4. Интерференция света
Опыт Юнга с двумя щелями. Предложенный Т. Юнгом в 1800 г. эксперимент убедительно демонстрирует волновую природу света. Для лучшего понимания результатов опыта Юнга полезно сначала рассмотреть ситуацию, когда свет проходит через одну щель в перегородке.
В опыте с одной щелью монохроматический свет от источника проходит через узкую щель и регистрируется на экране. Неожиданным является то, что при достаточно узкой щели на экране видна не узкая светящаяся полоска (изображение щели), а плавное распределение интенсивности света, имеющее максимум в центре и постепенно убывающее к краям. Это явление обусловлено дифракцией света на щели и также есть следствие волновой природы света.
Пусть теперь в перегородке сделаны две щели. Последовательно закрывая то одну, то другую щель, можно убедиться, что картина распределения интенсивности на экране будет такой же, как и в случае одной щели, но только положение максимума интенсивности будет каждый раз соответствовать положению открытой щели. Если же открыть обе щели, то на экране возникает чередующаяся последовательность светлых и темных полос, причем яркость светлых полос убывает с расстоянием от центра.
Причина появления таких интерференционных полос заключается в том, что свет от каждой из щелей приходит в одну и ту же точку экрана с разным значением фазы, что связано с разной длиной пути света от обоих щелей. По принципу суперпозиции поля световых волн от каждой из щелей складываются. Так как каждое поле представляет собой в данной точке экрана синусоиду E = E 0 sin( w t + j 0 ), где j = w t + j 0 - фаза волны, то, если одна синусоида будет сдвинута относительно другой по фазе на
2k p , k = 0, 1, 2, ..., поля в данной точке экрана сложатся ( конструктивная интерференция ) и интенсивность света возрастет. Если же разность фаз будет равна (2k + 1) p , k = 0, 1, 2, ..., поля взаимно погасят друг друга ( деструктивная интерференция ) и интенсивность обратится в нуль. Однако изменению фазы волны на целое число 2p соответствует изменение пути D d , пройденного волной, на целое число длин волн: Dj / 2p = D d/ l . Поэтому условия интерференции могут быть записаны в виде:
1. Конструктивная интерференция -
2. Деструктивная интерференция -
Когерентность. Для возникновения интерференции волн необходимо, чтобы волны имели одинаковую частоту и разность фаз колебаний полей в этих волнах оставалась постоянной во времени. В этом случае интерференционная картина не размывается со временем и не перемещается в пространстве. Волны, удовлетворяющие указанным условиям, называются когерентными . Самый простой способ получения когерентных волн - расщепление волны от какого-то монохроматического источника на две или несколько волн (эти волны будут когерентны, если при расщеплении, например, при отражении от зеркала, не вносится неконтролируемая разность фаз). Затем можно разными способами заставить каждую из волн пройти разный путь. Это можно сделать, либо заставив два луча пройти разные расстояния в пространстве, либо заставив лучи пройти одно и то же расстояние, но в средах с разным показателем преломления, изменив тем самым скорость света. В обоих случаях возникает определенная постоянная разность хода лучей, приводящая при совмещении этих лучей к интерференционной картине.
Интерференция в тонких пленках . Этот тип интерференции знаком всем по радужным разводам, появляющимся, если пролить каплю бензина на поверхность воды. Растекаясь по поверхности, бензин образует тонкую пленку. Падающий свет отражается как от передней, так и от задней поверхности тонкой пленки, создавая когерентные отраженные лучи с определенной разностью хода. В результате наблюдается интерференционная картина, состоящая из светлых и темных полос (для монохроматического света) или из радужных полос (для естественного дневного света).