52. Когерентність. Інтерференція, її застосування в техніці. Дисперсія світла.

Інтерференція - додавання двох світлових хвиль у просторі, внаслідок чого спостерігається стійка в часі картина підсилення або послаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору. Зони підсилення називають зонами максимумів, зони послаблення - мінімумів. Щоб положення цих зон було незмінним і картина інтерференції залишалась стійкою в часі, хвилі мають зберігати свої властивості, не змінюючи їх з часом. Якщо ця умова виконана (різниця фаз у хвилях з часом їх частота є однаковою), то хвилі називають когерентними.

Оскільки світло - це електромагнітна хвиля, тому, якщо в просторі одночасно поширюються дві чи більше хвиль, то в кожній точці (зокрема і в точці А) хвилі будуть накладатись одна на одну, утворюючи інтерференційну картину. Вона складається із повторюваних мінімумів (min) і максимумів (max) освітленості.

Нехай від джерел S₁ i S₂ поширюються дві хвилі, які збігаються в точці А (рис. 6.36). d₁ і d₂ - довжина ходу першої і другої хвиль; Dd = d₁ – d ₂ - різниця ходу.

Якщо в різницю ходу Dd вкладається парна кількість півхвиль, то обидві хвилі надійдуть в точку А в однакових фазах і підсилять одна одну - в точці А буде максимальним. Якщо в різницю ходу Dd вкладається непарне число півхвиль, то хвилі прийдуть в точку А в протифазах і погасять одна одну - в точці А буде мінімум інтенсивності світла.

Математично умови максимум i мінімум можна виразити так:

- умова максимуму;

- умова мінімуму.

де k = 1, 2, 3,…, n (ціле число); l - довжина хвилі.

Цікавий випадок інтерференції спостерігав Юнг на початку ХІХ століття, розглядаючи у відбитому світлі тонкі плівки (рис. 6.37).

Одна частина світлового потоку відбивається від верхньої поверхні плівки, а друга - після заломлення від нижньої. Після цього обидва промені збігаються в оці спостерігача. При цьому виникає різниця ходу, що дорівнює подвоєній товщині плівки Dd = 2h. У результаті цього і виникає інтерференційна картина. Якщо освітлюється плівка одним кольором, спостерігається чергування чорних і білих смуг, а якщо білим , то зазвичай кольори веселки.

Інтерференцією світла в тонких плівках пояснюється забарвлення мильних бульбашок і тонких п'ятен з оливи на воді, хоча розчин мила й олива не мають такої гами кольорів.

Ще один випадок явища інтерференції світла спостерігав Ньютон, коли на плоскопаралельну пластину накладали лінзу, що мала великий радіус кривизни (R   13 м). У результаті між пластинкою і лінзою утворився повітряний клин, на якому і спостерігається інтерференційна картина, яка має форму кільця - кільця Ньютона (рис. 6.38). Якщо відомий радіус кілець r, радіус кривизни лінзи R і швидкість світла, то можна визначити довжину хвилі. Виявилось, що l_ч   8·10^-7 м; l_ф   4·10^-7 м, інші кольори мають значення у цих границях.

Застосування інтерференції дуже важливі й широкі. Інтерференцію світла застосовують для визначення довжини хвилі світла, показників заломлення прозорих речовин, вимірювання товщини пластинок, перевірки якості шліфування поверхні, вимірювання малих кутів тощо.

На інтерференції в тонких плівках ґрунтується просвітлення оптики. Це відкриття зробив український вчений Олександр Смакула (1900-1983) 1935 року, будучи директором дослідної лабораторії в німецькій оптичній фірмі "Цайсс" (місто Єна).

У сучасних фотооб'єктивах відбивних поверхонь понад 10, а в перископах підводних човнів - до 40. Якщо світло падає перпендикулярно до поверхні, то від кожної поверхні відбивається 5-9 % усієї енергії. Тому через прилад часто проходить тільки 10 - 20 % світла, що надходить до нього. Це спричиняє погіршення якості зображення. Неприємні наслідки відбиття світла від поверхонь оптичних стекол можна усунути, якщо зменшити ту частину енергії, яка відбивається. Тоді зображення, що його забезпечує прилад, буде яскравішим, "просвітленим". Від цього і походить термін "просвітлення" оптики.

Погасити відбиті хвилі всіх частот падаючого на об'єктив білого світла неможливо. Тому товщину плівки добирають так, щоб за нормального падіння цілком гасилися хвилі середньої частоти спектра. Товщина має дорівнювати чверті довжини хвилі у плівці.

Відбиття світла крайніх ділянок спектра - червоного і фіолетового - послаблюється мало. Тому об'єктив (наприклад, фотоапаратів) у відбитому світлі має бузковий відтінок.

Гасіння світла світлом не означає перетворення світлової енергії в інші види, так само, як під час інтерференції механічних хвиль гасіння хвиль одна одною в довільній ділянці простору означає, що світлова енергія сюди просто не доходить. Отже, гасіння відбитих хвиль означає, що все світло проходить через об'єктив.

Досліди Ньютона з дисперсії світла. У 1666 році І. Ньютон спрямував тонкий пучок сонячного світла на скляну призму. За призмою спостерігалося розкладання білого світла в кольоровий спектр: 7 основних кольорів — червоний, жовтогарячий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий плавно переходили один в одного. Найменше відхилення від початкового напряму падіння мають червоні промені, а найбільше — фіолетові.

Ньютон дійшов висновку, що біле світло має складну структуру, тобто біле світло містить електромагнітні хвилі різних частот.

Другий висновок Ньютона полягає в тому, що світло різного кольору характеризується різними показниками заломлення в даному середовищі. Це означає, що абсолютний показник заломлення для фіолетового кольору більший, ніж для червоного . Залежність показника заломлення світла від його кольору Ньютон назвав дисперсією (від лат. dispersio — розсіювання).

Дисперсія світла — це залежність швидкості світла в речовині від частоти прохідного світла.

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища (n=c/ ) . Тому можна стверджувати, що дисперсія світла — залежність абсолютного показника заломлення від частоти світлової хвилі.

З дослідів Ньютона випливає, що абсолютний показник заломлення зростає зі збільшенням частоти світла. З огляду на те, що довжина хвилі обернено пропорційна частоті ( ), можна стверджувати, що абсолютний показник заломлення зменшується зі збільшенням довжини світлової хвилі.