеркалах источника S. Точки S' и S можно рассматривать как два когерентных источника света, так как любое изменение фазы колебания в источнике S той же мере будет повторяться в его изображениях S 'и S , но разница фаз между ними оставаться постоянной. Результат интерференции света в заданной точке на экране зависеть от разницы ходов волн от источников S' и S до данной точки. Пусть с точки О выходят две когерентные плоские волны с одинаковыми фазами. Их пути условно обозначим стрелками. До точки Р первая волна проходит в среде с показателем преломления n1, путь r1 а вторая — в среде с показателем преломления n2 путь r2. Тогда в точке наблюдения колебания описываться уравнениями

R1 n1

Р

O · r2 n2

Где — фазовая скорость. Тогда разность фаз колебаний, наблюдаемых в точке Р, равна , где λ— длина волны в вакууме. Величина Δ =, называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода Δ равна целому числу длин волн в вакууме Δ = ± m λ (M = 0,1,2 …), то разность фаз Δφ = ± 2π и интенсивность в точке Р будет максимальной, это условие max. Если Δ = ± (m +) Λ, то Δφ = ± (2m +1) π и интенсивность в точке Р min, это условие min.

В результате интерференции наблюдаться усиление монохроматического света в местах, где оптическая разность хода равна целому числу длин волн: — это условие максимума. Или, если разность фаз равна нулю, или парном числу : .

Если оптическая разность равна нечетному числу полуволн , то для данной длины волны выполняется условие минимума освещенности (ослабление света, темная полоса).

Минимальная амплитуда будет и тогда, когда разность фаз равна нечетному числу :

Оптический путь, это величина, равная произведению геометрического пути на показатель преломления данной среды.

Кольца Ньютона. Интерференционную картину, появляется между плоско-выпуклой поверхностью стекла большого радиуса кривизны и стеклянной пластинкой при освещении монохроматическим светом, называют кольцами Ньютона. Луч 1, прошел два раза воздушный зазор, проинтерферуе с лучом 2. Интерференционная картина имеет вид светлых и темных колец, поскольку все точки на кольце с радиусом имеют одинаковую разность хода лучей и ослабляют, либо усиливают свет. При использовании белого света интерференционная картина имеет вид цветных радужных колец. Зная радиус кривизны линзы и измерив радиус -го темного кольца Ньютона, можно определить длину волны определенного цвета света по формуле

Радиус темного кольца в отраженном свете

Радиус светлого кольца Ньютона в отраженном свете

Применение явления интерференции. Явление интерференции используется в специальных приборах — интерферометр, предназначенных для точного измерения длины световых волн, определения показателя преломления газов, проверки качества обработки поверхностей и т. д.. С помощью интерференции можно уменьшить отражение света от поверхностей линз, улучшает их характеристику (просветление оптики). Для этого на внешнюю поверхность оптической системы (объектива) наносят тонкую пленку с показателем преломления п меньше, чем показатель преломления стекла . Если толщину пленки подобрать так, чтобы отраженный от поверхности объектива луч имел разность хода, кратную половине длины волны в пленке, то на границе воздух — пленка наблюдаться ослабление волны, которая отражается. Вследствие этого значительно уменьшается часть световой энергии, что отражается, и увеличивается часть, которая проходит через объектив. Погасить отраженные волны всех частот невозможно. Поэтому толщину пленки подбирают так, чтобы в случае нормального падения гасились волны средней длины в спектре видимого света (т. е. световые волны зеленого цвета, = 555 мкм).

Приборы, в которых явление интерференции используется для определения длины световой волны, показателя преломления вещества, точных измерений длины, для контроля качества обработки поверхности и т. д., называют интерферометрами. Интерферометр Майкельсона. Схема строения интерферометра изображена на рис. 4. Параллельный пучок света от источника падает под углом 45 ° на стеклянную пластинку P; задняя поверхность пластинки покрыта полупрозрачным слоем серебра. Этот слой разделяет луч на две части: первый — отраженный луч — направляется на плоское зеркало S1, а второй проходит через слой серебра и попадает на зеркало S2. Отражаясь от зеркал, оба луча сводятся, интерферируют и проходят в зрительную трубку T. Поскольку первый луч к наложению со вторым проходит толщу пластинки P трижды, а второй луч один раз, то для компенсации этой разницы на пути второго луча размещают такую же стеклянную пластинку P1.

Зависимости от разницы ходов обоих лучей поле зрения трубы будет светлым или темным. Очевидно, если бы мы сместили зеркало S2 на расстояние l / 4, то разница ходов обоих лучей изменилась на l / 2, а фон поля зрения поменялся на противоположный. Для точной оценки смещений зеркала S2 недвижимое зеркало S1 несколько наклоняют к падающим лучам, благодаря чему ход лучей в различных точек этого зеркала будет разным, различные и разницы ходов соответствующих лучей, отраженных от зеркал S1 и S2. Поэтому в поле зрения трубки вместо однородного фона будет система параллельных светлых и темных интерференционных полос. Теперь любое смещение зеркала S2 предопределять в поле зрения трубы перемещения полос, его можно измерить с большой точностью, а за ним найти смещение зеркала S2. Таким способом впервые сравнили международный эталон метра с длиной волны красной спектральной линии кадмия. Теперь метр определяется через длину волны оранжевой линии излучения криптона 86 в вакууме, а именно: 1 м = 1650763,73 l0.

Интерферометр Линника. Для контроля высокой частоты обработки металлических и различных оптических поверхностей пользуются микро интерферометром В. П. Линника. (Рис.5).

Рис. 5

Рис. 4

Реферати :

• как называется процесс поглощения жидких и летучих веществ
• metodi opredelenuya zoli v pishevih produktah
• классификация мучные полуфабрикаты схема
• почему при скисании молока свеху появляется слизь
• 2snau.ru
• механическая обработка сырья
• Контроль качества колбас
• 2snau.ru
• ПРОДАМ-БАЗУ-САЙТА-2snau.ru