Томас Юнг

УСЛОВИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ: Когерентность волн

КОГЕРЕНТНЫЕ ВОЛНЫ - это волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ Наложение когерентных волн, приводящее к перераспределению энергии в пространстве (интенсивности света).

Как происходит интерференция?

Томас Юнг – разносторонний учёный, светский человек, врач, гимнаст и музыкант. В 20 лет стал членом королевского научного общества, за доказательство того, что хрусталик человеческого глаза – линза с переменной кривизной.

ТОМАС ЮНГ В 1802 Г. ВПЕРВЫЕ ОСУЩЕСТВИЛ ЯВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ НА УСТАНОВКЕ. Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отверстия на экране. Эти отверстия – два когерентных источника света S1 и S2. Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: r 1 и r 2.

В ОБЛАСТИ ПЕРЕКРЫТИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ НАБЛЮДАЛАСЬ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ КАРТИНА В ВИДЕ ЧЕРЕДУЮЩИХСЯ СВЕТЛЫХ И ТЁМНЫХ ПОЛОС. РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ СВЕТЛЫМИ (ТЁМНЫМИ) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМИ ПОЛОСАМИ НА ЭКРАНЕ СООТВЕТСТВУЮТ УСЛОВИЯМ МАКСИМУМА И МИНИМУМА.

УСЛОВИЯ МАКСИМУМА И МИНИМУМА:

МОДЕЛЬ ОПЫТА ЮНГА ИЛЛЮСТРИРУЕТ ЗАВИСИМОСТЬ ШИРИНЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ ПОЛОСЫ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ СПЕКТРА ОТ: - ДЛИНЫ ВОЛНЫ СВЕТА; - РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ИСТОЧНИКАМИ СВЕТА; - РАССТОЯНИЯ ОТ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ДО ЭКРАНА.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ Различные цвета тонких плёнок – результат интерференции двух волн, отражающихся от нижней и верхней поверхности плёнки. Усиление света произойдёт в том случае, если преломлённая волна 2 отстанет от отражённой 1 на чётное число длин волн. 2 1

Потеря полуволны λ/2 происходит при отражении от верхней поверхности плёнки. Следовательно, оптическая разность хода Δ=2dn­λ/2. Тогда условие максимального усиления интерферирующих лучей в отражённом свете следующее: m λ=2dn­λ/2. Различные цвета тонких плёнок зависят от: 1) толщины плёнки; 2) вещества, соприкасающегося с плёнкой; 3) угла падения; 4) длины световой волны. Если плёнка имеет неодинаковую толщину, то при освещении её белым светом появляются различные цвета. Там, где плёнка тоньше усиливаются лучи с малой длиной волны (синие, фиолетовые), там, где толще – с большей длиной волны (оранжевые, красные).

КОЛЬЦА НЬЮТОНА

НЬЮТОН НАБЛЮДАЛ КОЛЬЦА, ОБРАЗУЮЩИЕСЯ В ПРОСЛОЙКЕ ВОЗДУХА МЕЖДУ ПЛОСКОЙ СТЕКЛЯННОЙ ПЛАСТИНОЙ И ПЛОСКОВЫПУКЛОЙ ЛИНЗОЙ С БОЛЬШИМ РАДИУСОМ КРИВИЗНЫ, НО ОБЪЯСНИТЬ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЕ НЕ МОГ, УДАЛОСЬ ЭТО Т.ЮНГУ. Кольца Ньютона возникают при интерференции света, отраженного верхней и нижней границами воздушного зазора. Волна 1 – результат отражения её от выпуклой поверхности линзы на границе стекло- воздух. Волна 2 – отражение от плоской пластины на границе воздух-стекло. Волны когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1.

В ТОЧКЕ СОПРИКОСНОВЕНИЯ СТЁКОЛ НАБЛЮДАЕТСЯ ТЁМНОЕ ПЯТНО, ТАК КАК РАЗНОСТЬ ХОДА В ЭТОЙ ТОЧКЕ РАВНА НУЛЮ, В СООТВЕТСТВИИ С УСЛОВИЕМ МАКСИМУМА, ЗДЕСЬ ДОЛЖЕН БЫТЬ MAX (СВЕТЛОЕ ПЯТНО), НО ПРИ ОТРАЖЕНИИ СВЕТА ОТ СРЕДЫ С БОЛЬШИМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЕГО ФАЗА ИЗМЕНЯЕТСЯ НА ПРОТИВОПОЛОЖНУЮ(180°). Волна 1 не изменяет своей фазы, а волна 2 при отражении от пластины возвращается в противофазе. Поэтому лучи гасят друг друга и наблюдается тёмное пятно. Тёмные кольца возникают при выполнении условия MAX: разность хода равна целому числу длин волн. Светлые кольца возникают там, где MIN: разность хода равна нечётному числу длин полуволн.

Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. По расположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данные Ньютона, которые были достаточно точными.

Начиная с XIX века взгляды ученых-оптиков постепенно склоняются в пользу волновой теории света. Уже известные кольца Ньютона, цвета тонких пленок и ряд эффектов, говорящих о неаддитивности освещенности от нескольких источников, весьма смутно объяснялись корпускулярной теорией. В первую очередь благодаря работам Томаса Юнга появляется теория интерференции как явления перераспределения световой энергии в пространстве. Ставший классическим интерференционный опыт Юнга с двумя щелями позволил впервые оценить длину световой волны.