ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 377
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
лазерных источников света явления интерференции могут наблюдаться.
Для наблюдения интерференции приходится прибегать к искусственному приему. Этот прием состоит в том, что заставляют интерферировать части одной и той же волны, идущие от единственного источника и достигающие точки наблюдения по разным путям, благодаря чему между ними возникает некоторая разность хода. Когерентность обеспечивается тем, что обе интерферирующие волны одновременно испускаются одним источником. В опытах с тонкими пленками волна, идущая от источника, расщепляется на две путем отражения от передней и задней поверхностей пленки.
Той же цели можно достигнуть и другими приспособлениями, например при помощи так называемой бипризмы *) (рис. 263, а), где для раздвоения волны использовано преломление. Здесь дело происходит так, как если бы два когерентных источника были расположены в точках S1 и S2.
Рис. 263. Наблюдение интерференции света с помощью бипризмы Френеля: а) схема опыта (вид сверху); б) интерференционная картина
В действительности же имеется единственный реальный источник S. Этот источник представляет собой узкую освещенную щель, параллельную ребру бипризмы. Волна, идущая от источника S, раздваивается путем преломления в двух половинах бипризмы и доходит до точек экрана по двум различным путям, т. е. с определенной разностью хода. На экране будет наблюдаться система чередующихся светлых и темных полос, параллельных ребру бипризмы (рис. 263, б).Полосы располагаются в той части экрана, где происходит перекрывание световых пучков, идущих от двух половинок бипризмы (заштрихованная область на рис. 263, а).
Разность хода между обоими интерферирующими лучами ограничена по следующим соображениям. Атом в каж-
*) Би — от латинского слова bis — дважды; бипризма — двойная призма
дый акт излучения испускает систему волн (волновой цуг), которая распространяется во времени и пространстве, сохраняя синусоидальность (см. § 5). Однако длительность цуга ограничена затуханием колебаний электрона в самом атоме и столкновениями этого атома с другими атомами. Длина цуга, или, как ее называют, длина когерентности такого цуга, в самых благоприятных условиях излучения достигает около 30 см, а временная длительность его не больше 10
-8—10-9 с. Необходимое условие интерференции заключается в том, чтобы разность хода (разность оптических путей, т. е. произведения показателей преломления на геометрические длины путей) обоих лучей была не больше длины когерентности порождающего их волнового цуга. Рис. 264 иллюстрирует это условие.
Рис. 264. К интерференции двух цугов световых волн: а) разность хода обоих цугов волн больше длины когерентности — интерференции нет; б) разность хода равна нулю— интерференция есть; в) на пути одного из цугов помещена стеклянная пластинка (n>1), разность хода обоих цугов больше длины когерентности — интерференции нет
Идеальным источником света служит квантовый генератор (лазер), который по своей физической природе, как источник вынужденного излучения, является когерентным (см. §202). Длина когерентности лазерного цуга простирается на тысячи километров, а длительность цуга достигает сотых долей секунды. Благодаря квантовому генератору удалось создать новую область оптики — когерентную оптику, имеющую огромные теоретические и технические достижения и необозримые перспективы.
Если источник света в опыте с бипризмой (опыт Френеля) испускает белый свет, то мы увидим цветную интерференционную картину, как это имеет место и при наблюдении интерференции в тонких пленках. Если же источник посылает одноцветный, т. е. монохроматический, свет (например, свет от дугового разряда в газе, прошедший сквозь соответствующий светофильтр), то интерференционная картина состоит из чередующихся светлых и темных полос. Положение этих полое зависит от цвета, так что места, соответствующие минимуму в одном цвете, могут оказаться местами максимума для другого цвета. Это означает, что расстояние от источников S1и S2 до рассматриваемого места экрана выражается четным числом полуволн одного цвета и нечетным числом полуволн другого цвета. Иными словами, длины световых волн различного цвета различны. Таким образом, свет различного цвета физически характеризуется различием в длинах волн.
Так как положение интерференционных полос зависит от длины волны, то с помощью опыта Френеля можно определить длину световой волны, произведя соответствующие измерения. Подобные измерения показали, например, что пламя, окрашенное парами натрия (желтый цвет), испускает свет двух длин волн — 589,0 и 589,6 нм. Измерения показывают, что
длина волны уменьшается при переходе от красного света к фиолетовому в порядке расположения цветов в радуге.
Известно, что оценка цвета, даваемая глазом, довольно неопределенна, так что под названием красного или желтого цвета, например, мы понимаем довольно разнообразные оттенки. Поэтому указание длины волны для каждого такого цвета имеет ориентировочный характер. Фиолетовый цвет соответствует длинам волн от 400 до 450 нм, синий — от 450 до 480 нм, голубой — от 480 до 500 нм, зеленый — от 500 до 560 нм, желтый— от 560 до 590 нм, оранжевый — от 590 до 620 нм, красный — от 620 до 760 нм. Таким образом, указание цвета характеризует свет приближенно. Наоборот, длина волны является точной количественной характеристикой цвета, которой и пользуются во всех научных измерениях.
§ 125. Объяснение цветов тонких пленок. Опираясь на сказанное в предыдущем параграфе, мы можем составить себе отчетливое представление о происхождении цветов тонких пленок. При освещении прозрачной пленки часть световой волны отражается от передней поверхности, часть от задней, благодаря чему встречаются волны с некоторой разностью хода. Нетрудно видеть (рис. 265), что эта разность хода зависит от толщины пленки, определяющей длину пути волны внутри пленки. В тех местах пленки, где эта разность хода достигает четного числа полуволн, обе части волны взаимно усиливают друг друга (максимум), там же, где разность хода выражается нечетным числом полуволн, имеет место взаимное ослабление (минимум). Так как пленка в разных
Рис. 265. Разность хода (AВС, А'В'С) двух частей световой волны, отражающейся от передней и задней поверхностей тонкой пленки, зависит от толщины пленки в месте отражения
местах может иметь разную толщину, то области максимумов и минимумов дают на ее поверхности картину темных и светлых мест, если опыт производится в монохроматическом (одноцветном) свете, или картину разноцветных полос, если применяется белый свет. Для наблюдения этой интерференционной картины, надо рассматривать поверхность пленки, т. е. аккомодировать глаз на ее поверхность. Это значит, что интерференционная картина локализована (находится) вблизи поверхности пленки. В некоторых случаях это можно обнаружить, перемещая вдоль поверхности пленки миниатюрный приемник света (фотоэлемент или термоэлемент), соединенный с гальванометром. Чередующиеся при перемещении фотоприемника максимальные и минимальные показания гальванометра подтверждают неравномерное распределение освещенности в интерференционном световом поле около пленки. Картина интерференционных полос в подобных опытах показывает, каким образом распределены области одинаковой толщины в пленке, и позволяет в известной мере судить о виде пленки. Так, рис. 266 показывает, что пленка имеет вид вертикального клина. Такую пленку можно изготовить, окунув проволочное кольцо в мыльный раствор и расположив кольцо вертикально. Под действием силы тяжести раствор стекает книзу и пленка принимает форму клина, пологого вверху и постепенно расширяющегося книзу (рис. 266,
б).Рассматривая такой клин, освещенный светом Солнца или проекционного фонаря, мы увидим ряд горизонтальных цветных полос, параллельных ребру клина, Полосы повторяются в известной последовательности цветов. В монохроматическом свете (красный светофильтр) получим чередование светлых (красных) и темных полос той же формы (см. рис. IV на форзаце). В пленках со случайным распределением толщины (например, в пленке нефти на поверхности воды) расположение полос максимумов и минимумов
Рис. 266. Интерференционные полосы (а) в клинообразной пленке (б): ширина полос уменьшается книзу по мере увеличения толщины пленки; сечение пленки изображено по толщине сильно преувеличенным. Толщина ее даже внизу не превосходит нескольких микрометров
имеет прихотливый характер. Понятна также и роль угла, под которым наблюдается пленка. В зависимости от направления наблюдения и от угла падения света на пленку, путь света внутри пленки будет большим или меньшим, а следовательно, разность хода между частями волны, отраженными от передней и задней поверхностей пленки, будет различной.
§ 126. Кольца Ньютона. Прихотливый вид интерференционных картин в тонких пленках объясняется, как сказано, случайными неравномерностями в толщине пленки. В пленке, имеющей вид клина, области одинаковой толщины вытянуты вдоль ребра клина и в соответствии с этим так же расположены темные и светлые (цветные) полосы интерференции.
Очень важным видоизменением опыта с клинообразной пленкой является опыт, произведенный еще в 1675 г. Английский физик и математик Исаак Ньютон (1643—1727) наблюдал цвета тонкой прослойки воздуха, заключенной между плоским стеклом и выпуклой поверхностью объектива астрономического рефрактора. Радиус кривизны выпуклой поверхности объектива в опыте Ньютона был около 10 м, поэтому толщина прослойки воздуха между плотно сжатыми стеклами очень медленно и правильно возрастала от места соприкосновения стекол (где она равна нулю) к наружным частям объектива.
Если смотреть на такую систему, то темное место соприкосновения обоих стекол оказывается окруженным светлой кольцевой полосой, которая постепенно переходит в темную, вновь сменяется светлой и т. д. По мере увеличения диаметра кольца толщина воздушной прослойки возрастает неравномерно, воздушный клин становится все круче и соответственно ширина кольцевых полос, т. е. расстояние между двумя соседними минимумами, становится меньше. Такова
Рис. 267. Наблюдение интерференционных колец Ньютона: а) схема опыта; б) интерференционные кольца. 1 — источник света (лампочка с фильтром 2, или натриевая горелка), 3 — вспомогательный конденсор, 4 — стеклянная пластинка, отражающая свет, 5 — длиннофокусная линза и 6 — плоская пластинка, образующие воздушную прослойку, 7 — микроскоп для наблюдения колец и промера их диаметра
картина, наблюдаемая в монохроматическом свете; в белом свете наблюдается система цветных колец, постепенно переходящих друг в друга. По мере удаления от центрального темного пятна цветные полосы становятся все уже и белесоватее благодаря перекрытию цветов, пока, наконец, не исчезают всякие следы интерференционной картины.
На основании изложенного выше нетрудно понять, почему интерференционная картина имеет в данном случае вид системы концентрических колец. Места равной толщины в воздушной прослойке, которые соответствуют местам с одинаковой разностью хода световых волн, имеют форму окружностей. По этим окружностям и располагаются места равной интенсивности в интерференционной картине.
Удобное расположение приборов, позволяющее наблюдать и промерять кольца Ньютона, изображено на рис. 267. На столике микроскопа с небольшим увеличением расположено плоское стекло, сложенное с линзой малой кривизны. Наблюдение ведется через микроскоп по направлению, перпендикулярному к плоскости стекла. Для того чтобы освещающий свет также падал перпендикулярно к плоскости стекла, заставляют свет источника отражаться от стеклянной пластинки, поставленной под углом 45° к оси микроскопа. Таким образом, интерференционная картина рассматривается сквозь эту стеклянную пластинку. Практически пластинка не мешает наблюдению колец, ибо сквозь нее проходит вполне достаточно света. Для усиления освещения можно применять конденсор. Источником света служит горелка, пламя которой окрашено парами натрия (монохроматический свет), или лампочка накаливания, которую можно прикрывать цветными светофильтрами.
127. Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона.
Для того чтобы использовать интерференционные явления, в частности кольца Ньютона для измерения длины волны, надо подробнее рассмотреть условия образования максимумов и минимумов света.
Для наблюдения интерференции приходится прибегать к искусственному приему. Этот прием состоит в том, что заставляют интерферировать части одной и той же волны, идущие от единственного источника и достигающие точки наблюдения по разным путям, благодаря чему между ними возникает некоторая разность хода. Когерентность обеспечивается тем, что обе интерферирующие волны одновременно испускаются одним источником. В опытах с тонкими пленками волна, идущая от источника, расщепляется на две путем отражения от передней и задней поверхностей пленки.
Той же цели можно достигнуть и другими приспособлениями, например при помощи так называемой бипризмы *) (рис. 263, а), где для раздвоения волны использовано преломление. Здесь дело происходит так, как если бы два когерентных источника были расположены в точках S1 и S2.
Рис. 263. Наблюдение интерференции света с помощью бипризмы Френеля: а) схема опыта (вид сверху); б) интерференционная картина
В действительности же имеется единственный реальный источник S. Этот источник представляет собой узкую освещенную щель, параллельную ребру бипризмы. Волна, идущая от источника S, раздваивается путем преломления в двух половинах бипризмы и доходит до точек экрана по двум различным путям, т. е. с определенной разностью хода. На экране будет наблюдаться система чередующихся светлых и темных полос, параллельных ребру бипризмы (рис. 263, б).Полосы располагаются в той части экрана, где происходит перекрывание световых пучков, идущих от двух половинок бипризмы (заштрихованная область на рис. 263, а).
Разность хода между обоими интерферирующими лучами ограничена по следующим соображениям. Атом в каж-
*) Би — от латинского слова bis — дважды; бипризма — двойная призма
дый акт излучения испускает систему волн (волновой цуг), которая распространяется во времени и пространстве, сохраняя синусоидальность (см. § 5). Однако длительность цуга ограничена затуханием колебаний электрона в самом атоме и столкновениями этого атома с другими атомами. Длина цуга, или, как ее называют, длина когерентности такого цуга, в самых благоприятных условиях излучения достигает около 30 см, а временная длительность его не больше 10
-8—10-9 с. Необходимое условие интерференции заключается в том, чтобы разность хода (разность оптических путей, т. е. произведения показателей преломления на геометрические длины путей) обоих лучей была не больше длины когерентности порождающего их волнового цуга. Рис. 264 иллюстрирует это условие.
Рис. 264. К интерференции двух цугов световых волн: а) разность хода обоих цугов волн больше длины когерентности — интерференции нет; б) разность хода равна нулю— интерференция есть; в) на пути одного из цугов помещена стеклянная пластинка (n>1), разность хода обоих цугов больше длины когерентности — интерференции нет
Идеальным источником света служит квантовый генератор (лазер), который по своей физической природе, как источник вынужденного излучения, является когерентным (см. §202). Длина когерентности лазерного цуга простирается на тысячи километров, а длительность цуга достигает сотых долей секунды. Благодаря квантовому генератору удалось создать новую область оптики — когерентную оптику, имеющую огромные теоретические и технические достижения и необозримые перспективы.
Если источник света в опыте с бипризмой (опыт Френеля) испускает белый свет, то мы увидим цветную интерференционную картину, как это имеет место и при наблюдении интерференции в тонких пленках. Если же источник посылает одноцветный, т. е. монохроматический, свет (например, свет от дугового разряда в газе, прошедший сквозь соответствующий светофильтр), то интерференционная картина состоит из чередующихся светлых и темных полос. Положение этих полое зависит от цвета, так что места, соответствующие минимуму в одном цвете, могут оказаться местами максимума для другого цвета. Это означает, что расстояние от источников S1и S2 до рассматриваемого места экрана выражается четным числом полуволн одного цвета и нечетным числом полуволн другого цвета. Иными словами, длины световых волн различного цвета различны. Таким образом, свет различного цвета физически характеризуется различием в длинах волн.
Так как положение интерференционных полос зависит от длины волны, то с помощью опыта Френеля можно определить длину световой волны, произведя соответствующие измерения. Подобные измерения показали, например, что пламя, окрашенное парами натрия (желтый цвет), испускает свет двух длин волн — 589,0 и 589,6 нм. Измерения показывают, что
длина волны уменьшается при переходе от красного света к фиолетовому в порядке расположения цветов в радуге.
Известно, что оценка цвета, даваемая глазом, довольно неопределенна, так что под названием красного или желтого цвета, например, мы понимаем довольно разнообразные оттенки. Поэтому указание длины волны для каждого такого цвета имеет ориентировочный характер. Фиолетовый цвет соответствует длинам волн от 400 до 450 нм, синий — от 450 до 480 нм, голубой — от 480 до 500 нм, зеленый — от 500 до 560 нм, желтый— от 560 до 590 нм, оранжевый — от 590 до 620 нм, красный — от 620 до 760 нм. Таким образом, указание цвета характеризует свет приближенно. Наоборот, длина волны является точной количественной характеристикой цвета, которой и пользуются во всех научных измерениях.
§ 125. Объяснение цветов тонких пленок. Опираясь на сказанное в предыдущем параграфе, мы можем составить себе отчетливое представление о происхождении цветов тонких пленок. При освещении прозрачной пленки часть световой волны отражается от передней поверхности, часть от задней, благодаря чему встречаются волны с некоторой разностью хода. Нетрудно видеть (рис. 265), что эта разность хода зависит от толщины пленки, определяющей длину пути волны внутри пленки. В тех местах пленки, где эта разность хода достигает четного числа полуволн, обе части волны взаимно усиливают друг друга (максимум), там же, где разность хода выражается нечетным числом полуволн, имеет место взаимное ослабление (минимум). Так как пленка в разных
Рис. 265. Разность хода (AВС, А'В'С) двух частей световой волны, отражающейся от передней и задней поверхностей тонкой пленки, зависит от толщины пленки в месте отражения
местах может иметь разную толщину, то области максимумов и минимумов дают на ее поверхности картину темных и светлых мест, если опыт производится в монохроматическом (одноцветном) свете, или картину разноцветных полос, если применяется белый свет. Для наблюдения этой интерференционной картины, надо рассматривать поверхность пленки, т. е. аккомодировать глаз на ее поверхность. Это значит, что интерференционная картина локализована (находится) вблизи поверхности пленки. В некоторых случаях это можно обнаружить, перемещая вдоль поверхности пленки миниатюрный приемник света (фотоэлемент или термоэлемент), соединенный с гальванометром. Чередующиеся при перемещении фотоприемника максимальные и минимальные показания гальванометра подтверждают неравномерное распределение освещенности в интерференционном световом поле около пленки. Картина интерференционных полос в подобных опытах показывает, каким образом распределены области одинаковой толщины в пленке, и позволяет в известной мере судить о виде пленки. Так, рис. 266 показывает, что пленка имеет вид вертикального клина. Такую пленку можно изготовить, окунув проволочное кольцо в мыльный раствор и расположив кольцо вертикально. Под действием силы тяжести раствор стекает книзу и пленка принимает форму клина, пологого вверху и постепенно расширяющегося книзу (рис. 266,
б).Рассматривая такой клин, освещенный светом Солнца или проекционного фонаря, мы увидим ряд горизонтальных цветных полос, параллельных ребру клина, Полосы повторяются в известной последовательности цветов. В монохроматическом свете (красный светофильтр) получим чередование светлых (красных) и темных полос той же формы (см. рис. IV на форзаце). В пленках со случайным распределением толщины (например, в пленке нефти на поверхности воды) расположение полос максимумов и минимумов
Рис. 266. Интерференционные полосы (а) в клинообразной пленке (б): ширина полос уменьшается книзу по мере увеличения толщины пленки; сечение пленки изображено по толщине сильно преувеличенным. Толщина ее даже внизу не превосходит нескольких микрометров
имеет прихотливый характер. Понятна также и роль угла, под которым наблюдается пленка. В зависимости от направления наблюдения и от угла падения света на пленку, путь света внутри пленки будет большим или меньшим, а следовательно, разность хода между частями волны, отраженными от передней и задней поверхностей пленки, будет различной.
§ 126. Кольца Ньютона. Прихотливый вид интерференционных картин в тонких пленках объясняется, как сказано, случайными неравномерностями в толщине пленки. В пленке, имеющей вид клина, области одинаковой толщины вытянуты вдоль ребра клина и в соответствии с этим так же расположены темные и светлые (цветные) полосы интерференции.
Очень важным видоизменением опыта с клинообразной пленкой является опыт, произведенный еще в 1675 г. Английский физик и математик Исаак Ньютон (1643—1727) наблюдал цвета тонкой прослойки воздуха, заключенной между плоским стеклом и выпуклой поверхностью объектива астрономического рефрактора. Радиус кривизны выпуклой поверхности объектива в опыте Ньютона был около 10 м, поэтому толщина прослойки воздуха между плотно сжатыми стеклами очень медленно и правильно возрастала от места соприкосновения стекол (где она равна нулю) к наружным частям объектива.
Если смотреть на такую систему, то темное место соприкосновения обоих стекол оказывается окруженным светлой кольцевой полосой, которая постепенно переходит в темную, вновь сменяется светлой и т. д. По мере увеличения диаметра кольца толщина воздушной прослойки возрастает неравномерно, воздушный клин становится все круче и соответственно ширина кольцевых полос, т. е. расстояние между двумя соседними минимумами, становится меньше. Такова
Рис. 267. Наблюдение интерференционных колец Ньютона: а) схема опыта; б) интерференционные кольца. 1 — источник света (лампочка с фильтром 2, или натриевая горелка), 3 — вспомогательный конденсор, 4 — стеклянная пластинка, отражающая свет, 5 — длиннофокусная линза и 6 — плоская пластинка, образующие воздушную прослойку, 7 — микроскоп для наблюдения колец и промера их диаметра
картина, наблюдаемая в монохроматическом свете; в белом свете наблюдается система цветных колец, постепенно переходящих друг в друга. По мере удаления от центрального темного пятна цветные полосы становятся все уже и белесоватее благодаря перекрытию цветов, пока, наконец, не исчезают всякие следы интерференционной картины.
На основании изложенного выше нетрудно понять, почему интерференционная картина имеет в данном случае вид системы концентрических колец. Места равной толщины в воздушной прослойке, которые соответствуют местам с одинаковой разностью хода световых волн, имеют форму окружностей. По этим окружностям и располагаются места равной интенсивности в интерференционной картине.
Удобное расположение приборов, позволяющее наблюдать и промерять кольца Ньютона, изображено на рис. 267. На столике микроскопа с небольшим увеличением расположено плоское стекло, сложенное с линзой малой кривизны. Наблюдение ведется через микроскоп по направлению, перпендикулярному к плоскости стекла. Для того чтобы освещающий свет также падал перпендикулярно к плоскости стекла, заставляют свет источника отражаться от стеклянной пластинки, поставленной под углом 45° к оси микроскопа. Таким образом, интерференционная картина рассматривается сквозь эту стеклянную пластинку. Практически пластинка не мешает наблюдению колец, ибо сквозь нее проходит вполне достаточно света. Для усиления освещения можно применять конденсор. Источником света служит горелка, пламя которой окрашено парами натрия (монохроматический свет), или лампочка накаливания, которую можно прикрывать цветными светофильтрами.
127. Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона.
Для того чтобы использовать интерференционные явления, в частности кольца Ньютона для измерения длины волны, надо подробнее рассмотреть условия образования максимумов и минимумов света.