Наложение волн друг на друга. Сложение волн

Необходимы более веские доказательства того, что свет при распространении ведет себя как волна. Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции. Для того чтобы быть уверенным в том, что свет имеет волновую природу, необходимо найти экспериментальные доказательства интерференции и дифракции света.

Интерференция - достаточно сложное явление. Чтобы лучше понять его суть, мы вначале остановимся на интерференции механических волн.

Сложение волн. Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то звуковые волны накладываются друг на друга. Что при этом происходит?

Проще всего проследить за наложением механических волн, наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, создав этим две кольцевые волны, то нетрудно заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя в дальнейшем так, как будто бы другой волны совсем не существовало. Точно так же любое число звуковых волн может одновременно распространяться в воздухе, ничуть не мешая друг другу. Множество музыкальных инструментов в оркестре или голосов в хоре создают звуковые волны, одновременно улавливаемые нашим ухом. Причем ухо в состоянии отличить один звук от другого.

Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются друг на друга. Наблюдая волны на поверхности воды от двух брошенных в воду камней, можно заметить, что некоторые участки поверхности не возмущены, в других же местах возмущение усилилось. Если две волны встречаются в одном месте гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается.

Если же, напротив, гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность воды не будет возмущена.

Вообще же в каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую (т. е. с учетом их знаков) сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.

Интерференция. Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.

Выясним, при каких условиях имеет место интерференция волн. Для этого рассмотрим более подробно сложение волн, образуемых на поверхности воды.

Можно одновременно возбудить две круговые волны в ванне с помощью двух шариков, укрепленных на стержне, который совершает гармонические колебания (рис. 118). В любой точке М на поверхности воды (рис. 119) будут складываться колебания, вызванные двумя волнами (от источников O 1 и О 2). Амплитуды колебаний, вызванных в точке М обеими волнами, будут, вообще говоря, отличаться, так как волны проходят различные пути d 1 и d 2 . Но если расстояние l между источниками много меньше этих путей (l « d 1 и l « d 2) , то обе амплитуды
можно считать практически одинаковыми.

Результат сложения волн, приходящих в точку M, зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния d 1 и d 2 , волны имеют разность хода Δd = d 2 -d 1 . Если разность хода равна длине волны λ, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой ровно на один период (как раз за период волна проходит путь, равный длине волны). Следовательно, в этом случае гребни (как и впадины) обеих волн совпадают.

Условие максимумов. На рисунке 120 изображена зависимость от времени смещений X 1 и X 2 , вызванных двумя волнами при Δd= λ. Разность фаз колебаний равна нулю (или, что то же самое, 2л, так как период синуса равен 2п). В результате сложения этих колебаний возникает результирующее колебание с удвоенной амплитудой. Колебания результирующего смещения на рисунке показаны цветом (пунктир). То же самое будет происходить, если на отрезке Δd укладывается не одна, а любое целое число длин волн.

Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:

где к=0,1,2,....

Условие минимумов. Пусть теперь на отрезке Δd укладывается половина длины волны. Очевидно, что при этом вторая волна отстает от первой на половину периода. Разность фаз оказывается равной п, т. е. колебания будут происходить в противофазе. В результате сложения этих колебаний амплитуда результирующего колебания равна нулю, т. е. в рассматриваемой точке колебаний нет (рис. 121). То же самое произойдет, если на отрезке укладывается любое нечетное число полуволн.

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:

Если разность хода d 2 - d 1 принимает промежуточное значение
между λ и λ/2 , то и амплитуда результирующего колебания принимает некоторое промежуточное значение между удвоенной амплитудой и нулем. Но наиболее важно то, что Амплитуда колебаний в любой точке he меняется с течением времени. На поверхности воды возникает определенное, неизменное во времени распределение амплитуд колебаний, которое называют интерференционной картиной. На рисунке 122 показан рисунок с фотографии интерференционной картины двух круговых волн от двух источников (черные кружки). Белые участки в средней части фотографии соответствуют максимумам колебаний, а темные - минимумам.

Когерентные волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной.

Источники, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.

Если же разность фаз колебаний источников не остается постоянной, то в любой точке среды разность фаз колебаний, возбуждаемых двумя волнами, будет меняться. Поэтому амплитуда результирующих колебаний с течением времени изменяется. В результате максимумы и минимумы перемещаются в пространстве и интерференционная картина размывается.

Распределение энергии при интерференции. Волны несут энергию. Что же с этой энергией происходит при гашении волн друг другом? Может быть, она превращается в другие формы и в минимумах интерференционной картины выделяется тепло? Ничего подобного. Наличие минимума в данной точке интерференционной картины означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН

Если свет представляет собой поток волн, то должно наблюдаться явление интерференции света. Однако получить интерференционную картину (чередование максимумов и минимумов освещенности) с помощью двух независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.

Выясним, в чем причина этого и при каких условиях можно наблюдать интерференцию света.

Условие когерентности световых волн. Причина состоит в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Напомним, что такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз называются когерентными.

Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить Постоянство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имеющими длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной. Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.

Интерференция в тонких пленках. Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Курьез состоит в том, что ее наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчета.

Вы тоже много раз видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды. «Мыльный пузырь, витая в воздухе... зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы» (Марк Твен). Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.

Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 (рис. 123), одна из которых (1) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (2) -от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн - сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстанет от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два, а затем эти части сводятся вместе и интерферируют.

Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона.

Возьмите плоско-выпуклую линзу с малой кривизной сферической поверхности и положите ее на стеклянную пластину. Внимательно разглядывая плоскую поверхность линзы (лучше через лупу), вы обнаружите в месте соприкосновения линзы и пластины темное пятно и вокруг него совокупность маленьких радужных колец. Расстояния между соседними кольцами быстро убывают с увеличением их радиуса (рис.111). Это и есть кольца Ньютона. Ньютон наблюдал и исследовал их не только в белом свете, но и при освещении линзы одноцветным (монохроматическим) пучком. Оказалось, что радиусы колец одного и того же порядкового номера увеличиваются при переходе от фиолетового конца спектра к красному; красные кольца имеют максимальный радиус. Все это вы можете проверить с помощью самостоятельных наблюдений.

Удовлетворительно объяснить, почему возникают кольца, Ньютон не смог. Удалось это Юнгу. Проследим за ходом его рассуждений. В их основе лежит предположение о том, что свет - это волны. Рассмотрим случай, когда волна определенной длины падает почти перпендикулярно на плоско-выпуклую линзу (рис. 124). Волна 1 появляется в результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе стекло - воздух, а волна 2 - в результате отражения от пластины на границе воздух - стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга. Вызываемые ими колебания происходят в одной фазе.

Напротив, если вторая волна отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах и волны гасят друг друга.

Если известен радиус кривизны R поверхности линзы, то можно вычислить, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волны определенной длины λ гасят друг друга. Эти расстояния и являются радиусами темных колец Ньютона. Ведь линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности. Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.

Длина световой волны. Для красного света измерения дают λ кр = 8 10 -7 м, а для фиолетового - λ ф = 4 10 -7 м. Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, принимают промежуточные значения. Для любого цвета длина световой волны очень мала. Представьте себе среднюю морскую волну длиной в несколько метров, которая увеличилась настолько, что заняла весь Атлантический океан от берегов Америки до Европы. Длина световой волны в том же увеличении лишь ненамного превысила бы ширину этой страницы.

Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны. Подобно тому как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или длиной волны.

Вне нас в природе нет никаких красок, есть лишь волны разной длины. Глаз - сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, которому соответствует весьма незначительная (около 10 -6 см) разница в длине световых волн. Интересно, что большинство животных неспособны различать цвета. Они всегда видят чернобелую картину. Не различают цвета также дальтоники - люди, страдающие цветовой слепотой.

При переходе света из одной среды в другую длина волны изменяется. Это можно обнаружить так. Заполним водой или другой прозрачной жидкостью с показателем преломления п воздушную прослойку между линзой и пластиной. Радиусы интерференционных колец уменьшатся.

Почему это происходит? Мы знаем, что при переходе света из вакуума в какую-нибудь среду скорость света уменьшается в n раз. Так как v = λv, то при этом должна уменьшиться в n раз либо частота, либо длина волны. Но радиусы колец зависят от длины волны. Следовательно, когда свет входит в среду, изменяется в n раз именно длина волны, а не частота.

Интерференция электромагнитных волн. На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать интерференцию электромагнитных (радио) волн.

Генератор и приемник располагают друг против друга (рис. 125). Затем подводят снизу металлическую пластину в горизонтальном положении. Постепенно поднимая пластину, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Явление объясняется следующим образом. Часть волны из рупора генератора непосредственно попадает в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлической пластины. Меняя расположение пластины, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу длин волн или нечетному числу полуволн.

Наблюдение интерференции света доказывает, что свет при распространении обнаруживает волновые свойства. Интерференционные опыты позволяют измерить длину световой волны: она очень мала-от 4 10 -7 до 8 10 -7 м.

Интерференция двух волн. Бипризма Френеля - 1

Уравнение стоячей волны.

В результате наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой возникающий колебательный процесс называется стоячей волной . Практически стоячие волны возникают при отражении от преград. Напишем уравнения двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях (начальная фаза ):

Сложим уравнения и преобразуем по формуле суммы косинусов: . Т.к. , то можно записать: . Учитывая, что , получим уравнение стоячей волны : . В выражении для фазы не входит координата, поэтому можно записать: , где суммарная амплитуда .

Интерференция волн - такое наложение волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Необходимые условия для наблюдения интерференции:

1) волны должны иметь одинаковые (или близкие) частоты, чтобы картина, получающаяся в результате наложения волн, не менялась во времени (или менялась не очень быстро, что бы её можно было успеть зарегистрировать);

2) волны должны быть однонаправленными (или иметь близкое направление); две перпендикулярные волны никогда не дадут интерференции. Иными словами, складываемые волны должны иметь одинаковые волновые векторы. Волны, для которых выполняются эти два условия, называются когерентными. Первое условие иногда называют временной когерентностью , второе - пространственной когерентностью . Рассмотрим в качестве примера результат сложения двух одинаковых однонаправленных синусоид. Варьировать будем только их относительный сдвиг. Если синусоиды расположены так, что их максимумы (и минимумы) совпадают в пространстве, произойдет их взаимное усиление. Если же синусоиды сдвинуты друг относительно друга на полпериода, максимумы одной придутся на минимумы другой; синусоиды уничтожат друг друга, то есть произойдет их взаимное ослабление. Складываем две волны:

здесь х 1 и х 2 - расстояния от источников волн до точки пространства, в которой мы наблюдаем результат наложения. Квадрат амплитуды результирующей волны дается выражением:

Максимум этого выражения есть 4A 2 , минимум - 0; всё зависит от разности начальных фаз и от так называемой разности хода волн D:

При в данной точке пространства будет наблюдаться интерференционный максимум, при - интерференционный минимум.Если же мы сдвинем точку наблюдения в сторону от прямой, соединяющей источники, мы попадем в область пространства, где интерференционная картина меняется от точки к точке. В этом случае мы будем наблюдать интерференцию волн с равными частотами и близкими волновыми векторами.

Электромагнитные волны. Электромагнитное излучение - распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей). Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием. Электромагнитное излучение подразделяется на радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение. Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию. Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света.

Какова природа света. Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Применение интерференции света. Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дисперсия света. Электронная теория дисперсии света. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Поляроиды

Какова природа света. Первые теории о природе света - корпускулярная и волновая - появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон. Согласно волновой теории свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство - светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса. Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира. Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга. Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало. что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории. Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко). Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других - свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.

Интерференция волн .
– это явление наложения когерентных волн
- свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.

Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую частоту и постоянную разность фаз. При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью хода.
При наложении когерентных волн возможны два предельных случая:
1) Условие максимума: Разность хода волн равна целому числу длин волн (иначе четному числу длин полуволн).
где . В этом случае волны в рассматриваемой точке приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна удвоенной амплитуде.

2) Условие минимума: Разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн. где . Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга. Амплитуда колебаний данной точки равна нулю. В результате наложения когерентных волн (интерференции волн) образуется интерференционная картина. При интерференции волн амплитуда колебаний каждой точки не меняется во времени и остается постоянной. При наложении некогерентных волн нет интерференционной картины, т.к. амплитуда колебаний каждой точки меняется со временем.

Когерентность и монохроматичность световых волн. Интерференцию света можно объяснить, рассматривая интерференцию волн. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность , т. е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны - неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Taк как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентны. В двух самостоятельных источниках света атомы излучают независимо друг от друга. В каждом из таких атомов процесс излучения конечен и длится очень короткое время (t » 10 –8 с). За это время возбужденный атом возвращается в нормальное состояние и излучение им света прекращается. Возбудившись вновь, атом снова начинает испускать световые волны, но уже с новой начальной фазой. Так как разность фаз между излучением двух таких независимых атомов изменяется при каждом новом акте испускания, то волны, спонтанно излуча­емые атомами любого источника света, некогерентны. Таким образом, волны, испуска­емые атомами, лишь в течение интервала времени 10 –8 с имеют приблизительно постоянные амплитуду и фазу колебаний, тогда как за больший промежуток времени и амплитуда, и фаза изменяются.

Применение интерференции света. Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны l 0 . Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн. Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики ) и получения высокоотражающих покрытий. Прохожде­ние света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло–воздух, сопровождается отражением »4% падающего потока (при показа­теле преломления стекла »1,5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и светосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике) демаскирует положение прибора. Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое просветле­ние оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления, меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух–пленка и пленка–стекло возникает интерференция когерентных лучей. Толщину пленки d и показатели преломления стекла n с и пленки n можно подобрать так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей пленки, гасили друг друга. Для этого их амплитуды должны быть равны, а оптическая разность хода равна . Расчет показывает, что амплитуды от­раженных лучей равны, если Так как n с, n и показатель преломления воздуха n 0 удовлетворяют условиям n с >n >n 0 , то потеря полуволны происходит на обеих поверхностях; следовательно, условие минимума (предполагаем, что свет падает нормально, т. е. i= 0), , где nd - оптическая толщина пленки. Обычно принимают m =0, тогда

Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Дифракция света - отклонение световых волн от прямолинейного распространения, огибание встречающихся препятствий. Качественно явление дифракции объясняется на основе принципа Гюйгенса-Френеля. Волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат интерференции. Пример. Плоская световая волна, падающая на непрозрачный экран с отверстием. За экраном фронт результирующей волны (огибающая всех вторичных волн) искривляется, в результате чего свет отклоняется от первоначального направления и попадает в область геометрической тени. Законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны: Дифракция происходит в том случае, когда размеры препятствий соизмеримы с длиной волны: L ~ Л. Дифракционная картина, полученная на экране, расположенном за различными преградами, представляет собой результат интерференции: чередование светлых и темных полос (для монохроматического света) и разноцветных полос (для белого света). Дифракционная решетка - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Число штрихов у хороших дифракционных решеток доходит до нескольких тысяч на 1 мм. Если ширина прозрачной щели (или отражающих полос) а, а ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) b, то величина d = а + b называется периодом решетки.

Интерференция волн (от лат. inter — взаимно, между собой и ferio — ударяю, пора-жаю) — взаимное усиление или ослабление двух (или большего числа) волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве.

Обычно под интерференционным эффектом понимают тот факт, что результирующая интен-сивность в одних точках пространства получается больше, в других — меньше суммарной интен-сивности волн.

Интерференция волн — одно из основных свойств волн любой природы: упругих, электромаг-нитных, в том числе и световых, и др.

Интерференция механических волн.

Сложение механических волн — их взаимное наложение — проще всего наблюдать на по-верхности воды . Если возбудить две волны, бросив в воду два камня, то каждая из этих волн ведет себя так, как будто другой волны не существует. Аналогично ведут себя звуковые волны от разных независимых источников. В каждой точке среды колебания , вызванные волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраичес-кую сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.

Если одновременно в двух точках О 1 и О 2 возбудить в воде две когерентные гармонические вол-ны , то будут наблюдаться гребни и впадины на поверхности воды, не меняющиеся со временем, т. е. возникнет интерференция .

Условием возникновения максимума интенсивности в некоторой точке М , находящейся на расстояниях d 1 и d 2 от источников волн О 1 и О 2 , расстояние между которыми l ≪ d 1 и l ≪ d 2 (рис. ниже), будет:

Δd = kλ,

где k = 0 , 1 , 2 , а λ — длина волны .

Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн и при условии, что фазы колебаний двух источников совпадают.

Под разностью хода Δd здесь понимают геометрическую разность путей, которые проходят вол-ны от двух источников до рассматриваемой точки: Δd = d 2 - d 1 . При разности хода Δd = kλ разность фаз двух волн равна четному числу π , и амплитуды колебаний будут складываться.

Условием минимума является:

Δd = (2k + 1)λ/2.

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн и при условии, что фазы колебаний двух источников совпадают.

Разность фаз волн в этом случае равна нечетному числу π , т. е. колебания происходят в противофазе, следовательно, гасятся; амплитуда результирующего колебания равна нулю.

Распределение энергии при интерференции.

Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.

Интерференция -это перераспределение потока электромагнитной энергии в пространстве, возникающее в результате наложения волн, приходящих в данную область пространства от разных источников. Если в области интерференции световых волн поставить экран, то на нем будут

наблюдаться светлые и темные области, например полосы.

Интерферировать могут толькокогерентные волны. Источники(волны) называют когерентными, если они имеют одинаковую частотуи постоянную во времени разность фаз, излучаемых ими волн.

Когерентными могут быть только точечные монохроматические источники. К ним по свойствам близки лазеры. Обычные источники излучения некогерентны, так как немонохроматичны и не являются точечными.

Немонохроматичность излучения обычных источников обусловлена тем, что их излучение создается атомами, испускающими в течение времени порядка =10 -8 с волновые цуги длиной L=c =3м. Излучения разных атомов не коррелированы друг с другом.

Однако наблюдать интерференцию волн можно и при использовании обычных источников, если с помощью какого-либо приема создать два или более источников, подобных первичному источнику. Существует два метода получения когерентных световых пучков или волн: метод деления волнового фронта иметод деления амплитуды волны. В методе деления волнового фронта пучок или волна делится, проходя через близко расположенные щели или отверстия (дифракционная решетка), либо с помощью отражающих и преломляющих препятствий (бизеркало и бипризма Френеля, отражательная дифракционная решетка).

Вметоде деления амплитуда волны излучение делится на одной или нескольких частично отражающих, частично пропускающих поверхностях. Примером является интерференция лучей, отраженных от тонкой пленки.

Точки А, В и С на рис. являются точками деления амплитуды волны

Количественное описание интерференции волн.

Пусть две волны, приходят в точку Оот источников S 1 и S 2 по разным опти­ческим путям L 1 =n 1 l 1 и L 2 =n 2 l 2 .

Напряженность результирующего поля в точке наблюдения равна

E=E 1 +E 2 . (1)

Детектор излучения(глаз) регистрирует не амплитуду, а интенсивность волны, поэтому возведем соотношение (1)в квадрат и перейдем к интенсивностям волн

E 2 =E 1 2 +E 2 2 +E 1 E 2 (2)

Усредним это выражение по времени

=++<E 1 E 2 > (2)

Последнее слагаемое в (3) 2называют интерференционным членом. Его можно записать в виде

2<E 1 E 2 >=2 (4)

где  -угол между векторами E 1 и E 2 .Если /2, тo cos=0и интерференционный член будет равен нулю. Это означает, что волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях интерферировать не могут. Если вторичные источники, от которых наблюдают интерференцию, получены от одного первичного источника, то векторыE 1 иE 2 параллельны иcos=1.В этом случае (3)можно записать в виде

=++ (5)

где усредняемые по времени функции имеют вид

E 1 =E 10 cos(t+), E 2 =E 20 cos(t+), (6)

=-k 1 l 1 + 1 , =-k 2 l 2 + 2 .

Вычислим в начале среднее по времени значение интерференционного члена

(7)

откуда при =: =½E 2 10 , =½E 2 20 (8)

Обозначая I 1 =E 2 10 , I 2 =E 2 20 и
, формулу (5) можно записать в терминах интенсивности волн. Если источники некогерентны, то

I=I 1 +I 2 , (9)

а если когерентны, то

I=I 1 +I 2 +2
cos (10)

k 2 l 2 -k 1 l 1 +  -  (11)

есть разность фаз складываемых волн. Для источников. полученных от одного первичного источника  1 = 2 ,поэтому

=k 2 l 2 -k 1 l 1 =k 0 (n 2 l 2 -n 1 l 1)=(2/ ) (12)

где К 0 =2 -волновое число в вакууме, -оптическая разность хода лучей 1и 2от S 1 и S 2 до точки наблюдения интерференции 0. Получили

(13)

Из формулы (10)следует, что в точке 0будет максимум интерференции, если cos  = 1,откуда

m, или=m  (m=0,1,2,…) (14)

Условие минимума интерференции будет при cos  = -1,откуда

=2(m+½), или=(m+½)  (m=0,1,2,…) (14)

Таким образом, волны в точке наложения усилят друг друга, если их оптическая разность хода равна четному числу полуволн ослабят друг друга

если она равна нечетному числу полуволн.

Степень когерентности излучения источника. Интерференция частично когеретных волн.

Реальные световые пучки, приходящие в точку наблюдения интерференции, частично когерентны, т.о. содержат когерентный и некогерентный свет. Для характеристики частично когерентного света вводят степень когерентности 0< < 1которая представляет собой долю некогерентного света в световом пучке. При интерференции частично когерентных пучков получим

I= неког +(1-)I ког =(I 1 +I 2)+(1-)(I 1 +I 2 +2I 1 I 2 cos 

ОткудаI=I 1 +I 2 +2I 1 I 2 cos (17)

Если =0 или=1, то приходим к случаям некогерентного и когерентного сложения интерферентностей волн.

Опыт Юнга (деление волнового фронта)

П
ервый опыт по наблюдению интерференции был осуществлен Юнгом (1802). Излучение от точечного источника Sпроходило через два точечных отверстияS 1 иS 2 в диафрагмеD и в точке Р на экране Э наблюдалась интерференция лучей 1 и 2, проходящим по геометрическим путямSS 1 P иSS 2 P.

Рассчитаем интерференционную картину на экране. Геометрическая разность хода лучей 1 и 2 от источника S до точки Р на экране равна

l=(l` 2 +l 2)  (l` 1 +l 1)= (l` 2 1` 1)+(l 2 l 1) (1)

Пусть d – расстояние междуS 1 иS 2 , b – расстояние от плоскости источникаS до диафрагмы Д,a – расстояние от диафрагмы Д до экрана Э,x – координата точкиP на экране отностительно его центра, аx` - координата источникаS относительно центра плоскости источника. Тогда согласно рисунку по теореме Пифагора получим

Аналогичными будут выражения для l` 1 иl` 2 , если заменитьab, xx`. Предположим, чтоd иx<

Аналогично
(4)

С учетом (3) и (4) геометрическая разность хода лучей 1 и 2 будет равна

(5)

Если лучи 1и 2проходят в среде с показателем преломления n,то их оптическая разность хода равна

Условия максимумов и минимумов интерференции на экране имеют вид

(7)

Откуда координаты максимумов х=х m и минимумов х=х" m интерференционной картины на экране

Если источник имеет вид полоски с координатой x",перпендикулярной плоскости рисунка, то изображение на экране также будет иметь вид полосок с координатой х,перпендикулярных плоскости рисунка.

Расстояние между ближайшими максимумами и минимумами интерференции или ширина интерференционных полос (темных или светлых) будет согласно (8)равна

x=x m+1 -x m =x` m+1 -x` m =
(9)

где =  /n – длина волны в среде с показателем преломленияn.

Пространственная когерентность(некогерентность) излучения источника

Различают пространственную и временную когерентность излучения источника. Пространственная когерентность связана с конечными (неточечными) размерами источника. Онaповодит к уширению интерференционных полос на экране и при некоторой ширине источника Dполному исчезно­вению интерференционной картины.

Объясняется пространственная некогерентность следующим образом. Если источник имеет ширину D,то каждая светящаяся полоска источника с координатой х" даст на экране свою интерференционную картину. В ре-зyльтaтeразличные смещенные относительно друг друга интерференционные картины на экране наложатся, друг на друга, что приведет к размазыванию интерференционных полос и при некоторой ширине источника D к полному исчезновению интерференционной картины на экране.

Можно показать, что интерференционная картина на экране исчезнет, если угловая ширина источника, =D/l ,видимая из центра экрана, больше отношения/d:

(1)

К схеме Юнга сводится метод получения вторичных источников S 1 и S 2 с помощью бипризмы Френеля. Источники S 1 и S 2 лежат в одной плоскости с первичным источником S.

Можно показать, что расстояние между источниками S 1 и S 2 ,полученными с помощью бипризмы с преломляющим угломи показателем n равно

d=2a 0 (n-1), (2)

а ширина интерференционных полос на экране

(3)

Интерференционная картина на экране исчезнет при выполнении условия
или при ширине источника, равной
, т.е. ширине интерференционной полосы. Получим с учетом (3)

(4)

Если l=0,5м, а 0 =0,25м, n= 1,5 -стекло,=6 10 -7 -длина волны зеленого света, то ширина источника, при которой исчезнет интерференционная картина на экране равна D=0,2мм.

Временная когерентность излучения источника. Время и длина когерентности.

Временная когерентность связана со немонохроматичноотью излучения источника. Онаприводит к уменьшению интенсивности интерференционных полос при удалении от центра интерференционной картины и последующему ее обрыву. Например, при наблюдении интерференционной картины с использованием немонохроматического источника и бипризмы Френеля на экране наблюдается от 6до 10полос. При использовании высокомонохроматичного лазерного источника излучения число интерференционных полос на экране достигает нескольких тысяч.

Найдем условие обрыва интерференции из-за немонохроматичности источника, излучающего в интервале длин волн (). Положение m-го максимума на экране определяется условием

(1)

где  0 /n -длина волны с показателем преломления n.Отсюда следует, что каждой длине волнысоответствует своя интерференционная картина. При увеличениипроисходит смещение интерференционой картины тем большее, чем больше порядок интерференции (номер интерференционной полосы) m.В результате может оказаться, что m-ый максимум для длины волныналожится на (m+1)-ый максимум для длины волны.При этом интерференционное поле между m-ым и (m+1)-ым максимумами для длины волныравномерно заполнится интерференционными максимумами из интервала () и экран окажется равномерно освещенным, т.е. ИК оборвется.

Условие обрыва интерференционной картины

X max (m,+)=X max (m+1,) (2)

Откуда согласно (1)

(m+1)=m(, (3)

что дает для порядка интерференции(номера интерференционной полосы), при которой произойдет обрыв ИК

(4)

Условие интерференционных максимумов связано с оптической разностью хода лучей 1и 2,приходящих в точку наблюдения интерференции на экране условием

Подставляя (4)в (5),найдем оптическую разность хода лучей 1и 2,при которой происходит исчезновение интерференции на экране

(6)

При >L ког интерференционная картина не наблюдается. Величина L ког =  называетсядлиной (продольной) когерентности , а величина

t ког =L ког /c (7)

-временем когерентности. Переформулируем (6)в терминах частоты излучения. Учитывая, чтоc,получим

|d|=или=(8)

Тогда согласно (6)

L ког =
(9)

А согласно (7)

или
(10)

Получили связь между временем когерентности t ког и шириной частотного интервалаизлучения источника.

Для видимого диапазона (400-700)нм с шириной интервала=300нм при средней длине волны= 550им длина когерентности составляет

порядка L ког =10 -6 м,а время когерентности порядка t ког =10 -15 с. Длина когернтности лазерного излучения может достигать нескольких километров. Отметим, что время излучения атома имеет порядок 10 -8 c, а длины волновых цугов составляют порядка L = 3м.

Принципы Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля.

Вволновой оптике существует два принципа: принцип Гюйгенса и принцип Гюйгенса-Френеля. В принципе Гюйгенса постулируется, что каждая точка фронта волны является источником вторичных волн. Построив огибающую этих волн, можно найти положение фронта волны в последующие моменты времени.

Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим и позволяет вывеcти. например, законы отражения и преломления света, объясняет явления распространения света в анизотропных кристаллах(двойное лучепреломление). Но он не может объяснить большинство оптических явлений, обусловленных интерференцией волн.

Френель дополнил принцип Гюйгенса условием интерференции вторич­ных волн, исходящих от фронта волны. Такое расширение принципа Гюйгенса получило название принципа Гюйгенса-Френеля.

Зоны Френеля.

Френель предложил простой прием вычисления результата интерференции вторичных волн. приходящих от фронта волны в произвольную точку Р, лежащую на прямой, проходящую через источник S и точку Р.

Рассмотрим идею Френеля на примере сферической волны, испускаемой точечным источником S.

Пусть фронт волны от источника S в некоторый момент времени находится на расстоянии aот S и на расстоянии bот точки Р. Разобьем фронт волны на кольцевые зоны так, чтобы расстояние от краев каждой зоны до точки Р отличались на/l.При таком построении колебания в соседних зонах сдвинуты по фазе на ,т.е. происходят в противофазе. Если обозначить амплитуды колебаний в зонах E 1 , E 2 , ... причемE 1 >E 2 >...,то амплитуда результирующего колебания в точке Р будет равна

E=E 1 -E 2 +E 3 -E 4 +… (1)

Здесь чередование знаков (+) и (-),так как колебания в соседних зонах происходят в противофазе. Представим формулу (1)в виде

где положено E m =(Е m-1 +Е m+1)/2. Получили, что амплитуда колебаний в точке Р, если в нее приходят колебания от всего волнового фронта, равна Е=Е 1 /2, т.е. равна половине амплитуды волны, приходящей в точку Р от первой зоны Френеля.

Если закрыть все четные или нечетные зоны Френеля с помощью специальных пластинок, называемых зонными, то амплитуда колебаний в точке Р увеличится и будет равна

E=E 1 +E 3 +E 5 +…+E 2m+1 , E=|E 2 +E 4 +E 6 +…+E 2m +…| (3)

Если на пути фронта волны поставить экран с отверстием, который открывал бы конечное четное число зон Френеля, то интенсивность света в точке Р будет равна нулю

E=(E 1 -E 2)+(E 3 -E 4)+(E 5 -E 6)=0 (4)

т.е. в этом случае в точке Р будет темное пятно. Если же открыть нечет­ное число зон Френеля, то в точке Р будет светлое пятно:

E=E 1 -E 2 +E 3 -E 4 +E 5 =E 1 (4)

Для перекрытия зон френеля с помощью экранов или зонных пластине необходимо знать радиусы зон френеля. Согласно рис. Получим

r
2 m =a 2 -(a-h m) 2 =2ah m (6)

r 2 m =(b+m  / 2) 2 -(b+h m) 2 =bm-2bh m (7)

где пренебрегли членами с  2 иh m 2 .

Приравнивая (5) и (6), получим

(8)

Подставляя формулу (8)в (6),радиус m-ой зоны Френеля

(9)

где м=1,2,3,... -номер зоны Френеля, -длина волны, излучения, испускаемого источником. Если фронт водны плоский (a ->),то

(10)

При фиксированном радиусе отверстия в экране, поставленом на пути волны число m зон Френеля, открываемых этим отверстием, зависит от расстояний a и bот отверстия до источника S и точки Р.

Дифракция волн(света).

Дифракцией называют совокупность интерференционных явлений, наблюдаемых в средах с резкими неоднородностями, соизмеримыми с длиной волны, и связанных с отклонением законов распространения света от законов геометрической оптики. Дифракция, в частности, приводит к огибанию волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени Роль неоднородностей среды могут играть щели, отверстия и различные препятствия: экраны, атомы и молекулы вещества и т.п.

Различают два вида дифракции. Если источник и точка наблюдения расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдении, практически параллельны, то говорят о дифракции Фраунгофера(дифракция в параллельных лучах), в противном случае говорят о дифракции Френеля(дифракция в сходящихся лучах)

Дифракция Френеля на круглом отверстии.

Пусть сферическая волна, от источника в падает на круглое отверстие в диафрагме. В этом случае на экране будет наблюдаться дифракционная картина в виде светлых и темных колец.

Если отверстие открывает четное число зон Френеля, то в центре дифракционной картины будет темное пятно, а если оно открывает нечетное число зон Френеля, то светлое пятно.

При перемещении диафрагмы с отверстием между источником и экраном в пределах отверстия будет укладываться то четное, то нечетное число зон Френеля и вид дифракционной картины(то с темным, то со светлым пятном в центре) будет постоянно меняться.

Дифракция Фраунгофера на щели.

Пусть от источника S распространяется сферическая волна. С помощью линзы Л 1 она превращается в плоскую волну, которая падает на щель шириной b .Лучи, дифрагировавшие на щели под углом собираются на экране, находящемся в фокальной плоскости линзы Л 2 ,в точке F

Интенсивность дифракционной картины в точке Р экрана определяется интерференцией вторичных волн, исходящих от всех элементарных участков щели и распространяющихся в точку Р в одной и том же направлении  .

В виду того, что на щель падает плоская волна, фазы колебаний во всех точках щели одинаковы. Интенсивность в точке Р экрана, обусловленная волнами, распространяющимися в направлении  ,будет определяться сдвигом фаз между волнами, исходящими от плоского фронта волны АВ, перпендикулярного направлению распространения волны(см. рис.), либо волнами. исходящими от любой плоскости, параллельной направлению АВ.

Сдвиг фаз между волнами, испускаемыми полоской 0в центре щели и полоской с координатой х,отсчитанной от центра щели, составляет kxsin(рис.). Если щель имеет ширину bи испускает волну с амплитудой E 0 ,то полоска с координатой x и шириной dxиспускает волну с амплитудой (Eo/b)dx.От этой полоски в точку Р экрана в направлениипридет волна с амплитудой

(1)

Множитель it, одинаковый для всех волн, приходящих в точку Р экрана, можно опустить, так как при вычислении интенсивности волны в точке Р он исчезнет. Амплитуда результирующего колебания в точке Р, обусловленная наложением вторичных волн, пришедших в точку Р от всей щели, будет равна

(2)

где u=(k b / 2)sin=( b / )sin,  - длина волны, испускаемая источником. Интенсивность волныI=E 2 в точке Р экрана будет равна

(3)

где I 0 -интенсивность волны, испускаемой щелью в направлении=0, когда (sin u/u)=1.

В точке Р будет минимум интенсивности, если sin u=0 или

откуда bsin=m, (m=1,2,…) (4)

Это условие дифракционных минимумов темных полос на экране).

Условие дифракционных максимумов найдем, взяв производную oт I() но u и приравняв ее к нулю, что приводит к трансцендентному уравнению tg u=u. Решить ато уравнение можно графически

Согласно рис. прямая y=u пересекает кривые y=tg u примерно в точках с координатой по оси абцисс, равной

u=(2m+1)  / 2 =(m+½), а такжеu=0  =0, (5)

что позволяет написать приближенное, но достаточно точное решение уравнения tg u=uв виде

(6)

О
ткуда получим, что условие дифракционных максимумов(светлых полос на экране) имеет вид

bsinm+½) (m=1,2,…). (7)

Центральный максимум при =0 не входит в условие (7)

Распределение интенсивность на экране при дифракции света на одной щели представлено на рис.

Дифракционная решетка и ее применение для разложения немонохроматического излучения источника в спектр.

Дифракционной решеткой можно считать любое устройство, обеспечивающее пространственную периодическую модуляцию падающей на нее световой волны по амплитуде и фазе. Примером дифракционной решетки является периодическая система. Nпараллельных щелей, разделенных непрозрачными промежутками, лежащих в одной плоскости, расстояние dмежду серединами соседних щелей называетсяпериодом илипостоянной решетки.

Дифракционная решетка обладает способностью разлагать немонохроматической излучение источника в спектр, создавая на экране смещенные относительно друг друга дифракционные картины, соответствующие разным длинам волн излучения источника.

Рассмотрим вначале формирование дифракционной картины для излучения источника с фиксированной длиной волны .

Пусть на решетку нормально падает плоская монохроматическая волна с длиной волны ,а дифракционная картина наблюдается на в фокальной плоскости линзы Л.Дифракционная картина на экране представляет собой многолучевую интерференцию когерентных пучков света одинаковой интенсивности, идущих в точку наблюдения Р от всех щелей в направлении.

Для расчета интерференционной картины(ИК) обозначим E 1 () амплитуду волны (формула (2) предыдущего раздела), пришедшей в точку наблюдения Р от первого структурного элемента решетки, амплитуду волны от второго структурного элемента Е 2 =E 1 e i  ,от третьего Е 2 =E 1 e 2i  и т.д. где

=kasin=
(1)

Сдвиг фаз волн, приходящих в точку Р от соседних щелей с расстоянием d между ними.

Полная амплитуда колебаний,создаваемых в точке Р волнами, прихо­дящими в нее от всех N щелей дифракционной решетки, представляется суммой геометрической прогрессии

E P =E 1 ()(1+e i  +e 2i  +…+e i(N-1) )=E 1 ()
(2)

Интенсивность волны в точке Р равна I()=E p E * p ,гдеE * p -комплексно сопряженная амплитуда. Получаем

I()=I 1 ()
(3)

где обозначено

,
(4)

Отсюда следует, что распределение интенсивности на экране I(), создаваемое излучением от N 12 щелей, промодулировано функцией интенсивности одной щели I 1 ()=I 0 (sin(u)/u) 2 .Распределение интенсивности на экране, определяемое формулой (3)представлено на рис.

Из рисунка видно, что в ИК имеются резкие максимумы, называемые главными ,между которыми наблюдаются малоинтенсивные максимумы и минимумы, называемыепобочными. Число побочных минимумов равно N-1,а число побочных максимумов равно N-2.Точки, в которых I 1 ()= 0,называютсяглавными минимумами. Их расположение такое же как и в случае одной щели.

Рассмотрим формирование главных максимумов. Они наблюдаются в направлениях, определяемым условием sin/2=0(но при этом sin N/2=0, что приводит к неопределенности I()=0/00. Условие sin/2=0 дает /2=k или

dsin=k, k=0,1,2,… (5)

где k -порядок главного максимума.

Рассмотрим формирование минимумов. Первое условие sin u=0при u0приводит к условию главных минимумов, такому же как в случае одной щели

bsin=m, m=0,1,2,… (6)

Второе условие sin N/2=0при sin/20определяет положение побочных минимумов при значениях

, … (N-1);

N  , (N+1), … (2N-1); (7)

2 N  , (2N+1),… (3N-1);

Подчеркнутые значения кратны N и приводят к условию главных максимумов N=Nkили /2=k.Эти значениядолжны быть исключены из списка побочных минимумов. Оставшиеся значения можно записать в виде

,где р -целое число, некратное N (8)

откуда получаем условие побочных минимумов

dsin=(k+ P / N), P=0,1,2,…N-1 (9)

где k -фиксированный порядок главного максимума. Можно допустить отрицательные значения р= -1,-2, ...-(N-1),которые дадут положение побочных минимумов слева от k-го главного максимума.

Из условий главных и побочных максимумов и минимумов следует, что излучению с другой длиной волны будет соответствовать другое угловое расположение минимумов и максимумов в дифракционной картине. Это означает, что дифракционная решетка осуществляет разложение немонохроматического излучения источника в спектр.

Характеристики спектральных приборов: угловая и линейная дисперсии и разрешающая способность прибора.

Любой спектральный прибор осуществляет разложения излучения на монохроматические составляющие путем их пространственного разделения с помощью диспергирующего элемента(призмы, дифракционной решетки и т.д.) Чтобы извлечь необходимую информацию из наблюдаемых спектров, прибор должен давать хорошее пространственное разделение спектральных линий, а также обеспечивать возможность раздельного наблюдения близких спектральных линий.

В связи с этим для характеристики качества спектрального прибора вводят следующие величины: угловую D  =ddили линейную D l =dldдисперсии прибора и егоразрешающую способность R=/,где - минимальнаяразность длин волн спектральных линии, которые прибор позволяет видеть раздольно. Чем меньше разность,"видимая" прибором, тем выше его разрешающая способность R.

Угловая дисперсия D  определяет угол=D  ,на который разводит прибор две спектральные линии, длины волн которых отличаются на единицу (например, в оптике полагают= 1нм). Линейная дисперсия D l определяет расстояниеl =D l между спектральными линиями на экране, длины волн которых отличаются на единицу (=1 нм). Чем выше значения Dи D l способность спектрального прибора к пространственному разделению спектральных линий.

Конкретные выражения для дисперсий прибора D  и D l и его разрешающей способности Rзависят от типа прибора, используемого для регистрации спектров излучения различных источников. В данном курсе вопрос о вычислении спектральных характеристик прибора будет рассмотрен на примере дифракционной решетки.

Угловая и линейная дисперсии дифракционной решетки.

Выражение для угловой дисперсии дифракционной решетки можно найти дифференцируя условие главных максимумов d sin =kпо.Получим dcos d=kd,откуда

(1)

Вместо угловой дисперсии можно использовать линейную

(2)

Учитывая, что положение спектральной линии, отсчитываемое от центра дифракционной картины равно l=Ftg ,где F -фокусное расстояние линзы в фокальной плоскости которой регистрируется спектр, получим

, что дает
(3)

Разрешающая способность дифракционной решетки.

Большая угловая дисперсия является необходимым, но недостаточным условием раздельного наблюдения близких спектральных линий. Это объ­ясняется тем, что спектральные линии имеют ширину. Любой детектор (в том числе и глаз) регистрирует огибающую спектральных линий, кото­рые в зависимости от их ширины могут восприниматься либо как одна, либо как две спектральные линии.

В связи с этим вводится дополнительная характеристика спектрального прибора -его разрешающая способность: R=,где -минимальная разность длин волн спектральных линий, которые прибор позволяет видеть раздельно.

Чтобы получить конкретное выражение для R для данного прибора, необходимо задаться критерием разрешения. Известно, что глаз воспринимает две линии раздельно, если глубина "провала" в огибающей спектральных линий составляет не менее 20%от интенсивности в максимумах спектральных линий. Этому условию удовлетворяет критерий, предложенный Рэллеем: две спектральные линии одинаковой интенсивности можно наблюдать раздельно, если максимум одной из них совпадает о "краем" другой. За "края" линии можно принять положение ближайших к ней побочных минимумов.

На рис. изображены две спектральные линии, соответствующе излучениям с длиной волны   <  

Совпадение "края" одной линии с максимумом другой эквивалентно одинаковому угловому положению ,например, максимума, левой линии, соответствующей длине волны  ,и левого "края" линии, соответствующей длине волны  .

Положение k-го максимума спектральной линии с длиной волны   определяется условием

dsin=k  (1)

Положение левого"края" линии с длиной волны   определяется угловым положением ее первого левого побочного минимума (р=-1)

dsin=(k- 1 / N) 2 (2)

Приравнивая правые части формул (1)и(2), получим

K 1 =(k- 1 / N) 2 , илиk(  - 1)=  /N, (3)

(4)

Получили, что разрешающая способность R=kNдифракционной решетки увеличивается с увеличением числа N штрихов на решетке, а при фиксированном N с увеличением порядка k спектра.

Тепловое излучение.

Тепловое излучение(ТИ) -это испускание ЭМ-волн нагретым телом за счет его внутренней энергии. Все остальные виды свечения тел, возбуждаемые за счет видов энергии, отличие от тепловой, называютлюминесценцией.

Поглащательная и отражательная способность тела. Абсолютно черное, белое и серое тела.

В общем случае любое тело отражает, поглощает и пропускает падающее на него излучение. Поэтому для падающего на тело потока излучения можно написать:

(2)

где  , а , t -коэффициенты отражения, поглощения и пропускания, называемые также егоотражательной, поглащательной и пропускательной способностями. Если тело не пропускает излучение, тоt = 0 , и  +a=1 . Вобщем случае коэффициенты  иа зависят от частоты излучения и температуры тела:
и
.

Если тело полностью поглощает падающее на него излучение любой частоты, но не отражает его (а T = 1 ,
),то тело называютабсолютно чёрным, а если тело полностью отражает излучение, но не поглощает его, то тело называютбелым , если жеа T <1 ,то тело называют серым. Если поглащательная способность тела зависит от частоты или длины волны падающего излучения и a  <1 ,то тело называютселективным поглотителем.

Энергетические характеристики излучения.

Поле излучения принято характеризовать потоком излучения Ф (Вт) .

Поток -это энергия, переносимая излучением через произвольную поверхность в единицу времени. Поток излучения, испускаемый единицей площади. тела, называют энергетической светимостью тела и обозначаютR T (Вт/м 3 ) .

Энергетическую светимость тела в интервале частот
обозначают dR  , а если она зависит от температуры телаT , тo dR  .Энергетическая светимость пропорциональна ширинеd  частотного интервала излучения:
.Коэффициент пропорциональности
называютиспускательной пособностью тела илиспектральной энергетической светимостью .

Размерность
.

Энергетическая светимость тела во всем интервале испускаемых частот излучения равна

Связь между спектральными характеристиками излучения по частоте и длине волны.

Характеристики излучения, зависящие от частоты  или длины волны излучения, называютспектральными. Найдем связь между этими харак­теристиками по длине и частоте волны. Учитывая,dR  = dR  ,получим:
. Из связи =с/  следует |d  |=(c/  2 )d  . Тогда

Тепловое излучение. Законы Вина и Стефана-Больцмана.

Тепловое излучение -это ЭМ-излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии. ТИ имеет сплошной спектр, т.е. его испускательная способностьr  или r  в зависимости от частоты или длины волны излучения изменяется непрерывно, без скачков.

ТИ -это единственный вид излучения в природе, которое является равновесным, т.е. находится в термодинамическом или тепловом равновесии с излучающим его телом. Тепловое равновесие означает, что излучающее тело и поле излучения имеют одинаковую температуру.

ТИ является изотропным, т.е. вероятности испускания излучения разных длин волн или частот и поляризаций в разных направлениях равновероятны (одинаковы).

Среди излучающих (поглощающих) тел особое место занимают абсолютно черные тела (АЧТ), которые полностью полащают падающее на него излучение, но не отражают его. Если АЧТ раскалить, то, как показывает опыт, оно будет светить ярче, чем серое тело. Например, если на фарфоровой тарелке нанести рисунок желтой, зеленой и черной краской, а затем тарелку нагреть до высокой температуры, то черный рисунок будет светить ярче, зеленый слабее, и совсем слабо будет светиться желтый рисунок. Примером раскаленного АЧТ является Солнце.

Другим примером АЧТ является полость с малым отверстием и зеркально отражающими внутренними стенками. Внешнее излучение, попав в отверстие, остается внутри полости и практически не выходит из него, т.е. поглощательная способность такой полости равна единице, а это и есть АЧТ. Например, обычное окно в квартире, открытое в солнечный день, не выпускает наружу попавшее внутрь его излучение, и снаружи кажется черным, т.е. ведет себя как АЧТ.

Опыт показывает, что зависимость испускательной способности АЧТ
от длины волны излучения имеет вид:

График
имеет максимум. При увеличении температуры тела максимум зависимости
от смещается в сторону более коротких длин волн (больших частот), а тело начинает светить ярче. Это обстоятельство отражено в двух опытных законах Вина и законе Стефана-Больцмана.

Первый закон Вина утверждает : положение максимума испускательной способности АЧТ (r o  ) m обратно пропорционально его температуре:

(1)

где b = 2,9  10 -3 м  К -первая постоянная Вина.

Второй закон Вина утверждает : максимальная испускательная способность АЧТ пропорциональна пятой степени его температуры:

(2)

где с = 1,3  10 -5 Вт/м 3 К 5 -вторая постоянная Вина.

Если вычислить площадь под графиком испускательной способности АЧТ, то найдем его энергетическую светимость R o T .Она оказывается пропорциональной четвертой степени температуры АЧТ. Таким образом

(3)

Это закон Стефана-Больцмана ,  = 5,67  10 -8 Вт/м 2 К 4 -постоянная Стефана-Больцмана.

Закон Кирхгофа.

Кирхгофом было доказано следующее свойство тепловых излучателей:

отношение испускательной способности тела r  к его поглащательной способностиa  при той же температуреT не зависит от природы из­лучающего тела, для всех тел одинаково и равно испускательной способно­сти АЧТ r o  : r  /a  = r o  .

Это основной закон теплового излучения. Для его доказательства рассмотрим теплоизолированную полость А с малым отверстием, внутри ко­торой находится тело В. Полость А нагрета и обменивается теплом с телом В через поле излучения полости С. В состоянии теплового равновесия тем­пературы полости А, тела В и поля излучения С одинаковы и равны Т. В опыте имеется возможность измерять поток


 излучения, выходящего из отверстия, свойства которого аналогичны свойствам излучения С внутри полости.

Поток излучения   , падающий от нагретой полости А на тело В поглащается этим телом и отражается, а само тело В излучает энергию.

В состоянии теплового равновесия испущенный телом В поток r  и отраженный им поток(1-a  )   должны равняться потоку  теплового излучения полости

(1)

откуда

Это и есть закон Кирхгофа. При его выводе природа тела В не учитывалась, поэтому он справедлив для любого тела и, в частности, для АЧТ, для которого испускательная способность равна r o  ,а поглощательная способностьa  =1 . Имеем:

(2)

Получили, что отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности равно испускательной способности АЧТ при той же температуре Т .Равенствоr o  =   говорит о том, что по выходящему из полости потоку излучения  можно измерить испускательную способность АЧТr o  .

Формула Планка и доказательство с ее помощью опытных законов Вина и Стефана-Больцмана.

Длительное время различные ученые пытались объяснить закономерности излучения АЧТ и получить аналитический вид функции r o  . При попытке решить задачу было получено много важных законов теплового излучения. Так, в частности. Вин на основе законов термодинамики показал, что испускательная способность АЧТr o  является функцией отношения частоты излучения и его температурыT , совпадающей с температурой АЧТ:

r o  = f ( / T)

Впервые явный вид для функции r o  был получен Планком (1905). При этом Планк предположил, что ТИ содержит ЗМ-волны различных частот (длин волн) в интервале (
).Волну фиксированной частоты называютосциллятором ЭМ-поля. По предположению Планка энергия каждого осциллятора поля частоты квантуется, то есть зависит от целочисленного параметра, а значит, изменяется дискретным образом(скачком):

(1)

где  0 ( ) -минимальный квант(порция) энергии, которым может обладать осциллятор поля частоты .

На основе этого предположения Планк получил следующее выражение для испускательной способности АЧТ (см. любой учебник):

(2)

где с = 3  10 8 м/с -скорость света,k=1,38  10 -23 Дж/К -постояннная Больцмана.

В соответствии с теоремой Вина r o  =f( /T) необходимо положить, что квант энергии осциллятора поля пропорционален его частоте :

(3)

где коэффициент пропорциональности h = 6,62  10 -34 Дж  с или
=1, 02  10 -34 называется постоянной Планка, = 2  -циклическая частота излучения (осциллятора поля). Подставив (3)в формулу (2),получим

(4)

(5)

Для практических расчетов удобно подставить значения постоянных c, k, h и записать формулу Планка в виде

(6)

где a 1 = 3,74  10 -16 Вт.м 2 , a 2 = 1,44  10 -2 мК.

Полученное выражение для r o  дает правильное описание закона излучения АЧТ, соответствующее эксперименту. Максимум функции Планка можно найти вычислив производнуюdr o  /d   и приравняв ее к нулю, что дает

(7)

Это первый закон Вина. Подставив  =  m в выражение для функции Планка, получим

(8)

Это второй закон Вина. Интегральная энергетическая светимость (площадь под графиком функции Планка) находится интегрированием функции Планка по веем длинам волн. В результате получим(см. учебник):

(9)

Это закон Стефана-Больцмана. Таким образом, формула Планка объясняет все опытные законы излучения АЧТ.

Излучение серых тел.

Тело, для которого поглощательная способность a  =a  <1 и не зависит от частоты излучения(его длины волны) называютсерым. Для серого тела согласно закону Кирхгофа:

, гдеr o  - функция Планка

, где
(1)

Для несерых тел (селективных поглотителей), для которых a  зависит от  или ,связьR  =a  R 0  не имеет места, и надо вычислять интеграл:

(2)

Часто в веществе в один и тот же момент времени распространяется несколько волн. В таком случае любая частица вещества, которая попадает в это сложное поле волны, совершает колебания, являющиеся результатом каждого из рассматриваемых волновых процессов. Суммарное смещение частицы вещества в произвольный момент времени - это геометрическая сумма смещений, которые вызваны каждым из отдельных процессов колебания. Каждая волна распространяется в веществе так, будто других волновых процессов не существует. Закон сложения волн (колебаний) называют принципом суперпозиции или принципом независимого наложения волн друг на друга. В качестве примера независимого сложения колебаний можно привести сложение колебаний волн звука при игре оркестра. Слушая который, можно различить звучание отдельных инструментов. Если бы принцип суперпозиции не выполнялся, то музыка стала бы не возможна.

Определение интерференции волн

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Сложение колебаний, при котором они взаимно усиливают или ослабляют друг друга, называют интерференцией .

В переводе с французского interferer означает вмешиваться.

Интерференция волн возникает тогда, когда колебания в волнах происходят при одинаковых частотах, одинаковых направлениях смещения частиц и постоянстве разности фаз. Или, иначе говоря, при когерентности источников волн. (В переводе с латинского языка cohaerer - находиться в связи). В том случае, если один поток бегущих волн, создающих последовательно во всех точках исследуемой части поля волны одинаковые колебания, налагается на когерентный поток подобных волн, создающий колебания волны с такой же амплитудой, то интерференция колебаний ведет к неизменному во времени расчленению поля волны на:

1. Области усиления колебаний.
2. Области ослабления колебаний.

Геометрическое расположение места интерференционного усиления колебаний определяет разность хода волн (). Наибольшее усиление колебаний располагается там, где:

где n - целое число; - длина волны.

Максимальное ослабление колебаний происходит там, где:

Явление интерференции можно наблюдать у любых видов волн. Это явление, например, можно наблюдать для волн света. Для определённой величины разности хода прямого и отраженного луча света, попадая в одну точку, рассматриваемые лучи способны полностью погасить друг друга.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1