Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы, страница 17

Результат интерференции этих пучков зависит от оптической разности пх хода от пластанки Р, до зеркал М, и Л1» и обратно. Луч 2 проходит толщу пластинки Р, трижды, луч 1 — -только один раз. Чтобы скомпенсировать возникающую за счет этого разную (вследствие дисперсии) для различных длин во.чн оптическую разность хода, на пути луча 1 ставится точно такая, как Рь но не посеребренная пластинка Р,. Тем самым уравниваются пути лучей 1 и 2 в стекле.

Интсрференционная картина наблюдается с помощью зрительной трубы Т, Разность хода лучей удобно оценивать, заменив мысленно зеркало Мз его мнимым изображением М' в полупрозрачной пластинке Рь Тогда лучи 1' и 2' можно рассматривать как возникшие за счет отражения от прозрачной пластинки, ограниченной плоскостями М, и Ы. С помощью юстировочных винтов >>>> можно изменять угол между этими плоскостями, в частности их можно устанавливать строго параллельно друг другу. Вращая микрометрнчсский винт >>'ь можно плавно перемещать зеркало Мь не изменяя его наклона.

Тем самым можно менять толщину «пластинки«ч в частности можно заставить плоскости М, и М' пересечься друг с другом (рнс. 53, б). Наблюдаемая интерференционная картина зависит от вотировки зеркал и от характера пучка света, нада>ощего на прибор. Если падающий пучок параллелен, а плоскости М~ и Ы образуют угол,'ие равный нулю, то в поле зрения прибора наблюдаются прямолинейные полосы равной толщины, расположенн>яе параллельно линии пересечения плоскостей Л1~ и М'.

В белом свете все полосы, кроме располагающейся по упомянутой линия пересечения полосы нулевого порядка, будут окрашенными. Нулевая полоса будет черной, так как луч 1 отражается от пластинки Р, снаружи, а луч 2— !01 изнутри, что дает разность фаз, равную я. Г~олосы в белом свете наблюдаются лишь при малой толщине «пластинки» М~М« (см. формулу (19.10) и следующий за ней текст1 В монохроматическом свете, соответствующем красной линии кадмия, Майкельсон наблюдал отчетливую интерференционную картину при разности хода порядка 500000 длин волн (расстояние между М1 и М2 составляет в этом случае приблизительно .150 мм). При строго параллельном расположении плоскостей М1 и М2 и слегка расходящемся пучке света в поле зрения прибора наблюдаются полосы равного наклона, имеющие вид концентрических колец.

При вращении микрометрического винта 1«» кольца увеличиваются или уменьшаются в диаметре. При этом в центре картины либо возникают новые кольца, либо уменьшающиеся кольца стягиваются в точку и затем исчезают. Смещение картины на одну полосу соответствует перемещению зеркала М» на половину длины волны. Пластинка Р» может вращаться вокруг оси, перпендикулярной к плоскости рисунка. В нормальном.

положении она строго параллельна пластинке Р,. Поворот пластинки приводит к смещению интерференционной картины. Это позволяет использовать пластинку Р» в ка- честве компенсатора возникаю- "г щих в интерферометре небольших Г ' разностей хода. С помощью описанного при- "Р бора Майкельсон осуществил в 1890 †18 гг. первое сравнение Рис. 54. длины волны красной линии кад- мия с длиной нормального метра. Для этой цели было изготовлено девять специальных эталонов длины. Каждый эталон представлял собой два параллельных зеркала А~ и Аь укрепленных на металлическом основании (рис.

54). Расстояние между плоскостями зеркал определяло длину эталона. Первый эталон имел длину, равную 0,39 мм. Длина каждого следующего эталона превышала длину предыдущего почти точно в два раза. Последний, девятый, эталон имел длину 100 шс. Вначале определялось число длин волн, укладывающихся на длине первого эталона.

Эталон устанавли- 102 вался на интерферометре вместо зеркала М, (рнс. 55, а; остальная схема — как на рис. 53). Рядом с ним помещалось вспомогателыюе зеркало тт'. Это зеркало устанавливалось строго параллельно плоскости Мз. Поэтому при освещении прибора монохроматическим светом, соответствующим красной линии кадмия, в части поля зрения, образованной отражением от зеркала ттз наблюдались полосы равного наклона в виде колец (левая нижняя часть рис.

55, б, на котором изображена картина, видимая в трубу). Угол, образованный плоскостями зеркал А,.и А, с плоскостью Мы был слегка отличбн от нуля. При освещении прибора белым светом' и пересечении плоскости Мз с одним из зеркал эталона в трубе, наведенной на это зеркало, получалзсь нулевая черная полоса ). Аз Первоначально плоскость Мз приводилась (ПутЕМ ПЕрЕМЕщЕНИя ЗЕрт ж ~(ф Ш~ Ат кала Мз) в такоеположенне, чтобы нулевая полоса пришлась на середину зеркала А, (рис. 55„б, л/ 4 правая нижняя часть но- рис. 55.

ля зрении). Затем прибор вместо белого света освещался моиохроматическим, труба наводилась на бесконечность и в левой нижней части поля зрения (рис. 55, б) возникала система колец. Медленным вращением микромегрического винта )Рз (рис. 53) плоскость М'з смещалась в направлении зеркала Аз. Прн этом кольца стягивались к центру н исчезали. Смешение картины на одну полосу соответствовало перемещению плоскости Мз на половину длины волны.

В конце концов плоскость Мз приводилась в такое положение, при котором в белом свете получалась черная полоса, совпадающая с серединой зеркала Аз (при этом в правоьт верхнем углу поля зрения наблюдается такая картина, какая изображена в правом нижнем углу на рис. 55, б). Половина сосчитанного к этому времени количества исчезнувших колец давала ') Чтобы не повторить рис, 55,б дважды, нв нем изобрзжеиы и кольца в зеркале Ф, и полосы и зерквле Аь В действительности зти две картины ивблюдзютсн не одновременно, а поочередно.

юз лр Щ ф рвс зв число длин волн, укладывавшихся на длине первого эталона. Затем производилось сравнение первых двух эталонов. Для этого они устанавливались рядом вместо зеркала М~ (рис. 56, а). Эталон 2 был укреплен неподвижно, эталон 1 устанавливался на салазках, которые могли перемещаться вдоль эталона 2 с помощью микрометрического винта )гь Поле зрения разделяется на четыре части, каждая из которых соответствует одному из зеркал А,, Ль В, и Вз (рис.

56, б). Перемещением зеркала Мз плоскость Мз совмещалась с зеркалом В, и1 5 так, чтобы против середины этого зеркала получалась 1 П нулевая черная полоса. Прн л ~) ~ л неизменном положении ' й.Ы ЙП1 ' плоскости Мр эталон 1 уставя ж навливался так, чтобы такая же черная полоса возникала и против середины зеркала Аь Наблюдавшаяся при этом картина соответствует рис. 56, б. В этом случае зекала Л, и В~ оказывались расположенными в одной плоскости. Далее плоскость М~ приводилась в совпадение с зеркалом Аз (прн этом полосы наблюдались только в квадрате Аз иа рис.

56, б), после чего эталон 1 перемещался так, чтобы с новым положением плоскости М', совпало зеркало А, (в этом случае нулевая полоса снова получается в середине квадрата Л, на рис. 56, б, но в квадрате В, полос уже не будет). Таким способом эталон 1 перемещался на расстояние, в точности равное его длине. Затем снова пепемещалось зеркало Мз до тех пор, пока плоскость Мз не совпадет с зеркалом Аь Если бы длина 1з эталона 2 точно в два раза превышала длину эталона 1, нулевая полоса возникала бы одновременно в серединах квадратов А, и Вь Однако в действительности 1з немного отличалась от 21ь Поэтому нулевая полоса в Вз приходилась не на середину зеркала, а была смещена в сторону.

Определяя, какому числу полос соответствует это смещение, можно было найти разность между 21~ и 1ь !04 Подобным образом производилось попарное сравнение всех эталонов. Последний десятисантиметровый эталон сопоставлялся с нормальным метром (работа производилась в Международном Бюро мер и весов в Севре близ Парижа). Эталон перемещался описанным выше способом десять раз. Совпадение зеркал эталона со штрихами нормального метра устанавливалось под микроскопом. Согласно полученным Майкельсоном результатам на длине нормального метра укладывается 1553!63,5 длин волн красной линии кадмия. Международная система единиц (СИ) устанавливает, что метр — эта длина„равная 1 650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходам между уровнями 2рм и 5с(з атома криптона-86 (см.

$ 77 и примечание па стр. 429). В настоящее время длины волн многих спектральных линий известны с большой степенью точности. Поэтому отпала необ- Рнс. 57. хадимость непосредственного счета числа длин волн, укладывающихся на данной длине. Па рис. 57 изображен так называемый э т а л о и Ф а бр и — П е р о. Он состоит пз двух стеклянных пластинок, прижатых к торцам круглой трубы. Поверхности, отмеченные тачками; покрыты тонким слоем серебра.

Эти поверхности строго параллельны друг другу. Пучки моно- хроматического света, отразившиеся от посеребренных поверхностей, интерферируя, дают кольца равного наклона. Если, например, для двух длин волн Х~ и Х, в центре картины получается светлое пятно, можно написать следующие соотношения 1см. формулу (19.5); 1, нужно положить равным пуп~о): 21 = ~й~+ 2) йн 21 =(лэ+ 2) Хт, (20.1) где 1 — длина эталона, й, и йт — целые числа, Л, и Аз длины волн в среде, находящейся внутри эталона. Если величины 1, 7ч и 1а известны с достаточной степенью точности, подбор целых чисел Йс н йь удовлетворяющих соотношениям (20.1), оказывается однозначным. Определив числа й, и йь можно выразить длину эталона в длинах волн 1а и 1м.

ГЛАВА Ж ДИФРАКЦИЯ СВЕТА й 2Е Принцип Гюйгенса — Френеля Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция, в частностн, приводит к огибанию световымн волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени. Огибание препятствий звуковыми волнами (т.

е. дифракции звуковых волн) наблюдается постоянно в обыденной жизни. Для наблюдения дифракции световых воли необходимо создание специальных условий. Это обусловлено тем, что масштабы дифракции сильно зависят от соотношения размеров, препятствия и длины волны. При длине волны, сравнимой с размерами прегятствия (что обычно имеет место для звуковых волн), дифракция выражена очень сильно.