Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 12 ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

12.3. Методы наблюдения интерференции света

Для образования когерентных световых пучков применяют различные искусственные приемы. Физическая суть всех приборов для наблюдение интерференции света одинакова: свет от одного источника распространяется до экрана двумя разными путями. Вследствие этого образуется определенная разность хода волн (или оптическая разность хода, если световые пучки распространяются в различных средах), которая для некоторых точек экрана составляет (в этих точках наблюдаются интерференционные максимумы) или (в этих точках наблюдаются интерференционные минимумы). На экране возникает интерференционная картина-чередование темных и светлых колец для монохроматического света.

Одним из приборов для наблюдения интерференции света является біпризма Френеля (рис. 12.7). Біпризма Френеля состоит из двух одинаковых стеклянных призм с малыми заломними углами и общей основой. Вследствие преломления в біпризмі световой луч раздваивается. Свет распространяется так, как будто два когерентные источники размещены в точках S' и S’. На самом деле имеем лишь один реальный источник S. Свет, идущий от источника S, раздваивается вследствие преломления в двух половинах бипризмы и доходит до точек экрана двумя разными путями. В половинах, где перекрываются световые потоки, которые распространяются различными путями, наблюдается интерференционная картина. Если источник света в опыте с біпризмою (опыт Френеля) излучает белый свет, то увидим цветную интерференционную картину. Если источник излучает монохроматический свет, то интерференционная картина будет состоять из светлых и темных полос.

Рис. 12.7

Интерференцию света можно наблюдать также с помощью зеркала Ллойда. Зеркало Ллойда раздваивает световой луч вследствие отражения его от зеркала. Если в случае с біпризмою Френеля оба когерентные источники были мнимыми, то с помощью зеркала Ллойда достаем одно когерентное источник мнимое, а второе действительное (рис. 12.8). Интерференционная картина в обоих случаях будет одинаковой.

Рис. 12.8

Не следует думать, что интерференцию света можно наблюдать только в лабораторных условиях, применяя специальные оптические устройства. Каждому неоднократно приходилось видеть радужные цвета мыльных пленок, тонких пленок нефти на поверхности воды, цвета побежалости на поверхности стальных деталей. Все эти явления обусловлены интерференцией света в тонких прозрачных пленках, которая возникает вследствие падения когерентных волн, отражаются от верхней и нижней граней пленки.

Рассмотрим интерференцию света в тонких пленках на примере интерференции в плоско-параллельной стеклянной пластинке толщиной h. На пластинку под углом и падает плоская монохроматическая волна, фронт которой в некоторый момент времени проходит по линии АD (рис. 12.9). Пока крайний луч 1 пройдет в пластинке путь

со скоростью υ = (с - скорость света в вакууме; n - показатель преломления стекла), потратив на это время

второй крайний луч 2 пройдет расстояние DC со скоростью с, причем DC = сΔt. Найдем оптическую разность хода лучей. Поскольку

то

Учитывая, что получим

Рис. 12.9

Следует учесть, что интерференционная картина определяется оптической разностью хода только тогда, когда начальные фазы колебаний, которые распространяются от каждого источника, одинаковые. Для волн, которые отражаются, такое требование не всегда выполняется. Так, если происходит отражение света от оптически более густого среды (среда называют оптически более густым, если его показатель преломления имеет большее значение), то фаза колебаний изменяется на противоположную. В этом случае такой средой является стекло (стеклянная пластинка), показатель преломления которого больше показателя преломления воздуха. Поэтому при отражении света от стекла на границе воздух - стекло фаза коливань меняется на я. Такое изменение фазы эквивалентна тому, что путь волны изменился на полуволны. Заданное изменение оптической длины пути при отражении волн называют «потерей полуволны при отражении».

С учетом этого

Если то лучи 1 и 2 гасят друг друга и в направлении СЕ отраженный свет не наблюдается, если же Δ = 2kλ/2, то интерферирующие лучи дают в направлении отраженного луча СЕ максимум интенсивности. Число k называют порядком максимума или минимума в интерференционной картине.

Если на однородную (n = const) плоскопараллельную (h = const) пластинку падает пучок света под постоянным углом, то вся пластинка освещается одинаково, поскольку оптическая разность хода волн Δ остается постоянной. Однако если толщина пластинки h меняется, например пластинка клиновидная, или на плоскопараллельную пластинку падает розбіжний пучок света, то наблюдается чередование максимумов и минимумов освещенности. В первом случае интерференционная картина называется полосами одинаковой толщины, в втором - полосами равного наклона.

И. Ньютон 1675 г. наблюдал интерференцию от воздушной прослойки, что находился между плоско-параллельной стеклянной пластинкой и выпуклой поверхностью объектива астрономического рефрактора в отраженном свете. Темное пятно в месте соприкосновения плоского стекла и объектива оказалась окруженной светлыми и темными кольцами в монохроматическом свете или цветными кольцами в белом. С удалением от центрального темного пятна, то есть с увеличением толщины воздушной прослойки, цветные полосы сужаются, а потом совсем исчезают. Интерференционную картину при этом, называют кольцами Ньютона. Итак, понятно, что интерференционная картина имеет вид системы концентрических колец. Места одинаковой толщины в воздушном прослойки, которые соответствуют местам одинакового опоздание световых волн, имеющих форму концентрических кругов при нормальном падении света или эллипсов - при падении света под углом.