Інтерференція світла 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Інтерференція світла
П Л А Н:
Введення ................................................. .................................................. .... 3
Пояснення явища інтерференції ............................................... ......... 4

Розвиток хвильової теорії світла .............................................. .................. 5

Дослідження Френеля з інтерференції і дифракції світла ............. 7

Висновок ................................................. ................................................ 10

Література ................................................. ................................................. 11

Введення
Другим важливим відкриттям, що належать до фізичної оптики, було відкриття інтерференції світла. Простий досвід з інтерференції світла спостерігав Грімальді. Досвід полягає в наступному: на шляху сонячних променів ставлять екран з двома близькими отворами (проробленими у віконниці, що закриває вікно); виходять два конуса світлових променів. Помістивши екран в тому місці, де ці конуси накладаються один на одного, помічають, що в деяких місцях освітленість екрана менше, ніж якщо б його висвітлював тільки один світловий конус. З цього досвіду Грімальді зробив висновок, що додаток світла до світла не завжди збільшує освітленість.
Інший випадок інтерференції приблизно в ті ж роки досліджував англійський фізик Роберт Гук (1635 - 1703). Він вивчав кольору мильних плівок і тонких пластинок зі слюди. При цьому він виявив, що ці кольори залежать від товщини мильної плівки або слюдяної платівки.
Гук підійшов до вивчення цих явищ з правильної точки зору. Він вважав, що світло - це коливальні рухи, що поширюються в ефірі. Він навіть вважав, що ці коливання є поперечними.
Явище інтерференції світла в тонких плівках Гук пояснював тим, що від верхньої і нижньої поверхні тонкої, наприклад мильною, плівки відбувається віддзеркалення світлових хвиль, які, потрапляючи в око, виробляють відчуття різних кольорів. Однак у Гука не було правильного уявлення про те, що таке колір. Він не пов'язував колір з частотою коливань або з довжиною хвилі, і тому не зміг розробити теорію інтерференції. Тлумачення Гука містить перший, щоправда, чисто якісний і розпливчастий варіант того, що ми зараз називаємо інтерференційних поясненням. Але ніхто, в тому числі і Гук, не зміг розібратися в цьому явищі. Справа в тому, що спостереження робили в білому світі, і тут явища надто різноманітні і складні.
У своєму рефераті я покажу хронологію вивчення явища інтерференції світла, а також постараюся розкрити його сутність з різних точок зору.

Пояснення явища інтерференції
Після відкриття явища інтерференції світла його практично відразу ж почали вивчати. Ісаак Ньютон зробив важливий крок у дослідженні інтерференції світла в тонких плівках.
Кількісні дослідження в цій області важкі, так як товщина споев - близько 1 / 1000 мм. Потрібно вимірювати такі малі товщини. Відповідних пристроїв для цього тоді не було. Ньютон обходить труднощі цього виміру чудовим прийомом. На плоску скляну поверхню він кладе опуклою стороною плоско-опуклу лінзу - об'єктив телескопа з дуже великим радіусом кривизни (рис. 1). Тоді між нижньою плоскою і верхньої опуклої поверхнями утворюється надзвичайно тонкий шар повітря, який виявляє строкаті яскраві кольори; кольорові кільця в білому світі і чергування одноколірних світлих і темних кілець - в однорідному.
Цвях пристрою в тому, що, по-перше, товщина шару різна в різних місцях, тобто ми маємо тут як би набір шарів різної величини, а головне, геометрія тут така, що відстань від центру до даного місця значно, у декілька сот разів більше товщини шару в цьому місці. Вимірюючи це відстань, ми визначаємо товщину, яка по дрібниці не піддається безпосередньому виміру, вже за допомогою розрахунку. Ось результат - основний результат Ньютона. Шар повітря не відображає, якщо його товщина h дорівнює деякій величині d або кратного d: h = d, 2d, 3d і т. д. Це вже чудове явище. Якщо відставити нижню поверхню, то відображення виходить; при приєднанні другий поверхні це відображення, як цим досвідом показав Ньютон, пропадає. Навпаки, шар сильно відбиває, якщо товщина його дорівнює h = 1 / 2 d, 3 / 2 d, 5 / 2 d і т. д.
Ньютон експериментально визначив цю товщину d, для кольору на кордоні між червоним і жовтим вона виявилася рівною 1 / 89 000 дюйми.

Рис. 1 Установка Ньютона для вивчення явища інтерференції
Як можна пояснити появу цих кілець (званих кільцями Ньютона) з точки зору нової теорії світла? Падаючи зверху на лінзу, світлові промені на певних відстанях від центру або відображаються, або заломлюються і проходять через установку. У результаті чого ми бачимо систему світлих і темних кілець.
Але чому ж на одних відстанях від центру лінзи світло відбивається, а на інших заломлюється? На це питання Ньютон відповів, що в одних місцях світлові промені (світлові частинки) відчувають «напади легкого відображення», а в інших - «напади легкого заломлення». Але чому це відбувається, вчений не міг сказати.
Пояснення кільцям Ньютона було дано на початку XIX ст. на основі хвильової теорії світла англійським вченим Юнгом. Але про це буде сказано пізніше. Після Ньютона корпускулярна теорії світла стає загальновизнаною. Протягом всього XVIII ст. її дотримувалися майже всі фізики.

Розвиток хвильової теорії світла

Як вже було сказано вище, після робіт Ньютона серед вчених трималося тверде переконання в справедливості нової теорії світла. Проте все ж таки і в XVIII ст. були вчені, які заперечували проти цієї теорії. З великих учених можна назвати російських академіків М. В. Ломоносова і Л. Ейлера.
Ломоносов вважав, що світло - це розповсюджується коливальний рух частинок ефіру, тобто невідчутною середовища, яке заповнює весь світовий простір і пронизує пори вагомих тел.
Проти корпускулярної теорії світла, по Ломоносову, говорить та обставина, що світлові промені, проходячи через прозоре тіло з різних сторін, не заважають один одному. Навколо алмазу, пише Ломоносов, можна поставити тисячі свічок, так що тисячі пучків світла будуть перетинати один одного і при цьому жоден промінь не буде заважати іншому. Цей факт суперечить уявленню про те, що світло - це потік світлових частинок, але він не суперечить хвильової теорії світла. Подібно хвилям на воді, які проходять через одну і ту ж крапку не змінюючись, світлові хвилі проходять через прозорі тіла, не заважаючи один одному.
З викладеного видно, що Ломоносов вже підходив до розуміння явища інтерференції.
Ейлер, так само як і Ломоносов, висловлювався проти корпускулярної теорії світла. Він вже чітко уявляв світло як хвилі, що поширюються в ефірі. При цьому Ейлер вперше висловив ідею про те що колір визначається частотою коливань світлової хвилі.
Однак ні Ломоносов, ні Ейлер не змогли залучити вчених на бік хвильової теорії світла.
В кінці XVIII ст. оптичними дослідженнями зайнявся англійський учений Томас Юнг (1773 - 1829). Він прийшов до важливої ​​ідеї, що кільця Ньютона дуже просто можна пояснити з точки зору хвильової теорії світла, спираючись на принцип інтерференції. 0н ж вперше і ввів назву «інтерференція» (від латинських слів inter - взаємно і ferio - ударяю).
Досить імовірно, що інтерференцію Юнг відкрив, спостерігаючи це явище для водяних хвиль. У всякому разі, описуючи це явище, він розглядав інтерференцію водяних хвиль. Він писав: «Уявімо собі, що деяка кількість однакових водяних хвиль рухається по поверхні гладкого озера з деякою постійною швидкістю і потрапляє у вузький канал, що виходить з озера. уявімо собі також, що під дією іншої причини утворився такий же ряд хвиль, який, як і перший, доходить до цього каналу з тією ж швидкістю. Жоден з цих рядів хвиль не зруйнує іншого, а їх дії з'єднаються. Якщо вони вступають в капав так, що гребені одного ряду збігаються з гребенями іншого, то утворюється ряд хвиль зі збільшеними гребенями. Але якщо гребені одного ряду будуть відповідати западин іншого, то вони в точності заповнять ці западини і поверхня води залишиться гладкою. Я вважаю, що подібні ефекти мають місце щоразу, коли подібним чином змішуються дві частини світла. Це явище я називаю законом інтерференції світла ».
Юнг, використовуючи явище інтерференції, пояснив появу кілець Ньютона. Ці кільця у відбитому світлі виникають в результаті інтерференції двох променів світла, відбитих від верхньої і нижньої поверхонь повітряного прошарку, утвореної лінзою і скляною пластинкою. Від товщини цього прошарку буде залежати різниця ходу між зазначеними променями. Зокрема, вони можуть посилювати чи гасити один одного. У першому випадку ми бачимо світле кільце, в другому - темне.
Якщо світло, що висвітлює установку, білий, то будуть спостерігатися кольорові кільця. За розташуванням кілець для різних квітів можна підрахувати довжину хвилі відповідних кольорових променів. Юнг проробив цей розрахунок і визначив довжину хвилі для різних ділянок спектра. Цікаво, що при цьому він використовував дані Ньютона, які були досить точними.
Юнг пояснив і інші випадки інтерференції в тонких пластинках, а також виконав спеціальний досвід з інтерференції світла. Цей досвід, який, як ми говорили, проводив ще Грімальді, відомий під назвою досвіду Юнга.
У даному досвіді спостерігається не тільки явище інтерференції, а й явище дифракції світла. Якщо закрити один отвір пальцем, то на екрані видно дифракційні кільця, утворені в результаті проходження світла через малий отвір.
Результати своїх досліджень з оптики Юнг доповів на вченій засіданні Лондонського королівського товариства, а також опублікував їх на початку XIX ст. Але, незважаючи на переконливість робіт Юнга, ніхто не хотів їх визнавати. Адже визнати правоту висновків Юнга означало відмовитися від звичних поглядів і, крім того, виступити проти авторитету Ньютона. На це поки ще ніхто, крім самого Юнга, не наважувався.
На роботи Юнга не звернули уваги, а в пресі навіть з'явилася стаття, що містить грубі нападки на нього. Корпускулярна теорія світла, як і раніше здавалася непохитною.

Дослідження Френеля з інтерференції і дифракції світла

Французький інженер, що став згодом знаменитим фізиком, Огюстен Френепь (1788 - 1827) почав займатися вивченням явищ інтерференції та дифракції з 1814 р. Він не знав про роботи Юнга, але подібно до нього побачив у цих явищах доказ хвильової теорії світла.
У 1817 р. Академія наук Франції оголосила конкурс на кращу роботу по дифракції світла. Френель вирішив брати участь у цьому конкурсі. Він написав роботу, в якій виклав результати своїх досліджень, і направив її до Академії наук у 1818 р. У цій роботі Френель виклав ряд випадків інтерференції світла, які він досліджував. Зокрема, він описав досвід з інтерференції світла при проходженні через дві з'єднані разом призми (так звана бипризмой Френеля).
Досвід Френеля ясно показує випадок інтерференції від двох джерел світла. За допомогою цього досвіду Френель підрахував довжину хвилі для червоного світла. При цьому вона вийшла рівною довжині хвилі для червоного світла, визначеної з інших дослідів.
Основну ж увагу у своїй роботі Френель приділив дослідам по дифракції світла, для якої розробив спеціальну теорію. Ця теорія виходила на вдосконаленому принципі Гюйгенса, який у подальшому став називатися принципом Гюйгенса - Френеля.
За Гюйгенсу, як ми бачили вище, хвильову поверхню в даний момент часу t можна розглядати як огибающую всіх сферичних хвиль, джерелами яких є всі крапки хвильової поверхні в більш ранній, попередній момент часу t 0.
За Френелю, значення амплітуди світлової хвилі в будь-якій точці простору в момент часу t можна розглядати як результат інтерференції всіх сферичних хвиль, джерелами яких є всі крапки хвильової поверхні в більш ранній, попередній момент часу t 0.
Френель, використовуючи цей принцип, досліджував різні випадки дифракції і розрахував розташування смуг для цих випадків.
Так, він розглянув проходження світла через маленький отвір і визначив, яка картина повинна бути видна на екрані, поставленому за цим отвором. За його розрахунками, виходило, що на екрані буде видно темні і світлі кільця, якщо світло монохроматичне. При цьому Френель обчислив радіуси цих кілець в залежності від розмірів отвору, від відстані джерела світла до отвору і відстані отвору до екрану, на якому спостерігається дифракційна картина.
Френель описав і інші випадки дифракції світла від різних екранів і розрахував розташування дифракційних смуг, виходячи з хвильової теорії. При цьому всі розрахунки Френеля збігалися з результатами, які спостерігаються на досвіді.
Роботи, представлені на конкурс, розглядала спеціальна комісія Академії наук. У її складі були найбільші вчені того часу: Араго, Пуассон, Біо, Гей-Люссак. Всі вони трималися ньютонівських поглядів на природу світла. Природно, що вони недовірливо поставилися до роботи Френеля. Однак збіг розрахунків Френеля з досвідченими даними було настільки гарним, що комісія не могла відкинути роботу Френеля і була змушена присудити йому премію.
При цьому стався цікавий випадок. Розглядаючи розрахунки Френеля, член комісії Пуассон зауважив, що вони призводять до парадоксального результату: згідно Френелю виходило, що в центрі тіні від круглого екрану має бути світла пляма. Однак цього досі ніхто не спостерігав. З теорії Френеля випливало, що це світле пляма буде помітно тільки в тому випадку, якщо радіус круглого екрану буде малим. Пройдений досвід підтвердив пророцтво теорії Френеля, що справило велике враження на членів комісії.
Отже, комісія Академії наук присудила премію Френелю за його роботу з оптики. Однак це зовсім не означає, що хвильова теорія була визнана правильною. Премія вченому була дана за метод розрахунку. Що ж стосувалося самих уявлень, на основі яких був зроблений розрахунок, тобто уявлень про хвильову природу світла, то академіки, що розглядають роботу Френеля, не погодилися з ним.
Вони міркували приблизно так: фізичні основи теорії можуть бути невірними, а результати розрахунку правильні. Такі випадки історія знала. Наприклад, користуючись теорією Птолемея про будову Всесвіту, можна вести розрахунки і отримувати правильні результати положень небесних світил на небі, однак по суті вона неправильна.
Потрібно сказати на захист академіків, що, незважаючи на блискучі результати, отримані Френелем, у його теорії був певний недолік. Справа в тому, що, крім інтерференції і дифракції, фізики вже досліджували поляризацію світла. Але теорія Френеля питань поляризації світла не торкалася. Більше того, здавалося, що вона не в змозі їх пояснити.

Висновок

Починаючи з XIX століття погляди вчених-оптиків поступово схиляються на користь хвильової теорії світла. Вже відомі кільця Ньютона, кольори тонких плівок і ряд ефектів, які говорять про неаддитивности освітленості від декількох джерел, досить смутно пояснювалися корпускулярної теорією. У першу чергу завдяки роботам Томаса Юнга з'являється теорія інтерференції як явища перерозподілу світлової енергії в просторі. При дотриманні деяких умов (когерентність джерел) сумарна інтенсивність в даній точці може виявитися вдвічі більше суми інтенсивностей від двох однакових джерел світла, причому в сусідній точці вона може виявитися нульовою. Що став класичним інтерференційний досвід Юнга з двома щілинами дозволив вперше оцінити довжину світлової хвилі.
У даному рефераті коротко описано такі моменти, пов'язані з інтерференції світла, як розвиток хвильової теорії, досліди Ньютона і Френеля в області інтерференції, а також досліди Юнга.

Література:
1. Спаський Б.І. Фізика в її розвитку. - М.: Просвещение, 1979;
2. Дягілєв Ф.М. З історії фізики і життя її творців. - М.: Просвещение, 1986;
3. Вавилов С.І. Ісаак Ньютон. Видавництво Академії наук СРСР, 1960р., 294с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
31.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Інтерференція світла 3
Інтерференція світла
Інтерференція світла Загальне поняття
Багатопроменева інтерференція
Інтерференція і дифракція
Інтерференція як соціолінгвістична проблема
Тунельна інтерференція полів хвиль довільної фізичної природ
Дія світла
Поляризація світла
© Усі права захищені
написати до нас