Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 61
Текст из файла (страница 61)
5 124. Опытное осуществление интерференции света. Описанные в З бб явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев интерференции света. Однако условия возникновения интерференционной картины в этом случае значительно отличаются от условий, при которых наблюдается интерференция волн на поверхности воды (см.
~ 44), В случае волн на поверхности воды мы имели два источ- ника волн (два острия), в случае же интерференции в тонких пленках налицо был только один источник света. Возникают вопросы, откуда в этом случае берутся две взаимодействующие волны, а также можно ли осуществить интерференцию света, заставляя взаимодействовать световые волны, посылаемые двумя р а з л н ч н ы м и и с т о ч н и к а м и, например двумя лампочками накаливания или двумя участками раскаленного тела. Ответ на последний вопрос дает повседневный опыт. Мы хорошо знаем, что при освещении одного п ~поев же участка свепгоя различных источников ингперферене)ионные яв гения не наблюдаются. Если в комнате горят две лампочки, то во всей освещенной области свет одного источника усиливает освещение, даваемое другим, добавление второго источника не ведет к образованию максимумов и минимумов освещенности. Причина этого лежит в том, что для получения устойчис вой интерференционной картины, необходимо, как указывалось в з 44, обеспечить коеерентность, илн с о г л а с ов а н и е, двух систем волн.
Источники должны испускать к о г е р е н т н ы е волны, т. е. волны, обладающие одним периодом и неизменной разностью фаз на протяжении времени, достаточного для наблюдения. Все наши способы наблюдения (глаз, фотопластинка и т. д.) требуют сравнительно длительных промежутков времени, измеряемых тысячными и более долямн секунды. В независимых же источниках свет испускают р а з л и ч н ы е азомы, условия излучения которых быстро и беспорядочно меняются. В настоящее время мы имеем ряд данных, которые позволяют считать, что такие изменения происходят в лучшем случае примерно через 10 " с, а обычно гораздо быстрее, Таким образом, интерферепцпонная картина, получаемая от независимых источников, сохраняется неизменной очень короткое время, а затем сменяется другой, с иным расположением максимумов и мннпм) мов.
Так как время, необходимое для наблюдения, измеряется, как сказано, тысячньм1и и более долями секунды, то за это время интерференционные картины успеют смениться миллионы раз. Мы наблюдаем результат н а л о ж е н и я этих картин. Понятно, что такое наложение р а з м ы в а е т картину, не оставляя никаких следов интерфереиционных максимумов и минимумов. Таким образом, становится понятным, почему при наблюдении действия двух независимых н е к о г е р е н т н ы х источников света мы не обнаруживаем интерференции. Однако от двух разных лазерных ис~очников света явления интерференции могут наблюдаться.
З1В Для наблюдения интерференции приходится прибегать к искусственному приему. Этот прием состоит в том, что заставляют интерферировать части о д и о й и т о н ж е волны, идущиеот единственного источнпкаи достигающие точки наблюдения по р а з н ы м п у т я м, благодаря чему между ними возникает некоторая р а зи о с т ь х о д а. 1(огерентность обеспечивается тем, что обе интерферирующие волны одновременно испускаются о д н и м источником.
В опытах с тонкими пленками волна, идущая от источника, р а с щ е п л я е т с я на две путем отражения от передней и задней поверхностей пленки, Той же цели можно достнгнуть и другими приспособлениями, например при помощи так называемой бипризжос ") (рис. 263, а), где для раздвоения волны использовано преломление.
Здесь дело происходит так, как если бы два коге рентных источника были расположены в точках Я, и Я,. С б Рис. 263. Наблюдеиие интерференции света с помощью бипризмы Фре- иеля: а) схема опыта (вид сверху); б) иитерфереициоииая хартииа В действительности же имеется е д и н с т в е н ны й реальный источник 5. Этот источник представляет собой узкую освещенную щель, параллельную ребру бипризмы. Волна, идущая от источника Я, раздваивается путем преломления в двух половинах бипризмы и доходит до точек экрана по двум различным путям, т. е. с определенной разностью хода. На экране будет наблюдаться система чередующихся светлых и темных полос, параллельных ребру бипризмы (рис. 263, б).
Полосы располагаются в той части экрана, где происходит перекрывание световых пучков, идущих от двух половинок бипризмы (заштрихованная область на рис. 263, а). Разность хода между обоими интерферирующими лучами ограничена по следующим соображениям. Атом в каж- ') Би — от латиисиого слова Ыз — дважды; б и п р и з и а— двойная призма, 319 дый акт излучения испускает систему волн (волновой цуг), которая распространяется во времени и пространстве, сохраняя синусоидальность (см. 6 5). Однако длительность цуга ограничена затуханием колебаний злектрона в самом атоме н столкновениями этого атома с другими атомами, Длина цуга, пли, как ее называют, длина когерентностп такого цуга, в самых благоприятных условиях излучения достигает около 30 см, а временная длительность его не больше 10 ' — 10 ' с, Необходимое условие интерференции заключается в том, чтобы разность хода (разность оптических путей, т.
е. произведения показателей преломления иа геометрические длины путей) обоих лучей была не болыпе длины когерентности порождающего их волнового цуга. Рис. 264 иллюстрирует зто условие. а) б) б) Рнс. 264. К интерференции двух цугов световых вали: а) разность хода абаях цугов волн больше длины когерентноств — интерференции нет; б) разность хода равна нулю — интерференция есть; в) на пути одного из цугов помещена стеклянная пластинка (л)1), разность хода обоих цугов больше длины кагерентностн — интерференции ает Идеальным источником света служит квантовый генератор (лазер), который по своей физической природе, как источник вынужденного излучения, является когерентным (см.
5 202). Длина когерентности лазерного цуга простирается на тысячи километров, а длительность цуга достигает сотых долей секунды, Благодаря квантовому генератору удалось создать новую область оптики — когерентную оптику, имеющую огромные теоретические и технические достижения и необозримые перспективы. 320 Если источник света в опыте с бипризмой (опыт Френеля) испускает белый свет, то мы увидим цветную интерференционную картину, как это имеет место и при наблюдении интерференции в тонких пленках. Если же источник посылает одноцветный, т. е.
монохроматический, свет (например, свет от дугового разряда в газе, прошедший сквозь' соответствующий светофильтр), то интерференционная картина состоит из чередующихся светлых и темных полос. Положение этих полос зависит от цвета, так что места, соответствующие минимуму в одном цвете, могут оказаться местами максимума для другого цвета.
Это означает, что расстояние от источи иков 5, и 5, до рассматриваемого места экрана выражается четным числом полуволн одного цвета и нечетным числом полуволн другого цвета. Иными словами, длины световых волн различного цвета р а з л и ч н ы. Таким образом, свет различного цвета физически характеризуепи:я различием в длинах волн.
Так как положение интерференциониых полос зависит от длины волны, то с помощью опыта Френеля можно определить длину световой волны, произведя соответствующие измерения. Подобные измерения показали, например, что пламя, окрашенное парами натрия (желтый цвет), испускает свет двух длин волн — 589,0 и 589,6 нм.
Измерения показывают, что длина волны уменьшается при переходе от красного свепга к фиолетовому в порядке расположения цветов в радуге. Известно, что оценка цвета, даваемая глазом, довольно н е о п р е д е л е н н а, так что под нззваиием красного или желтого цвета, например, мы понимаем довольно разнообразные оттенки. Г)оэтому указание длины волны для каждого такого цвета имеет ориентировочный характер. Фиолетовый цвет соответствует длинам волн от 400 до 450 нм, синий — от 450 до 480 нм, голубой — от 480 до 500 нм, зеленый — от 500 до 560 нм, желтый — от 560 до 590 нм, оранжевый — от 590 до 620 нм, красный — от 620 до 760 нм.
Таким образом, указание цвета характеризует свет приближенно. Наоборот, длина волны является т о ч н о й количественной характеристикой цвета, которой и пользуются во всех научных измерениях. $125. Объяснение цветов тонких пленок. Опираясь на сказанное в предыдущем параграфе, мы можем составить себе отчетливое представление о происхождении цветов тонких пленок.
При освещении прозрачной пленки часть световой волны отражается от передней поверхности, часть от задней, ~1 злеиьнтарныа учебник фезикн, т. П1 32! благодаря чему встречаются волны с некоторой разностью хода. Нетрудно видеть (рпс. 266), что эта разность хода зависит от толщины пленки, определяющей длину пути волны внутри пленки. В тех местах пленки, где эта разность хода достигает четного числа полуволн, обе части волны взаимно усиливают друг друга (максимум), там же, где разность хода выражается нечетным числом полуволн, имеет место взаимное ослабление (мннимум). Так как пленка в разных Рис.
265. Разность хада (АВС, А'В'С') двух частей световой волны, отражаиицейси от передней и задней поверхностей тонкой пленки, зависит от толщины плевки в .песте от- рав~енин местах может иметь разную толщину, то области максимумов и минимумов дают на се и о в е р х н о с т и картину темных и светлых мест, если опыт производится в монохроматическом (одноцветном) свете, или картину разноцветных полос, если применяется белый свет, Для наблюдения этой интерференционной картины, надо р а с с м а т р и в а т ь поверхность пленки, т.е. аккомодиров а т ь глаз на ее поверхность.
Это значит, что интерференционная картина локализована (находится) вблизи поверхности пленки. В некоторых случаях это можно обнаружить, перемещая вдоль поверхности пленки миниатюрный приемник света (фотоэлемент или термоэлемент), соединенный с гальванометром. Чередующиеся при перемещении фотоприемника максимальные и минимальные показания гальваиометра подтверждают неравномерное распределение освещенности в интерференционном световом поле около пленки. Картина интерференцнонных полос в подобных опытах показывает, каким образом распределены области одинаковой толщины в пленке, и позволяет в известной мере судить о виде пленки.
Так, рис, 266 показывает, что пленка имеет внд вертикального клина. Такую пленку можно изготовить, окунув проволочное кольцо в мыльный раствор и расположив кольцо вертикально. Под действием силы тяжести раствор стекает книзу н пленка принимает форму клина, колотого вверху и постепенно расширяющегося книзу (рис. 266, б). Рассматривая такой клин, освещенный светом Солнца или проекционного фонаря, мы увидим ряд гори- 322 зонтальных цветных полос, параллельных ребру клина. Полосы повторяются в известной последовательности цветов.
В монохроматическом свете (красный светофильтр) получим чередование светлых (красных) н темных полос той же формы (см. Рис. хт' на форзаце). В пленках со случайным распределением толщины (например, в пленке нефти на поверхности воды) Расположение полос максимумов и минимумов а) б) Рнс. 266, Интерференпионные полосы (а) в клинообразная пленке (б); ширина полос уменьшается книзу по мере увеличении толщины пленки; сечение пленки изображено по толщине сильно преувеличенным. Толшина ее даже внизу не превосходит нескольких микрометров имеет прихотливый характер. Понятна также и р о л ь у гл а, под которым наблюдается пленка. В зависимости от направления наблюдения и от угла падения света на пленку, путь света внутри пленки будет болыпилт или меньшим, а следовательно, разность хода ма>иду частями волны, отраженными от передие(1 и задней поверхностей пленки, будет различной.
$126. Кольца Ньютона. Прихотливый впд интерференционных картин в тонких пленках объясняешься, как сказано, случайными неравномерностями в толщине пленки. В пленке, имеющей вид клина, области одинаковой толщины вытянуты вдоль ребра клина и в соответствии с этим так же расположены темные и светлые (цветные) полосы интерференции, Очень важным видоизменением опыта с клинообразной пленкой является опыт, произведенный еще в 1675 г. Английский физик и математик Исаак Ньютон (1643 — 1727) наблюдал цвета тонкой прослойки воздуха, заключенной между плоским стеклом и выпуклой поверхностью объекти- 11» 323 ва астрономического рефрактора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
