Реферат: Интерференция света

Интерференция света

П Л А Н:

 

Введение… 3

Объяснениеявления интерференции… 4

Развитие волновойтеории света… 5Исследования Френеляпо интерференции и дифракции света… 7Заключение… 10

Литература… 11

Введение

 

Вторымважным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференциисвета. Простой опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключаетсяв следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями(проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световыхлучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга,замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы егоосвещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, чтоприбавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.

Другойслучай интерференции примерно в те же годы исследовал английский физик РобертГук (1635 – 1703). Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды.При этом он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки илислюдяной пластинки.

Гукподошел к изучению этих явлений с правильной точки зрения. Он полагал, что свет– это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, чтоэти колебания являются поперечными.

Явлениеинтерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижнейповерхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световыхволн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако уГука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывалцвет с частотой колебаний или с длиной волны, и поэтому не смог разработатьтеорию интерференции. Толкование Гука содержит первый, правда, чистокачественный и расплывчатый вариант того, что мы сейчас называеминтерференционным объяснением. Но никто, в том числе и Гук, не смог разобратьсяв этом явлении. Дело в том, что наблюдения делали в белом свете, и тут явленияслишком многообразны и сложны.

Всвоем реферате я покажу хронологию изучения явления интерференции света, атакже постараюсь раскрыть его сущность с различных точек зрения.

Объяснение явления интерференции

Послеоткрытия явления интерференции света его практически сразу же начали изучать.Исаак Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонкихпленках.

Количественныеисследования в этой области трудны, так как толщина споев – порядка 1/1000 мм.Нужно измерять такие малые толщины. Соответственных устройств для этого тогданебыло. Ньютон обходит трудность этого измерения замечательным приемом. Наплоскую стеклянную поверхность он кладет выпуклой стороной плоско-выпуклуюлинзу — объектив телескопа с очень большим радиусом кривизны (рис. 1). Тогдамежду нижней плоской и верхней выпуклой поверхностями образуется чрезвычайнотонкий слой воздуха, обнаруживающий пестрые яркие цвета; цветные кольца в беломсвете и чередование одноцветных светлых и темных колец — в однородном.

Гвоздьустройства в том, что, во-первых, толщина слоя различна в различных местах, т.е. мы имеем здесь как бы набор слоев различной величины, а главное, геометрияздесь такова, что расстояние от центра до данного места значительно, внесколько сот раз больше толщины слоя в этом месте. Измеряя это расстояние, мыопределяем толщину, которая по малости не поддается непосредственномуизмерению, уже при помощи расчета. Вот результат — основной результат Ньютона.Слой воздуха не отражает, если его толщина h равна некоторой величине d иликратному d: h = d, 2d, 3d и т. д. Это уже замечательное явление. Если отставитьнижнюю поверхность, то отражение получается; при присоединении второйповерхности это отражение, как этим опытом показал Ньютон, пропадает. Наоборот,слой сильно отражает, если толщина его равна h = 1/2 d, 3/2 d, 5/2 d и т. д.

Ньютонэкспериментально определил эту толщину d, для цвета на границе между красным ижелтым она оказалась равной 1/89000 дюйма.

/>

Рис. 1 Установка Ньютона дляизучения явления интерференции

Какможно объяснить появление этих колец (называемых кольцами Ньютона) с точкизрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи наопределенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются ипроходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темныхколец.

Нопочему же на одних расстояниях от центра линзы свет отражается, а на другихпреломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи(световые частицы) испытывают «приступы легкого отражения», а в других –«приступы легкого преломления». Но почему это происходит, ученый не могсказать.

Объяснениекольцам Ньютона было дано в начале XIX в. на основе волновой теории светаанглийским ученым Юнгом. Но об этом будет сказано позже. После Ньютонакорпускулярная теории света становится общепризнанной. В течение всего XVIII в.ее придерживались почти все физики.

/>/>/>/>Развитиеволновой теории света

 

Какуже  было сказано выше, после работ Ньютона среди ученых держалось твердоеубеждение в справедливости корпускулярной теории света. Однако все же и в XVIIIв. были ученые, которые возражали против этой теории. Из крупных ученых можноназвать русских академиков М. В. Ломоносова и Л. Эйлера.

Ломоносовсчитал, что свет – это распространяющееся колебательное движение частиц эфира,т. е. неощутимой среды, заполняющей все мировое пространство и пронизывающейпоры весомых тел.

Противкорпускулярной теории света, по Ломоносову, говорит то обстоятельство, чтосветовые лучи, проходя через прозрачное тело с разных сторон, не мешают другдругу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так чтотысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будетмешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет – этопоток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобноволнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь,световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу.

Изизложенного видно, что Ломоносов уже подходил к пониманию явленияинтерференции.

Эйлер,так же как и Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он ужеотчетливо представлял свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этомЭйлер впервые высказал идею о том что цвет определяется частотой колебаний всветовой волне.

Однакони Ломоносов, ни Эйлер не смогли привлечь ученых на сторону волновой теориисвета.

Вконце XVIII в. оптическими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг(1773 – 1829). Он пришел к важной идее, что кольца Ньютона очень просто можнообъяснить с точки зрения волновой теории света, опираясь на принципинтерференции. 0н же впервые и ввел название «интерференция» (от латинских словinter – взаимно и ferio – ударяю).

Весьмавероятно, что интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн.Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяныхволн. Он писал: «Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяныхволн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью ипопадает в узкий канал, выходящий из озера. представим себе также, что поддействием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый,доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн неразрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в капал так, чтогребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн сувеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствоватьвпадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность водыостанется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз,когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю закономинтерференции света».

Юнг,используя явление интерференции, объяснил появление колец Ньютона. Эти кольца вотраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света,отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованнойлинзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависетьразность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать илигасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором – темное.

Еслисвет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. Порасположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волнысоответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волныдля разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данныеНьютона, которые были достаточно точными.

Юнгобъяснил и другие случаи интерференции в тонких пластинках, а также проделалспециальный опыт по интерференции света. Этот опыт, который, как мы говорили,проводил еще Гримальди, известен под названием опыта Юнга.

Вданном опыте наблюдается не только явление интерференции, но и явлениедифракции света. Если закрыть одно отверстие пальцем, то на экране видныдифракционные кольца, образованные в результате прохождения света через малое отверстие.

Результатысвоих исследований по оптике Юнг доложил на ученом заседании Лондонскогокоролевского общества, а также опубликовал их в начале XIX в. Но, несмотря наубедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правотувыводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступитьпротив авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, нерешался.

Наработы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащаягрубые нападки на него. Корпускулярная теория света по-прежнему казаласьнепоколебимой.

/>/>/>/>ИсследованияФренеля по интерференции и дифракции света

Французскийинженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, Огюстен Френепь (1788 – 1827)начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 г. Он незнал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательствоволновой теории света.

В1817 г. Академия наук Франции объявила конкурс на лучшую работу по дифракциисвета. Френель решил участвовать в этом конкурсе. Он написал работу, в которойизложил результаты своих исследований, и направил ее в Академию наук в 1818 г.В этой работе Френель изложил ряд случаев интерференции света, которые онисследовал. В частности, он описал опыт по интерференции света при прохождениичерез две соединенные вместе призмы (так называемая бипризма Френеля).

ОпытФренеля ясно показывает случай интерференции от двух источников света. Спомощью этого опыта Френель подсчитал длину волны для красного света. При этомона получилась равной длине волны для красного света, определенной из другихопытов.

Основноеже внимание в своей работе Френель уделил опытам по дифракции света, длякоторой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась наусовершенствованном принципе Гюйгенса, который в последующем стал называтьсяпринципом Гюйгенса – Френеля.

ПоГюйгенсу, как мы видели выше, волновую поверхность в данный момент времени tможно рассматривать как огибающую всех сферических волн, источниками которыхявляются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий моментвремени t0.

ПоФренелю, значение амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства вмомент времени t можно рассматривать как результат интерференции всехсферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности вболее ранний, предыдущий момент времени t0.

Френель,используя этот принцип, исследовал разные случаи дифракции и рассчиталрасположение полос для этих случаев.

Так,он рассмотрел прохождение света через маленькое отверстие и определил, какаякартина должна быть видна на экране, поставленном за этим отверстием. По егорасчетам, получалось, что на экране будут видны темные и светлые кольца, еслисвет монохроматический. При этом Френель вычислил радиусы этих колец взависимости от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия ирасстояния отверстия до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.

Френельописал и другие случаи дифракции света от различных экранов и рассчиталрасположение дифракционных полос, исходя из волновой теории. При этом всерасчеты Френеля совпадали с результатами, наблюдаемыми на опыте.

Работы,представленные на конкурс, рассматривала специальная комиссия Академии наук. Вее составе были крупнейшие ученые того времени: Араго, Пуассон, Био,Гей-Люссак. Все они держались ньютоновских взглядов на природу света.Естественно, что они недоверчиво отнеслись к работе Френеля. Однако совпадениерасчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что комиссия немогла отвергнуть работу Френеля и была вынуждена присудить ему премию.

Приэтом произошел интересный случай. Рассматривая расчеты Френеля, член комиссииПуассон заметил, что они приводят к парадоксальному результату: согласноФренелю получалось, что в центре тени от круглого экрана должно быть светлоепятно. Однако этого до сих пор никто не наблюдал. Из теории Френеля следовало,что это светлое пятно будет заметно только в том случае, если радиус круглогоэкрана будет малым. Проделанный опыт подтвердил предсказание теории Френеля,что произвело  большое впечатление на членов комиссии.

Итак,комиссия Академии наук присудила премию Френелю за его работу по оптике. Однакоэто вовсе не значит, что волновая теория была признана правильной. Премияученому была дана за метод расчета. Что же касалось самих представлений, наоснове которых был сделан расчет, т.е. представлений о волновой природе света,то академики, рассматривающие работу Френеля, не согласились с ним.

Онирассуждали примерно так: физические основы теории могут быть неверны, арезультаты расчета правильны. Такие случаи история знала. Например, пользуясьтеорией Птолемея о строении Вселенной, можно вести расчеты и получатьправильные результаты положений небесных светил на небе, однако по существу онаневерна.

Нужносказать в защиту академиков, что, несмотря на блестящие результаты, полученныеФренелем, в его теории был определенный изъян. Дело в том, что, кромеинтерференции и дифракции, физики уже исследовали поляризацию света. Но теорияФренеля вопросов поляризации света не касалась. Более того, казалось, что онане в состоянии их объяснить.

Заключение

Начиная   с XIX века взгляды ученых-оптиков постепенносклоняются в пользу волновой  теории света. Уже известные кольца Ньютона, цветатонких пленок и ряд эффектов,  говорящих о неаддитивности освещенности отнескольких источников, весьма смутно  объяснялись корпускулярной теорией. Впервую очередь благодаря работам Томаса Юнга появляется теория интерференциикак явления перераспределения  световой энергии в пространстве. При соблюдениинекоторых условий (когерентность  источников) суммарная интенсивность в даннойточке может оказаться  вдвое больше суммы интенсивностей от двух одинаковыхисточников света, причем  в соседней точке она может оказаться нулевой. Ставшийклассическим интерференционный  опыт Юнга с двумя щелями позволил впервыеоценить длину световой волны.

В данном реферате вкратцеописаны такие моменты, относящиеся к интерференции света, как развитие волновойтеории, опыты Ньютона и Френеля в области интерференции, а также опыты Юнга. 

Литература:

1.   Спасский Б.И.Физика в ее развитии. – М.: Просвещение, 1979;

2.   Дягилев Ф.М.Из истории физики и жизни ее творцов. – М.: Просвещение, 1986;

3. Вавилов С.И. ИсаакНьютон. Издательство Академии наук СССР, 1960г., 294с.