Լույսը նման է էլեկտրամագնիսական ալիքի։ լույսի արագություն

Լույս - էլեկտրամագնիսական ալիք. 17-րդ դարի վերջում լույսի բնույթի մասին երկու գիտական ​​վարկած առաջացավ. կորպուսուլյարԵվ ալիք. Ըստ կորպուսկուլյար տեսության՝ լույսը փոքր լույսի մասնիկների (մարմինների) հոսք է, որոնք թռչում են մեծ արագությամբ։ Նյուտոնը կարծում էր, որ լույսի մարմինների շարժումը ենթարկվում է մեխանիկայի օրենքներին։ Այսպիսով, լույսի արտացոլումը հասկացվում էր այնպես, ինչպես ինքնաթիռից առաձգական գնդակի արտացոլումը: Լույսի բեկումը բացատրվում էր մի միջավայրից մյուսին անցնելու ընթացքում մասնիկների արագության փոփոխությամբ։ Ալիքի տեսությունը լույսը համարում էր որպես ալիքային գործընթաց, նման մեխանիկական ալիքներ. Ժամանակակից պատկերացումների համաձայն լույսը երկակի բնույթ ունի, այսինքն. այն միաժամանակ բնութագրվում է ինչպես կորպուսուլյար, այնպես էլ ալիքային հատկություններով: Այնպիսի երևույթներում, ինչպիսիք են ինտերֆերենցիան և դիֆրակցիան, առաջին պլան են մղվում լույսի ալիքային հատկությունները, իսկ ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի երևույթում՝ կորպուսուլյար հատկությունները։ Օպտիկայի մեջ լույսը հասկացվում է որպես բավականին նեղ տիրույթի էլեկտրամագնիսական ալիքներ: Հաճախ լույսը հասկացվում է ոչ միայն որպես տեսանելի լույս, այլ նաև որպես դրան հարող սպեկտրի լայն տարածքներ: Պատմականորեն հայտնվել է «անտեսանելի լույս» տերմինը՝ ուլտրամանուշակագույն լույս, ինֆրակարմիր լույս, ռադիոալիքներ։ Տեսանելի լույսի ալիքի երկարությունը տատանվում է 380-ից մինչև 760 նանոմետր: Լույսի առանձնահատկություններից մեկն այն է գույն, որը որոշվում է լույսի ալիքի հաճախականությամբ։ Սպիտակ լույստարբեր հաճախականությունների ալիքների խառնուրդ է։ Այն կարող է տարրալուծվել գունավոր ալիքների, որոնցից յուրաքանչյուրը բնութագրվում է որոշակի հաճախականությամբ։ Նման ալիքները կոչվում են մոնոխրոմատիկ.Ըստ վերջին չափումների՝ լույսի արագությունը վակուումում Վակուումում լույսի արագության հարաբերակցությունը նյութի լույսի արագությանը կոչվում է. բացարձակ բեկման ինդեքսնյութեր.

Երբ լույսի ալիքը վակուումից անցնում է նյութ, հաճախականությունը մնում է հաստատուն (գույնը չի փոխվում): Ալիքի երկարությունը բեկման ինդեքսով միջավայրում nփոփոխություններ:

Լույսի միջամտություն- Յունգի փորձը. Լույսի ֆիլտրով լամպի լույսը, որը ստեղծում է գրեթե մոնոխրոմատիկ լույս, անցնում է երկու նեղ, հարակից բացվածքներով, որոնց հետևում տեղադրված է էկրան։ Էկրանի վրա կնկատվի բաց և մուգ գոտիների համակարգ՝ միջամտության գոտիներ: Այս դեպքում մեկ լուսային ալիքը բաժանվում է երկու մասի, որը գալիս է տարբեր ճեղքերից: Այս երկու ալիքները փոխկապակցված են միմյանց հետ և, երբ դրվում են միմյանց վրա, տալիս են լույսի ինտենսիվության առավելագույն և նվազագույն համակարգ՝ համապատասխան գույնի մուգ և բաց շերտերի տեսքով:

Լույսի միջամտություն- առավելագույն և նվազագույն պայմաններ: Առավելագույն պայմանԵթե ​​զույգ թվով կիսաալիքներ կամ ամբողջ թվով ալիքներ տեղավորվում են ալիքի ճանապարհի օպտիկական տարբերության մեջ, ապա էկրանի տվյալ կետում նկատվում է լույսի ինտենսիվության աճ (առավելագույնը): , որտեղ է ավելացված ալիքների փուլային տարբերությունը։ Նվազագույն պայման.Եթե ​​ալիքների օպտիկական ուղիների տարբերությունը համապատասխանում է կենտ թիվկիսաալիքներ, ապա նվազագույն կետում։

Ըստ ալիքի տեսության լույսը էլեկտրամագնիսական ալիք է։

Տեսանելի ճառագայթում (տեսանելի լույս) - էլեկտրամագնիսական ճառագայթում, ուղղակիորեն ընկալվում է մարդու աչքով, բնութագրվում է 400 - 750 նմ ալիքի երկարությամբ, որը համապատասխանում է 0,75 10 15 - 0,4 10 15 Հց հաճախականության միջակայքին: Տարբեր հաճախականությունների լույսի ճառագայթումը մարդու կողմից ընկալվում է որպես տարբեր գույներ։

Ինֆրակարմիր ճառագայթում - էլեկտրամագնիսական ճառագայթում, որը զբաղեցնում է տեսանելի լույսի կարմիր ծայրի (մոտ 0,76 մկմ ալիքի երկարությամբ) և կարճ ալիքի ռադիոհաղորդման (1-2 մմ ալիքի երկարությամբ) սպեկտրային շրջանը: Ինֆրակարմիր ճառագայթումը ստեղծում է ջերմության զգացում, այդ իսկ պատճառով այն հաճախ կոչվում է ջերմային ճառագայթում:

Ուլտրամանուշակագույն ճառագայթում - աչքի համար անտեսանելի էլեկտրամագնիսական ճառագայթում, որը զբաղեցնում է տեսանելի և տեսանելի սպեկտրային տարածքը. ռենտգենյան ճառագայթներ 400-ից 10 նմ ալիքի երկարությունների սահմաններում:

Էլեկտրամագնիսական ալիքներ – էլեկտրամագնիսական տատանումներ(էլեկտրամագնիսական դաշտ) տարածության մեջ տարածվող վերջավոր արագությամբ՝ կախված միջավայրի հատկություններից (վակուումում՝ 3∙10 8 մ/վ)։ Էլեկտրամագնիսական ալիքների առանձնահատկությունները, դրանց գրգռման և տարածման օրենքները նկարագրված են Մաքսվելի հավասարումներով։ Էլեկտրամագնիսական ալիքների տարածման բնույթի վրա ազդում է այն միջավայրը, որտեղ դրանք տարածվում են։ Էլեկտրամագնիսական ալիքները կարող են զգալ բեկում, ցրում, դիֆրակցիա, միջամտություն, ընդհանուր ներքին արտացոլում և ցանկացած բնույթի ալիքներին բնորոշ այլ երևույթներ: Էլեկտրամագնիսական դաշտ ստեղծող լիցքերից և հոսանքներից հեռու միատարր և իզոտրոպ միջավայրում էլեկտրամագնիսական (ներառյալ լույսի) ալիքների ալիքային հավասարումները ունեն ձև.

որտեղ և են միջավայրի էլեկտրական և մագնիսական թափանցելիությունը, համապատասխանաբար, և համապատասխանաբար էլեկտրական և մագնիսական հաստատուններն են, և էլեկտրական և մագնիսական ուժերն են մագնիսական դաշտը, Լապլասի օպերատորն է։ Իզոտրոպ միջավայրում էլեկտրամագնիսական ալիքների տարածման փուլային արագությունը հավասար է. Հարթ մոնոխրոմատիկ էլեկտրամագնիսական (թեթև) ալիքների տարածումը նկարագրվում է հավասարումներով.

կր ; կր (6.35.2)

որտեղ և են համապատասխանաբար էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի տատանումների ամպլիտուդները, կ ալիքի վեկտորն է, r կետի շառավիղի վեկտորն է, - շրջանաձև տատանումների հաճախականությունը, կոորդինատով կետում տատանումների սկզբնական փուլն է r= 0. Վեկտորներ Ե Եվ Հ տատանվել նույն փուլում. Էլեկտրամագնիսական (թեթև) ալիքը լայնակի է: Վեկտորներ Ե , Հ , կ միմյանց նկատմամբ ուղղանկյուն են և կազմում են վեկտորների աջ եռյակ: Ակնթարթային արժեքներ և ցանկացած պահի կապված են հարաբերություններով Հաշվի առնելով, որ աչքի վրա ֆիզիոլոգիական ազդեցությունն ունի էլեկտրական դաշտ, առանցքի ուղղությամբ տարածվող հարթ լուսային ալիքի հավասարումը կարելի է գրել հետևյալ կերպ.

Լույսի արագությունը վակուումում է

. (6.35.4)

Վակուումում լույսի արագության հարաբերակցությունը միջավայրում լույսի արագությանը կոչվում է միջավայրի բացարձակ բեկման ինդեքս.

(6.35.5)

Մի միջավայրից մյուսը տեղափոխելիս ալիքի տարածման արագությունը և ալիքի երկարությունը փոխվում են, հաճախականությունը մնում է անփոփոխ։ Երկրորդ միջավայրի հարաբերական բեկման ինդեքսը առաջինի համեմատ հարաբերակցությունն է

որտեղ և են առաջին և երկրորդ միջավայրի բացարձակ բեկման ինդեքսները և համապատասխանաբար առաջին և երկրորդ միջավայրերում լույսի արագությունն են:

Տեսությունից էլեկտրամագնիսական դաշտՄաքսվելի կողմից մշակված էլեկտրամագնիսական ալիքները տարածվում են լույսի արագությամբ՝ 300000 կմ/վ, որ այդ ալիքները լայնակի են, ինչպես լուսային ալիքները։ Մաքսվելն առաջարկեց, որ լույսը էլեկտրամագնիսական ալիք է: Հետագայում այս կանխատեսումը փորձնականորեն հաստատվեց։

Էլեկտրամագնիսական ալիքների նման, լույսի տարածումը ենթարկվում է նույն օրենքներին.

օրենք ուղղագիծ տարածումՍվետա. Թափանցիկ միատարր միջավայրում լույսը շարժվում է ուղիղ գծերով: Այս օրենքը բացատրում է, թե ինչպես են տեղի ունենում արևի և լուսնի խավարումները:

Երբ լույսն ընկնում է երկու միջավայրի միջերեսի վրա, լույսի մի մասը արտացոլվում է առաջին միջավայրի մեջ, իսկ մի մասը անցնում է երկրորդ միջավայրի մեջ, եթե այն թափանցիկ է, մինչդեռ դրա տարածման ուղղությունը փոխվում է, այսինքն՝ բեկվում է։

ԼՈՒՅՍԻ ՄԻՋԱՄՏՈՒԹՅՈՒՆ

Ենթադրենք, որ երկու մոնոխրոմատիկ լուսային ալիքներ՝ միմյանց վրա դրված, տարածության որոշակի կետում գրգռում են նույն ուղղությամբ տատանումներ՝ x 1 \u003d A 1 cos (t +  1) և x 2 \u003d A 2 cos (t +  2). Տակ Xհասկանալ էլեկտրական E-ի ինտենսիվությունը կամ մագնիսական Հ ալիքային դաշտեր; E և H վեկտորները տատանվում են միմյանց ուղղահայաց հարթություններում (տես § 162): Էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի ուժերը ենթարկվում են սուպերպոզիցիայի սկզբունքին (տես § 80 և 110): Ստացված տատանման ամպլիտուդը տվյալ կետում A 2 \u003d A 2 l + A 2 2 + 2A 1 A 2 cos ( 2 - 1) (տես 144.2)): Քանի որ ալիքները համահունչ են, ուրեմն cos( 2 -  1) ունի հաստատուն արժեք ժամանակի մեջ (բայց սեփականը տարածության յուրաքանչյուր կետի համար), հետևաբար՝ ստացված ալիքի ինտենսիվությունը (1 ~ A 2)

Տարածության այն կետերում, որտեղ cos( 2 -  1) > 0, ինտենսիվությունը I > I 1 + I 2, որտեղ cos( 2 -  1) < Օ ինտենսիվություն I< I 1 +I 2 . Следовательно, при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение լուսավոր հոսք, ինչի արդյունքում որոշ տեղերում ինտենսիվության առավելագույնը, իսկ որոշ տեղերում՝ նվազագույնի: Այս երեւույթը կոչվում է լույսի միջամտություն:

Անհամապատասխան ալիքների համար տարբերությունը ( 2 -  1) անընդհատ փոխվում է, ուստի ժամանակի միջին արժեքը cos( 2 - 1) զրո է, իսկ ստացված ալիքի ինտենսիվությունը ամենուր նույնն է, և I 1 = I 2-ի համար: հավասար է 2I 1-ի (կոհերենտ ալիքների համար տվյալ պայմանում առավելագույն I = 4I 1 I = 0 նվազագույնի դեպքում):

Ինչպե՞ս կարող եք պայմաններ ստեղծել լույսի ալիքների միջամտության առաջացման համար: Համահունչ լուսային ալիքներ ստանալու համար օգտագործվում է մեկ աղբյուրից արձակված ալիքը երկու մասի բաժանելու եղանակը, որը տարբեր միջով անցնելուց հետո. օպտիկական ուղիներդրվում են միմյանց վրա, և նկատվում է միջամտության օրինաչափություն:

Թող բաժանումը երկու համահունչ ալիքների տեղի ունենա որոշակի O կետում . Դեպի կետ Մ,որի դեպքում նկատվում է միջամտության օրինաչափություն, մեկ ալիք n 2 բեկման ինդեքսով միջավայրում անցած ճանապարհը s 1 , երկրորդը` n 2 բեկման ինդեքսով միջավայրում - ճանապարհ s 2: Եթե ​​կետում ՄԱՍԻՆտատանման փուլը հավասար է t , ապա կետում Մառաջին ալիքը կգրգռի А 1 cos տատանումը (t - s 1 / v 1) , երկրորդ ալիք - տատանում A 2 cos (t - s 2 / v 2) , որտեղ v 1 = c/n 1, v 2 = c/n 2 - համապատասխանաբար, առաջին և երկրորդ ալիքների փուլային արագությունը. Մի կետում ալիքների գրգռված տատանումների փուլային տարբերությունը Մ,հավասար է

(հաշվի առնելով, որ /s = 2v/s = 2 0, որտեղ  0 ալիքի երկարությունն է վակուումում): Երկրաչափական երկարության արտադրյալ s Լույսի ալիքի ուղին տվյալ միջավայրում այս միջավայրի բեկման n ինդեքսով կոչվում է օպտիկական ճանապարհի երկարություն L , a  \u003d L 2 - L 1 - ալիքների անցած ուղիների օպտիկական երկարությունների տարբերությունը կոչվում է օպտիկական ուղու տարբերություն: Եթե ​​օպտիկական ուղիների տարբերությունը հավասար է վակուումում ալիքի երկարությունների ամբողջ թվին

ապա  = ± 2մ , Մերկու ալիքներն էլ տեղի կունենան նույն փուլում: Հետևաբար, (172.2) միջամտության առավելագույն պայմանն է:

Եթե ​​օպտիկական ուղու տարբերությունը

ապա  = ±(2m + 1) , և կետում հուզված տատանումները Մերկու ալիքներն էլ տեղի կունենան հակաֆազում: Հետևաբար, (172.3) միջամտության նվազագույնի պայմանն է:

ԼՈՒՅՍԻ ՄԻՋԱՄՏՈՒԹՅԱՆ ԿԻՐԱՌՈՒՄՆԵՐԸ

Միջամտության երեւույթը պայմանավորված է լույսի ալիքային բնույթով. դրա քանակական օրինաչափությունները կախված են Do ալիքի երկարությունից: Հետևաբար, այս երևույթն օգտագործվում է լույսի ալիքային բնույթը հաստատելու և ալիքի երկարությունները չափելու համար (միջամտության սպեկտրոսկոպիա):

Միջամտության երևույթը օգտագործվում է նաև օպտիկական սարքերի որակը բարելավելու համար (օպտիկական ծածկույթ) և բարձր անդրադարձնող ծածկույթներ ստանալու համար։ Լույսի անցումը ոսպնյակի յուրաքանչյուր բեկող մակերևույթով, օրինակ՝ ապակի-օդ միջերեսով, ուղեկցվում է անկման հոսքի 4%-ի արտացոլմամբ (ապակու բեկման մարմինը 1,5 ցուցադրելիս): Քանի որ ժամանակակից ոսպնյակները պարունակում են մեծ թվովոսպնյակներ, ապա դրանցում արտացոլումների թիվը մեծ է, հետևաբար մեծ են նաև լույսի հոսքի կորուստները։ Այսպիսով, փոխանցվող լույսի ինտենսիվությունը թուլանում է, իսկ օպտիկական սարքի պայծառությունը նվազում է: Բացի այդ, ոսպնյակի մակերևույթներից արտացոլումները հանգեցնում են փայլի, ինչը հաճախ (օրինակ, ռազմական տեխնիկայում) քողարկում է սարքի դիրքը:

Այս թերությունները վերացնելու համար, այսպես կոչված օպտիկայի լուսավորություն.Դրա համար ոսպնյակների ազատ մակերեսների վրա կիրառվում են բարակ թաղանթներ, որոնց բեկման ինդեքսը ցածր է ոսպնյակի նյութից: Երբ լույսն արտացոլվում է օդ-թաղանթից և թաղանթ-ապակի միջերեսներից, տեղի է ունենում 1 և 2» կոհերենտ ճառագայթների միջամտություն (Նկար 253):

AR շերտ

Ֆիլմի հաստությունը դև ապակու n c և թաղանթի n բեկման ինդեքսները կարող են ընտրվել այնպես, որ ֆիլմի երկու մակերևույթներից արտացոլված ալիքները չեղյալ համարեն միմյանց: Դա անելու համար նրանց ամպլիտուդները պետք է հավասար լինեն, իսկ օպտիկական ուղու տարբերությունը հավասար լինի -ի (տես (172.3)): Հաշվարկը ցույց է տալիս, որ արտացոլված ճառագայթների ամպլիտուդները հավասար են, եթե

(175.1)

Քանի որ n հետ, n իսկ օդի բեկման ինդեքսը n 0 բավարարում է n c > n > n 0 պայմանները, ապա կիսաալիքի կորուստը տեղի է ունենում երկու մակերևույթների վրա. հետևաբար նվազագույն պայմանը (ենթադրենք, որ լույսը նորմալ է ընկնում, այսինքն՝ I = 0)

որտեղ րդ- օպտիկական ֆիլմի հաստությունը. Սովորաբար վերցրեք m = 0, ապա

Այսպիսով, եթե (175.1) պայմանը բավարարված է, և թաղանթի օպտիկական հաստությունը հավասար է  0/4, ապա միջամտության արդյունքում արտացոլված ճառագայթները մարվում են։ Քանի որ անհնար է հասնել միաժամանակյա մարման բոլոր ալիքների երկարությունների համար, դա սովորաբար արվում է աչքի համար առավել զգայուն  0  0,55 մկմ ալիքի երկարության համար: Հետևաբար, ծածկված օպտիկայով ոսպնյակներն ունեն կապտավուն կարմիր երանգ:

Բարձր անդրադարձնող ծածկույթների ստեղծումը հնարավոր է դարձել միայն հիման վրա բազմակողմանի միջամտություն. Ի տարբերություն երկու ճառագայթային միջամտության, որը մենք մինչ այժմ դիտարկել ենք, բազմուղիների միջամտությունը տեղի է ունենում, երբ մեծ թվով համահունչ լույսի ճառագայթներ են վերադրվում: Ինտենսիվության բաշխումը միջամտության օրինաչափության մեջ զգալիորեն տարբերվում է. միջամտության առավելագույն չափերը շատ ավելի նեղ և պայծառ են, քան երբ երկու համահունչ լույսի ճառագայթները միմյանց վրա դրված են: Այսպիսով, նույն ամպլիտուդի լույսի տատանումների առաջացող ամպլիտուդը ինտենսիվության մաքսիմումներում, որտեղ հավելումը տեղի է ունենում նույն փուլում, Ն. անգամ ավելի, իսկ ինտենսիվությունը N 2-ում անգամ ավելի, քան մեկ ճառագայթից (Ն խանգարող ճառագայթների թիվն է): Նշենք, որ ստացված ամպլիտուդը գտնելու համար հարմար է օգտագործել գրաֆիկական մեթոդը՝ օգտագործելով պտտվող ամպլիտուդի վեկտորի մեթոդը (տես § 140): Բազմուղիների միջամտությունն իրականացվում է դիֆրակցիոն ցանցում (տես § 180):

Բազմուղիների միջամտությունը կարող է իրականացվել փոփոխական թաղանթների բազմաշերտ համակարգում՝ տարբեր բեկման ինդեքսներով (բայց նույն օպտիկական հաստությունը հավասար է  0/4), տեղադրված արտացոլող մակերեսի վրա (Նկար 254): Կարելի է ցույց տալ, որ ֆիլմի միջերեսում (երկու ZnS շերտերի միջև՝ բարձր բեկման ինդեքսով n 1 կա կրիոլիտային թաղանթ՝ ավելի ցածր բեկման ինդեքսով n 2) մեծ թիվարտացոլված միջամտող ճառագայթներ, որոնք,  0/4 թաղանթների օպտիկական հաստությամբ, փոխադարձաբար կավելանան, այսինքն՝ արտացոլման գործակիցը մեծանա: բնորոշ հատկանիշՆման բարձր արտացոլող համակարգն այն է, որ այն գործում է շատ նեղ սպեկտրային տարածքում, և որքան մեծ է արտացոլման գործակիցը, այնքան նեղ է այս շրջանը: Օրինակ, յոթ թաղանթից բաղկացած համակարգը 0,5 մկմ տարածքի համար տալիս է   96% անդրադարձում ( 3,5% հաղորդունակությամբ և կլանման գործակիցով<0,5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров (узкополосных оптических фильтров).

Միջամտության երևույթը օգտագործվում է նաև շատ ճշգրիտ չափիչ գործիքներում, որոնք կոչվում են ինտերֆերոմետրեր: Բոլոր ինտերֆերոմետրերը հիմնված են նույն սկզբունքի վրա և տարբերվում են միայն դիզայնով: Նկ. 255 ցույց է տալիս Michelson ինտերֆերոմետրի պարզեցված դիագրամը:

Միագույն լույսը աղբյուրից Ս 45° անկյան տակ ընկնում է հարթ զուգահեռ թիթեղի վրա Р 1 . Ռեկորդի կողմը հեռու Ս , արծաթապատ և կիսաթափանցիկ, ճառագայթը բաժանում է երկու մասի` գերան 1 (արտացոլվում է արծաթե շերտից) և ճառագայթ 2 (անցնում է վետոյի միջով): Ճառագայթ 1-ը արտացոլվում է M 1 հայելից և հետ վերադառնալով, կրկին անցնում է P 1 ափսեի միջով (ճառագայթ l»): Ճառագայթ 2-ը գնում է դեպի M 2 հայելին, արտացոլվում է դրանից, հետ է վերադառնում և արտացոլվում R 1 ափսեից։ (ճառագայթ 2): Քանի որ ճառագայթներից առաջինն անցնում է P 1 ափսեի միջով երկու անգամ, այնուհետև արդյունքում առաջացող ճանապարհի տարբերությունը փոխհատուցելու համար երկրորդ ճառագայթի ճանապարհին տեղադրվում է P 2 ափսե (ճիշտ նույնը, ինչ P 1-ը , միայն չծածկված արծաթի շերտով):

Ճառագայթներ 1 և 2"-ը համահունչ են, հետևաբար, կնկատվի միջամտություն, որի արդյունքը կախված է O կետից 1 ճառագայթի օպտիկական ճանապարհի տարբերությունից: O կետից հայելին M 1 և ճառագայթ 2 դեպի հայելին M 2. Երբ հայելիներից մեկը տեղափոխվում է  0/4 հեռավորության վրա, երկու ճառագայթների ուղիների տարբերությունը կավելանա  0/2-ով, և տեսողական դաշտի լուսավորությունը կփոխվի: Հետևաբար, միջամտության օրինաչափության մի փոքր տեղաշարժով կարելի է դատել հայելիներից մեկի փոքր տեղաշարժի մասին և օգտագործել Michelson ինտերֆերոմետրը երկարությունների ճշգրիտ (մոտ 10-7 մ) չափման համար (մարմինների երկարությունը, լույսի ալիքի երկարությունը չափելու համար): , մարմնի երկարության փոփոխությունները ջերմաստիճանի փոփոխություններով (միջամտության դիլատոմետր)) .

Ռուս ֆիզիկոս Վ.Պ.Լիննիկը (1889-1984) օգտագործեց Michelson-ի ինտերֆերոմետրի սկզբունքը՝ ստեղծելու միկրոինտերֆերոմետր (ինտերֆերոմետրի և մանրադիտակի համադրություն), որն օգտագործվում էր մակերեսի ավարտը վերահսկելու համար։

Ինտերֆերոմետրերը շատ զգայուն օպտիկական սարքեր են, որոնք թույլ են տալիս որոշել թափանցիկ մարմինների (գազեր, հեղուկներ և պինդ նյութեր) բեկման ինդեքսում աննշան փոփոխությունները՝ կախված ճնշումից, ջերմաստիճանից, կեղտից և այլն։ Խոչընդոտող ճառագայթների ճանապարհին կան երկարությամբ երկու նույնական կուվետներ լ, որոնցից մեկը լցված է, օրինակ, հայտնի (n 0) գազով, իսկ մյուսը՝ անհայտ (n z) բեկման ինդեքսներով։ Լրացուցիչ օպտիկական ուղու տարբերությունը, որը առաջացել է միջամտող ճառագայթների միջև  \u003d (n z - n 0) լ. Ուղու տարբերության փոփոխությունը կհանգեցնի միջամտության եզրերի տեղաշարժի: Այս տեղաշարժը կարող է բնութագրվել արժեքով

որտեղ m 0-ը ցույց է տալիս, թե միջամտության եզրի լայնության որ մասով է փոխվել միջամտության օրինաչափությունը: m 0-ի արժեքի չափում հայտնիով լ, m 0 և , կարող եք հաշվարկել n z, կամ փոխել n z - n 0: Օրինակ, երբ միջամտության օրինաչափությունը տեղաշարժվում է ծայրամասի 1/5-ով լ\u003d 10 սմ և  \u003d 0,5 միկրոն (n · z - n 0) \u003d 10 -6, այսինքն. միջամտության ռեֆրակտոմետրերը թույլ են տալիս չափել բեկման ինդեքսի փոփոխությունը շատ բարձր ճշգրտությամբ (մինչև 1/1,000,000):

Ինտերֆերոմետրերի օգտագործումը շատ բազմազան է։ Բացի վերը նշվածից, դրանք օգտագործվում են օպտիկական մասերի արտադրության որակն ուսումնասիրելու, անկյունները չափելու, օդանավի շուրջ հոսող օդում տեղի ունեցող արագ պրոցեսների ուսումնասիրության համար և այլն: Ինտերֆերոմետր օգտագործելով՝ Մայքելսոնն առաջին անգամ համեմատել է միջազգային ստանդարտը։ մետր ստանդարտ լուսային ալիքի երկարությամբ: Ինտերֆերոմետրերի միջոցով ուսումնասիրվել է նաև շարժվող մարմիններում լույսի տարածումը, ինչը հանգեցրել է տարածության և ժամանակի մասին պատկերացումների հիմնարար փոփոխությունների։

Գիմնազիա 144

վերացական

Լույսի արագությունը.

Լույսի միջամտություն.

կանգնած ալիքներ.

11-րդ դասարանի աշակերտ

Կորչագին Սերգեյ

Սանկտ Պետերբուրգ 1997 թ.

Լույսը էլեկտրամագնիսական ալիք է:

17-րդ դարում լույսի երկու տեսություն առաջացավ՝ ալիքային և կորպուսկուլյար։ Կորպուսկուլյար 1 տեսությունն առաջարկել է Նյուտոնը, իսկ ալիքների տեսությունը՝ Հյուգենսը։ Ըստ Հյուգենսի՝ լույսը ալիքներ են, որոնք տարածվում են հատուկ միջավայրում՝ եթերում, որը լրացնում է ամբողջ տարածությունը։ Երկու տեսությունները կողք կողքի գոյություն ունեն երկար ժամանակ: Երբ տեսություններից մեկը չէր բացատրում մի երեւույթ, այն բացատրվում էր մեկ այլ տեսությամբ։ Օրինակ՝ լույսի ուղղագիծ տարածումը, որը հանգեցնում է սուր ստվերների առաջացմանը, հնարավոր չէր բացատրել ալիքի տեսության հիման վրա։ Սակայն 19-րդ դարի սկզբին հայտնաբերվեցին այնպիսի երևույթներ, ինչպիսիք են դիֆրակցիան 2 և ինտերֆերենցիան 3, որոնք մտքերի տեղիք տվեցին, որ ալիքային տեսությունը վերջնականապես հաղթեց կորպուսկուլյարին։ 19-րդ դարի երկրորդ կեսին Մաքսվելը ցույց տվեց, որ լույսը էլեկտրամագնիսական ալիքների հատուկ դեպք է։ Այս աշխատանքները հիմք են ծառայել լույսի էլեկտրամագնիսական տեսության համար։ Այնուամենայնիվ, 20-րդ դարի սկզբին պարզվեց, որ լույսը արտանետվելիս և ներծծվելիս իրեն պահում է մասնիկների հոսքի պես։

Լույսի արագությունը.

Լույսի արագությունը որոշելու մի քանի եղանակ կա՝ աստղագիտական ​​և լաբորատոր մեթոդներ։

Լույսի արագությունը առաջին անգամ չափել է դանիացի գիտնական Ռեմերը 1676 թվականին՝ աստղագիտական ​​մեթոդով։ Նա նշել է այն ժամանակը, երբ Յուպիտերի արբանյակներից ամենամեծը՝ Իոն, գտնվում էր այս հսկայական մոլորակի ստվերում: Ռումերը չափումներ է կատարել այն պահին, երբ մեր մոլորակը ամենամոտն էր Յուպիտերին, և այն պահին, երբ մենք մի փոքր (ըստ աստղագիտական ​​պայմանների) հեռու էինք Յուպիտերից։ Առաջին դեպքում բռնկումների միջև ընկած ժամանակահատվածը կազմել է 48 ժամ 28 րոպե։ Երկրորդ դեպքում արբանյակն ուշացել է 22 րոպեով։ Սրանից եզրակացություն արվեց, որ լույսի համար պահանջվում է 22 րոպե, որպեսզի անցնի նախորդ դիտարկումից մինչև ներկա դիտարկումը: Իմանալով Իոյի հեռավորությունն ու ժամանակի ուշացումը՝ նա հաշվարկեց լույսի արագությունը, որը պարզվեց, որ հսկայական է՝ մոտ 300000 կմ/վ 4:

Առաջին անգամ լույսի արագությունը լաբորատոր մեթոդով չափել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ֆիզոն 1849 թվականին։ Նա ստացել է լույսի արագության արժեքը, որը հավասար է 313000 կմ/վ։

Ըստ ժամանակակից տվյալների՝ լույսի արագությունը 299,792,458 մ/վ ±1,2 մ/վ է։

Լույսի միջամտություն.

Լույսի ալիքների միջամտության պատկերը բավականին դժվար է ստանալ։ Սրա պատճառն այն է, որ տարբեր աղբյուրներից արձակված լուսային ալիքները միմյանց հետ չեն համապատասխանում։ Նրանք պետք է ունենան նույն ալիքի երկարությունը և հաստատուն փուլային տարբերություն 5 տարածության ցանկացած կետում: Ալիքի երկարությունների հավասարությունը դժվար չէ հասնել լուսային ֆիլտրերի միջոցով: Բայց անհնար է հասնել կայուն փուլային տարբերության՝ պայմանավորված այն հանգամանքով, որ տարբեր աղբյուրների ատոմները միմյանցից անկախ լույս են արձակում 6 ։

Այնուամենայնիվ, լույսի միջամտությունը կարելի է նկատել։ Օրինակ՝ գույների շողշողուն արտահոսք օճառի պղպջակի վրա կամ կերոսինի կամ ջրի վրա յուղի բարակ թաղանթի վրա։ Անգլիացի գիտնական Տ. Յունգն առաջինն է եկել այն փայլուն գաղափարին, որ գույնը բացատրվում է ալիքների ավելացմամբ, որոնցից մեկը արտացոլվում է արտաքին մակերեսից, իսկ մյուսը՝ ներքինից։ Այս դեպքում տեղի է ունենում 7 լուսային ալիքների միջամտություն։ Միջամտության արդյունքը կախված է ֆիլմի վրա լույսի անկման անկյունից, դրա հաստությունից և ալիքի երկարությունից:

կանգնած ալիքներ.

Նկատվել է, որ եթե ճոպանի մի ծայրը ճոճվում է ճիշտ ընտրված հաճախականությամբ (նրա մյուս ծայրը ֆիքսված է), ապա դեպի ֆիքսված ծայրը կանցնի շարունակական ալիք, որն այնուհետ կարտացոլվի կիսաալիքի կորստով։ Միջադեպի և արտացոլված ալիքի միջամտությունը կհանգեցնի կանգուն ալիքի, որը կարծես անշարժ է: Այս ալիքի կայունությունը բավարարում է պայմանը.

L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,

Որտեղ L *-ը պարանի երկարությունն է. n * 1,2,3 և այլն; u * ալիքի տարածման արագությունն է, որը կախված է պարանի լարվածությունից։

Կանգնած ալիքները գրգռված են բոլոր մարմիններում, որոնք ունակ են տատանվել:

Կանգնած ալիքների առաջացումը ռեզոնանսային երեւույթ է, որը տեղի է ունենում մարմնի ռեզոնանսային կամ բնական հաճախականություններում։ Այն կետերը, որտեղ միջամտությունը չեղարկվում է, կոչվում են հանգույցներ, իսկ այն կետերը, որտեղ միջամտությունն ուժեղանում է, հակահանգույցներ են:

Լույսը էլեկտրամագնիսական ալիք………………………………………………………………………………………

Լույսի արագությունը…………………………………………………………………………………………

Թեթև միջամտություն………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Կանգնած ալիքներ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Ֆիզիկա 11 (Գ.Յա. Մյակիշև Բ.Բ. Լուխովցև)

Ֆիզիկա 10 (Ն.Մ. Շախմաև Ս.Ն. Շախմաև)

Օժանդակ նշումներ և թեստային առաջադրանքներ (G.D. Luppov)

1 Լատինական «մարմին» բառը ռուսերեն թարգմանված նշանակում է «մասնիկ»:

2 Կլորացնելով խոչընդոտները լույսով:

3 Լույսի ուժեղացման կամ թուլացման երևույթը լույսի ճառագայթների վրա դնելիս:

4 Ռոմերն ինքը ստացել է 215000 կմ/վ արժեք։

5 Միևնույն երկարություն և հաստատուն փուլային տարբերություն ունեցող ալիքները կոչվում են կոհերենտ:

6 Բացառություն են կազմում միայն քվանտային լույսի աղբյուրները՝ լազերները։

7 Երկու ալիքների ավելացում, որի արդյունքում տեղի է ունենում ժամանակի կայուն ուժեղացում կամ առաջացող լույսի տատանումների թուլացում տիեզերքի տարբեր կետերում։

Լույսի բնույթը

Լույսի բնույթի մասին առաջին պատկերացումներն առաջացել են հին հույների և եգիպտացիների մոտ։ Տարբեր օպտիկական գործիքների հայտնագործմամբ և կատարելագործմամբ (պարաբոլիկ հայելիներ, մանրադիտակ, կետային տիրույթ) այս գաղափարները զարգացան և փոխակերպվեցին: 17-րդ դարի վերջում լույսի երկու տեսություն առաջացավ. կորպուսուլյար(Ի. Նյուտոն) և ալիք(Ռ. Հուկ և Հ. Հյուգենս):

ալիքի տեսությունլույսը համարվում է ալիքային պրոցես, որը նման է մեխանիկական ալիքներին: Ալիքի տեսությունը հիմնված էր Հյուգենսի սկզբունքը. Ալիքային տեսությունների զարգացման գործում մեծ վաստակ ունեն անգլիացի ֆիզիկոս Տ. Յունգը և ֆրանսիացի ֆիզիկոս Օ. Ֆրենելը, ովքեր ուսումնասիրել են միջամտության և դիֆրակցիայի երևույթները։ Այս երևույթների սպառիչ բացատրությունը կարելի է տալ միայն ալիքային տեսության հիման վրա։ Ալիքի տեսության վավերականության փորձարարական կարևոր հաստատումը ստացվել է 1851 թվականին, երբ Ջ. Ֆուկոն (և անկախ Ա. Ֆիզոն) չափեց լույսի տարածման արագությունը ջրում և ստացավ արժեքը. υ < գ.

Թեև ալիքների տեսությունը ընդհանուր առմամբ ընդունվեց 19-րդ դարի կեսերին, լույսի ալիքների բնույթի հարցը մնաց չլուծված։

XIX դարի 60-ական թվականներին Մաքսվելը հաստատեց էլեկտրամագնիսական դաշտի ընդհանուր օրենքները, որոնք նրան հանգեցրին այն եզրակացության, որ լույսը էլեկտրամագնիսական ալիքներ. Այս տեսակետի կարևոր հաստատումը վակուումում լույսի արագության համընկնումն էր էլեկտրադինամիկական հաստատունի հետ.

\(~c = \dfrac(1)(\sqrt(\varepsilon_0 \mu_0))\) .

Լույսի էլեկտրամագնիսական բնույթը ճանաչվել է Գ.Հերցի (1887–1888) էլեկտրամագնիսական ալիքների ուսումնասիրության փորձերից հետո։ 20-րդ դարի սկզբին Լեբեդևի լույսի ճնշման չափման փորձերից հետո (1901), լույսի էլեկտրամագնիսական տեսությունը վերածվեց հաստատապես հաստատված փաստի:

Լույսի էության պարզաբանման գործում ամենակարեւոր դերը խաղացել է նրա արագության փորձարարական որոշումը։ 17-րդ դարի վերջից տարբեր մեթոդներով լույսի արագությունը չափելու բազմակի փորձեր են արվել (Ա. Ֆիզոյի աստղագիտական ​​մեթոդը, Ա. Միխելսոնի մեթոդը)։ Ժամանակակից լազերային տեխնոլոգիան հնարավորություն է տալիս չափել լույսի արագությունը -իցշատ բարձր ճշգրտություն՝ հիմնված ալիքի երկարության անկախ չափումների վրա λ և լույսի հաճախականությունները ν (գ = λ · ν ): Այս կերպ արժեքը գտնվեց գ= 299792458 ± 1,2 մ/վրկ, ճշգրտությամբ գերազանցելով նախկինում ստացված բոլոր արժեքները ավելի քան երկու կարգի մեծությամբ:

Լույսը չափազանց կարևոր դեր է խաղում մեր կյանքում: Մարդը շրջապատող աշխարհի մասին տեղեկատվության ճնշող քանակությունը ստանում է լույսի օգնությամբ: Այնուամենայնիվ, օպտիկայի մեջ, որպես ֆիզիկայի ճյուղ, լույսը հասկացվում է ոչ միայն տեսանելի լույս, բայց նաև դրան հարող էլեկտրամագնիսական ճառագայթման սպեկտրի լայն շրջանակներ. ինֆրակարմիր(IR) և Ուլտրամանուշակագույն(ուլտրամանուշակագույն): Լույսը, ըստ իր ֆիզիկական հատկության, սկզբունքորեն չի տարբերվում այլ տիրույթների էլեկտրամագնիսական ճառագայթումից. սպեկտրի տարբեր մասերը միմյանցից տարբերվում են միայն ալիքի երկարությամբ։ λ և հաճախականությունը ν .

Օպտիկական տիրույթում ալիքների երկարությունները չափելու համար օգտագործվում են երկարության միավորներ 1 նանոմետր(նմ) և 1 միկրոմետր(մկմ):

1 նմ = 10 -9 մ = 10 -7 սմ = 10 -3 մկմ:

Տեսանելի լույսը զբաղեցնում է մոտավորապես 400 նմ-ից մինչև 780 նմ կամ 0,40 մկմ-ից 0,78 մկմ տիրույթ:

Տարածության մեջ տարածվող պարբերաբար փոփոխվող էլեկտրամագնիսական դաշտն է էլեկտրամագնիսական ալիք.

Լույսի որպես էլեկտրամագնիսական ալիքի ամենակարևոր հատկությունները

1. Երբ լույսը տարածվում է տարածության յուրաքանչյուր կետում, պարբերաբար կրկնվող փոփոխություններ են տեղի ունենում էլեկտրական և մագնիսական դաշտերում: Այս փոփոխությունները հարմար է ներկայացնել էլեկտրական դաշտի ուժգնության \(~\vec E\) վեկտորների տատանումների և \(~\vec B\) մագնիսական դաշտի ինդուկցիայի տեսքով տարածության յուրաքանչյուր կետում: Լույսը լայնակի ալիք է, քանի որ \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) և \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
2. \(~\vec E\) և \(~\vec B\) վեկտորների տատանումները էլեկտրամագնիսական ալիքի յուրաքանչյուր կետում տեղի են ունենում նույն փուլերում և երկու միմյանց ուղղահայաց ուղղություններով \(~\vec E \perp \vec): B\) յուրաքանչյուր կետի տարածության վրա:
3. Լույսի ժամանակաշրջանը որպես էլեկտրամագնիսական ալիք (հաճախականություն) հավասար է էլեկտրամագնիսական ալիքների աղբյուրի տատանումների ժամանակաշրջանին (հաճախականությանը): Էլեկտրամագնիսական ալիքների համար \(~\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac(\upsilon)(\nu)\) կապը ճշմարիտ է: Վակուումում \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac(c)(\nu)\) ամենամեծ ալիքի երկարությունն է՝ համեմատած λ այլ միջավայրում, քանի որ ν = const և միայն փոփոխություններ υ Եվ λ մի միջավայրից մյուսը տեղափոխելիս.
4. Լույսը էներգիայի կրող է, և էներգիայի փոխանցումը տեղի է ունենում ալիքի տարածման ուղղությամբ։ Էլեկտրամագնիսական դաշտի ծավալային էներգիայի խտությունը տրվում է \(~\omega_(em) = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2)(2) + \dfrac(B^2)(2 \cdot) \mu \cdot \mu_0)\)
5. Լույսը, ինչպես մյուս ալիքները, տարածվում է միատարր միջավայրում ուղիղ գծով, մի միջավայրից մյուսն անցնելիս ենթարկվում է բեկման և արտացոլվում է մետաղական պատնեշներից։ Դրանք բնութագրվում են դիֆրակցիայի և միջամտության երևույթներով։

Լույսի միջամտություն

Ջրի մակերեսին ալիքային միջամտությունը դիտարկելու համար օգտագործվել են ալիքի երկու աղբյուր (երկու գնդիկներ՝ ամրացված տատանվող ձողի վրա)։ Անհնար է ստանալ միջամտության օրինակ (լուսավորման փոփոխվող նվազագույն և առավելագույնը)՝ օգտագործելով երկու սովորական անկախ լույսի աղբյուրներ, օրինակ՝ երկու էլեկտրական լամպ: Մեկ այլ լամպ միացնելը միայն մեծացնում է մակերեսի լուսավորությունը, բայց չի ստեղծում լուսավորության մինիմումի և առավելագույնի փոփոխություն:

Որպեսզի լույսի ալիքների վրա դրված լինեն կայուն միջամտության օրինաչափություն, անհրաժեշտ է, որ ալիքները լինեն համահունչ, այսինքն՝ ունենան նույն ալիքի երկարությունը և հաստատուն փուլային տարբերություն։

Ինչու՞ երկու աղբյուրներից լույսի ալիքները համահունչ չեն:

Երկու աղբյուրների ինտերֆերենցիայի օրինաչափությունը, որոնք մենք նկարագրել ենք, առաջանում է միայն այն դեպքում, երբ ավելացվում են նույն հաճախականության մոնոխրոմատիկ ալիքները: Մոնոխրոմ ալիքների համար տարածության ցանկացած կետում տատանումների փուլային տարբերությունը հաստատուն է։

Միևնույն հաճախականությամբ և հաստատուն փուլային տարբերությամբ ալիքները կոչվում են համահունչ.

Միայն փոխկապակցված ալիքները՝ միմյանց վրա դրված, տալիս են կայուն միջամտության օրինաչափություն՝ տատանումների առավելագույն և նվազագույնի տարածության մեջ անփոփոխ դասավորությամբ: Երկու անկախ աղբյուրներից լույսի ալիքները համահունչ չեն: Աղբյուրների ատոմները միմյանցից անկախ լույս են ճառագում որպես սինուսոիդային ալիքների առանձին «պոկումներ» (գնացքներ)։ Ատոմի շարունակական արտանետման տևողությունը մոտ 10 վ է։ Այս ընթացքում լույսը անցնում է մոտ 3 մ երկարությամբ ճանապարհով (նկ. 1):

Երկու աղբյուրներից եկող ալիքների այս գնացքները դրված են միմյանց վրա: Տարածության ցանկացած կետում տատանումների փուլային տարբերությունը քաոսային կերպով փոխվում է ժամանակի հետ՝ կախված նրանից, թե ինչպես են տարբեր աղբյուրներից գնացքները փոխվում միմյանց նկատմամբ տվյալ պահին: Լույսի տարբեր աղբյուրների ալիքները անհամապատասխան են, քանի որ սկզբնական փուլերի տարբերությունը հաստատուն չի մնում: Փուլեր φ 01 և φ 02-ը պատահականորեն փոխվում է, և դրա պատճառով առաջացող տատանումների փուլային տարբերությունը տարածության ցանկացած կետում պատահականորեն փոխվում է:

Պատահական ընդմիջումների և տատանումների առաջացման դեպքում փուլային տարբերությունը պատահականորեն փոխվում է՝ հաշվի առնելով դիտարկման ժամանակը τ բոլոր հնարավոր արժեքները 0-ից 2 π . Արդյունքում՝ ժամանակի ընթացքում τ շատ ավելի երկար, քան անկանոն փուլային փոփոխությունների ժամանակը (10 -8 վրկ կարգի), cos-ի միջին արժեքը ( φ 1 – φ 2) բանաձևում

\(~I = 4 I_0 \cos^2 \dfrac(\varphi_1 - \varphi_2)(2) = 2 I_0 \) .

հավասար է զրոյի։ Լույսի ինտենսիվությունը պարզվում է, որ հավասար է առանձին աղբյուրներից ստացվող ինտենսիվությունների գումարին, և միջամտության օրինաչափություն չի նկատվի: Լույսի ալիքների անհամապատասխանությունը հիմնական պատճառն է, թե ինչու լույսը երկու աղբյուրներից չի տալիս միջամտության օրինաչափություն: Սա է հիմնական, բայց ոչ միակ պատճառը։ Մեկ այլ պատճառ էլ այն է, որ լույսի ալիքի երկարությունը, ինչպես շուտով կտեսնենք, շատ կարճ է: Սա մեծապես բարդացնում է միջամտության դիտարկումը, նույնիսկ եթե որևէ մեկը ունի համահունչ ալիքի աղբյուրներ:

Միջամտության օրինաչափության առավելագույն և նվազագույնի պայմանները

Տիեզերքում երկու կամ ավելի համահունչ ալիքների սուպերպոզիցիայի արդյունքում՝ միջամտության օրինաչափություն, որը լույսի ինտենսիվության առավելագույնի և նվազագույնի, հետևաբար՝ էկրանի լուսավորության փոփոխությունն է։

Լույսի ինտենսիվությունը տարածության տվյալ կետում որոշվում է տատանումների փուլային տարբերությամբ φ 1 – φ 2. Եթե ​​աղբյուրների տատանումները փուլային են, ապա φ 01 – φ 02 = 0 և

\(~\Delta \varphi = \varphi_1 - \varphi_2 = 2 \pi \dfrac(r_2 - r_1) (\lambda)\) . (մեկ)

Ֆազային տարբերությունը որոշվում է աղբյուրներից մինչև Δ դիտակետ հեռավորությունների տարբերությամբ r = r 1 – r 2 (հեռավորության տարբերությունը կոչվում է ինսուլտի տարբերություն ): Տիեզերքի այն կետերում, որոնց համար պայման

\(~\Delta r = r_1 - r_2 = k \lambda; k = 0, 1, 2, \ldots\): (2)

ալիքները, գումարվելով, ուժեղացնում են միմյանց, և արդյունքում ստացվող ինտենսիվությունը 4 անգամ ավելի մեծ է, քան ալիքներից յուրաքանչյուրի ուժգնությունը, այսինքն. նկատել առավելագույնը . Ընդհակառակը, ժամը

\(~\Delta r = r_1 - r_2 = \dfrac(\lambda)(2) (2k + 1)\) . (3)

ալիքները ջնջում են միմյանց Ի= 0), այսինքն. նկատել նվազագույնը .

Հյուգենս-Ֆրենսելի սկզբունքը

Ալիքի տեսությունը հիմնված է Հյուգենսի սկզբունքի վրա. յուրաքանչյուր կետ, որին հասնում է ալիքը, ծառայում է որպես երկրորդական ալիքների կենտրոն, և այդ ալիքների ծրարը տալիս է ալիքի ճակատի դիրքը հաջորդ պահին:

Թող հարթ ալիքը սովորաբար ընկնի անթափանց էկրանի անցքի վրա (նկ. 2): Ըստ Հյուգենսի՝ անցքով առանձնացված ալիքային ճակատի հատվածի յուրաքանչյուր կետ ծառայում է որպես երկրորդական ալիքների աղբյուր (միատարր իզոտրոպ միջավայրում դրանք գնդաձև են)։ Կառուցելով երկրորդական ալիքների ծրարը որոշակի պահի համար՝ մենք տեսնում ենք, որ ալիքի ճակատը մտնում է երկրաչափական ստվերի շրջան, այսինքն՝ ալիքը շրջանցում է անցքի եզրերը։

Հյուգենսի սկզբունքը լուծում է միայն ալիքի ճակատի տարածման ուղղության խնդիրը, բացատրում է դիֆրակցիայի երևույթը, բայց չի անդրադառնում ամպլիտուդության և, հետևաբար, տարբեր ուղղություններով տարածվող ալիքների ինտենսիվության խնդրին։ Ֆրենելը ֆիզիկական իմաստ է դրել Հյուգենսի սկզբունքի մեջ՝ լրացնելով այն երկրորդական ալիքների միջամտության գաղափարով։

Համաձայն Հյուգենս-Ֆրենսելի սկզբունքը, ինչ-որ S աղբյուրի կողմից գրգռված լուսային ալիքը կարող է ներկայացվել որպես ֆիկտիվ աղբյուրներով «ճառագայթված» հաջորդական երկրորդական ալիքների սուպերպոզիցիային։

Որպես այդպիսի աղբյուր կարող են ծառայել S աղբյուրը պարփակող ցանկացած փակ մակերեսի անսահման փոքր տարրերը: Սովորաբար որպես այս մակերես ընտրվում է ալիքի մակերեսներից մեկը, ուստի բոլոր ֆիկտիվ աղբյուրները գործում են փուլային: Այսպիսով, աղբյուրից տարածվող ալիքները բոլոր հաջորդական երկրորդական ալիքների միջամտության արդյունք են։ Ֆրենելը բացառեց հետընթաց երկրորդական ալիքների առաջացման հնարավորությունը և ենթադրեց, որ եթե աղբյուրի և դիտակետի միջև գտնվում է անցք ունեցող անթափանց էկրան, ապա էկրանի մակերեսի վրա երկրորդական ալիքների ամպլիտուդը զրո է, և անցքը նույնն է, ինչ էկրանի բացակայության դեպքում: Հաշվի առնելով երկրորդական ալիքների ամպլիտուդները և փուլերը, յուրաքանչյուր կոնկրետ դեպքում հնարավոր է դառնում տարածության ցանկացած կետում գտնել ստացված ալիքի ամպլիտուդը (ինտենսիվությունը), այսինքն՝ որոշել լույսի տարածման օրենքները:

Միջամտության օրինաչափություն ստանալու մեթոդներ

Օգուստին Ֆրենսելի գաղափարը

Համատեղ լույսի աղբյուրներ ստանալու համար ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ավգուստին Ֆրենելը (1788-1827 թթ.) 1815 թվականին պարզ ու հնարամիտ միջոց գտավ: Անհրաժեշտ է մեկ աղբյուրից լույսը բաժանել երկու ճառագայթների և ստիպելով նրանց անցնել տարբեր ուղիներով, դրանք ի մի բերել.. Այնուհետև առանձին ատոմից արձակված ալիքների գնացքը կբաժանվի երկու համահունչ գնացքների։ Դա կլինի աղբյուրի յուրաքանչյուր ատոմից արտանետվող ալիքների գնացքների դեպքում: Մեկ ատոմից արձակված լույսը որոշակի միջամտության օրինաչափություն է առաջացնում: Երբ այս նկարները տեղադրվում են միմյանց վրա, էկրանի վրա ստացվում է լուսավորության բավականին ինտենսիվ բաշխում. կարելի է դիտարկել միջամտության օրինաչափությունը:

Համատեղ լույսի աղբյուրներ ստանալու բազմաթիվ եղանակներ կան, բայց դրանց էությունը նույնն է: Ճառագայթը երկու մասի բաժանելով՝ ստացվում է երկու երեւակայական լույսի աղբյուր՝ տալով համահունչ ալիքներ։ Դրա համար օգտագործվում են երկու հայելիներ (Fresnel bimirrors), բիպրիզմա (հիմքերում ծալված երկու պրիզմա), բիլեն (ոսպնյակ, որը կիսով չափ կտրված է կիսով չափ) և այլն։

Նյուտոնի օղակները

Լաբորատորիայում լույսի միջամտության դիտարկման առաջին փորձը պատկանում է Ի.Նյուտոնին։ Նա նկատեց մի ինտերֆերենցիա, որը առաջանում էր լույսի արտացոլումից մի բարակ օդային բացվածքում հարթ ապակե ափսեի և հարթ-ուռուցիկ ոսպնյակի միջև՝ կորության մեծ շառավղով: Միջամտության նախշը նման էր համակենտրոն օղակների, որոնք կոչվում էին Նյուտոնի օղակները(նկ. 3 ա, բ):

Նյուտոնը չկարողացավ բացատրել կորպուսուլյար տեսության տեսանկյունից, թե ինչու են օղակներ հայտնվում, բայց նա հասկացավ, որ դա պայմանավորված է լույսի գործընթացների որոշակի պարբերականությամբ:

Յանգի փորձը երկու ճեղքով

Տ. Յունգի առաջարկած փորձը համոզիչ կերպով ցույց է տալիս լույսի ալիքային բնույթը։ Յանգի փորձի արդյունքներն ավելի լավ հասկանալու համար օգտակար է նախ դիտարկել այն իրավիճակը, երբ լույսն անցնում է միջնորմի մեկ ճեղքով: Մեկ ճեղքվածքով փորձարկման ժամանակ աղբյուրից ստացվող մոնոխրոմատիկ լույսն անցնում է նեղ ճեղքով և գրանցվում էկրանի վրա: Անսպասելի է, որ բավականաչափ նեղ ճեղքով էկրանին տեսանելի է ոչ թե նեղ լուսավոր շերտ (ճեղքի պատկերը), այլ լույսի ինտենսիվության սահուն բաշխում, որն ունի առավելագույնը կենտրոնում և աստիճանաբար նվազում է դեպի եզրերը։ Այս երևույթը պայմանավորված է լույսի ցրմամբ ճեղքով և հետևանք է նաև լույսի ալիքային բնույթի։

Այժմ թողեք, որ միջնորմում երկու անցք պատրաստվի (նկ. 4): Հերթականորեն փակելով այս կամ այն ​​ճեղքը, կարելի է համոզվել, որ էկրանի վրա ինտենսիվության բաշխման օրինաչափությունը կլինի նույնը, ինչ մեկ ճեղքի դեպքում, բայց միայն ինտենսիվության առավելագույն դիրքը ամեն անգամ կհամապատասխանի բացի դիրքին։ ճեղքվածք. Եթե ​​երկու ճեղքերը բացված են, ապա էկրանին հայտնվում է բաց և մուգ շերտերի փոփոխական հաջորդականություն, իսկ կենտրոնից հեռավորության հետ մեկտեղ լույսի շերտերի պայծառությունը նվազում է:

Միջամտության որոշ կիրառություններ

Միջամտության կիրառությունները շատ կարևոր և ընդարձակ են:

Կան հատուկ սարքեր ինտերֆերոմետրեր- որի գործողությունը հիմնված է միջամտության երեւույթի վրա: Դրանց նպատակը կարող է տարբեր լինել՝ լույսի ալիքի երկարությունների ճշգրիտ չափում, գազերի բեկման ցուցիչի չափում և այլն։ Կան հատուկ նշանակության ինտերֆերոմետրեր։ Դրանցից մեկը, որը Մայքելսոնը նախագծել է լույսի արագության շատ փոքր փոփոխությունները ֆիքսելու համար, կքննարկվի «Հարաբերականության հիմունքներ» գլխում։

Մենք կկենտրոնանանք միջամտության միայն երկու կիրառման վրա:

Մակերեւույթի որակի ստուգում

Միջամտության միջոցով հնարավոր է գնահատել արտադրանքի մակերեսը հղկելու որակը մինչև 10 -6 սմ սխալով։Դրա համար անհրաժեշտ է օդի բարակ շերտ ստեղծել նմուշի մակերևույթի միջև։ և շատ հարթ հղման ափսե (նկ. 5):

Այնուհետև մակերևութային անկանոնությունները մինչև 10 -6 սմ կառաջացնեն միջամտության եզրերի նկատելի կորություն, որը ձևավորվում է, երբ լույսը արտացոլվում է փորձարկվող մակերևույթից և հղման ափսեի ստորին երեսից:

Մասնավորապես, ոսպնյակների մանրացման որակը կարելի է ստուգել՝ դիտարկելով Նյուտոնի օղակները։ Օղակները սովորական շրջանակներ կլինեն միայն այն դեպքում, եթե ոսպնյակի մակերեսը խիստ գնդաձեւ է: 0,1-ից ավելի գնդաձևությունից ցանկացած շեղում λ նկատելի ազդեցություն կունենա օղակների ձևի վրա: Այնտեղ, որտեղ ոսպնյակի վրա ուռուցիկություն կա, օղակները ուռչելու են դեպի կենտրոն:

Հետաքրքիր է, որ իտալացի ֆիզիկոս Է.Տորիչելլին (1608-1647) կարողացել է մանրացնել մինչև 10-6 սմ սխալով ոսպնյակներ, որոնց ոսպնյակները պահվում են թանգարանում, և դրանց որակը ստուգվում է ժամանակակից մեթոդներով։ Ինչպե՞ս նրան հաջողվեց դա անել։ Այս հարցին դժվար է պատասխանել։ Այն ժամանակ արհեստագործության գաղտնիքները սովորաբար չէին բացահայտվում։ Ըստ երևույթին, Տորիչելին Նյուտոնից շատ առաջ հայտնաբերել է միջամտության օղակները և կռահել, որ դրանք կարող են օգտագործվել մանրացման որակը ստուգելու համար: Բայց, իհարկե, Տորիչելին չէր կարող պատկերացնել, թե ինչու են մատանիները հայտնվում։

Մենք նաև նշում ենք, որ օգտագործելով գրեթե խիստ մոնոխրոմատիկ լույսը, կարելի է դիտարկել միջամտության օրինաչափություն, երբ արտացոլվում է միմյանցից մեծ հեռավորության վրա գտնվող ինքնաթիռներից (մի քանի մետրի կարգով): Սա թույլ է տալիս չափել հարյուրավոր սանտիմետր հեռավորություններ մինչև 10 -6 սմ սխալով:

Օպտիկայի լուսավորություն

Ժամանակակից տեսախցիկների կամ կինոպրոյեկտորների ոսպնյակները, սուզանավային պերիսկոպները և զանազան այլ օպտիկական սարքերը բաղկացած են մեծ թվով օպտիկական ակնոցներից՝ ոսպնյակներ, պրիզմաներ և այլն։ Նման սարքերի միջով անցնելով՝ լույսը արտացոլվում է բազմաթիվ մակերեսներից։ Ժամանակակից լուսանկարչական ոսպնյակներում արտացոլող մակերեսների թիվը գերազանցում է 10-ը, իսկ սուզանավային պերիսկոպներում հասնում է 40-ի: Երբ լույսն ընկնում է մակերեսին ուղղահայաց, յուրաքանչյուր մակերեսից արտացոլվում է ընդհանուր էներգիայի 5-9%-ը: Հետեւաբար, այն մտնող լույսի միայն 10-20%-ն է հաճախ անցնում սարքի միջով։ Արդյունքում պատկերի լուսավորությունը ցածր է։ Բացի այդ, պատկերի որակը վատանում է։ Լույսի ճառագայթի մի մասը, ներքին մակերևույթներից բազմաթիվ արտացոլումներից հետո, դեռ անցնում է օպտիկական սարքի միջով, բայց ցրվում է և այլևս չի մասնակցում հստակ պատկեր ստեղծելուն։ Լուսանկարչական պատկերներում, օրինակ, «շղարշ» է գոյանում հենց այս պատճառով։

Լույսի արտացոլման այս տհաճ հետևանքները օպտիկական ակնոցների մակերեսներից վերացնելու համար անհրաժեշտ է նվազեցնել արտացոլված լույսի էներգիայի բաժինը։ Սարքի տված պատկերը միաժամանակ դառնում է ավելի պայծառ, «լուսավորվում»։ Այստեղից էլ առաջացել է տերմինը։ օպտիկայի լուսավորություն.

Օպտիկայի լուսավորությունը հիմնված է միջամտության վրա: Օպտիկական ապակու մակերեսին, օրինակ՝ ոսպնյակի, կիրառվում է բեկման ինդեքսով բարակ թաղանթ: n n, ապակու բեկման ինդեքսից պակաս n-ից Պարզության համար եկեք դիտարկենք թաղանթի վրա լույսի նորմալ անկման դեպքը (նկ. 6):

Այն պայմանը, որ թաղանթի վերին և ստորին մակերևույթներից արտացոլված ալիքները չեղյալ են համարում միմյանց, կարող է գրվել (նվազագույն հաստությամբ թաղանթի համար) հետևյալ կերպ.

\(~2h = \dfrac(\lambda)(2 n_n)\) . (4)

որտեղ \(~\dfrac(\lambda)(n_n)\) ֆիլմի ալիքի երկարությունն է, և 2 հ- ինսուլտի տարբերություն.

Եթե ​​երկու անդրադարձված ալիքների ամպլիտուդները նույնն են կամ շատ մոտ են միմյանց, ապա լույսի մարումն ամբողջական կլինի։ Դրան հասնելու համար ֆիլմի բեկման ինդեքսը ընտրվում է պատշաճ կերպով, քանի որ արտացոլված լույսի ինտենսիվությունը որոշվում է երկու հարակից միջավայրերի բեկման ինդեքսների հարաբերակցությամբ:

Սպիտակ լույսն ընկնում է ոսպնյակի վրա նորմալ պայմաններում: Արտահայտությունը (4) ցույց է տալիս, որ ֆիլմի պահանջվող հաստությունը կախված է ալիքի երկարությունից: Հետեւաբար, անհնար է ճնշել բոլոր հաճախականությունների արտացոլված ալիքները: Թաղանթի հաստությունը ընտրված է այնպես, որ նորմալ անկման դեպքում լիակատար մարումը տեղի ունենա սպեկտրի միջին մասի ալիքի երկարությունների համար (կանաչ գույն, λ z = 5,5·10 -7 մ); այն պետք է հավասար լինի ֆիլմի ալիքի երկարության քառորդին.

\(~h = \dfrac(\lambda)(4 n_n)\) . (4)

Լույսի արտացոլումը սպեկտրի ծայրահեղ մասերից՝ կարմիր և մանուշակագույն, մի փոքր թուլանում է: Հետևաբար, արտացոլված լույսի ներքո ծածկված օպտիկայով ոսպնյակն ունի յասամանագույն երանգ: Այժմ նույնիսկ պարզ էժան տեսախցիկները ծածկված օպտիկա ունեն: Եզրափակելով՝ ևս մեկ անգամ շեշտում ենք, որ լույսի միջոցով լույսի մարումը չի նշանակում լուսային էներգիայի փոխակերպում այլ ձևերի։ Ինչպես մեխանիկական ալիքների միջամտության դեպքում, այնպես էլ տարածության տվյալ հատվածում ալիքների միմյանց կողմից խամրելը նշանակում է, որ լույսի էներգիան այստեղ պարզապես չի մտնում: Պատված օպտիկայով ոսպնյակում արտացոլված ալիքների թուլացումը նշանակում է, որ ամբողջ լույսն անցնում է ոսպնյակի միջով:

Հավելված

Երկու մոնոխրոմատիկ ալիքների ավելացում

Եկեք ավելի մանրամասն քննարկենք նույն հաճախականության երկու ներդաշնակ ալիքների ավելացումը ν ինչ-որ պահի ԲԱՅՑմիատարր միջավայր՝ ենթադրելով, որ այդ ալիքների աղբյուրները Ս 1 և Ս 2-ը կետից են ԲԱՅՑհեռավորությունների վրա, համապատասխանաբար: լ 1 և լ 2 (նկ. 7):

Պարզության համար ենթադրենք, որ դիտարկվող ալիքները բևեռացված են կամ երկայնական կամ լայնակի հարթության վրա, և դրանց ամպլիտուդները հավասար են. ա 1 և ա 2. Այնուհետև, ըստ \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\) , այս ալիքների հավասարումները կետում. ԲԱՅՑնման լինել

\(~x_1(l_1,t) = a_1 \cdot \sin (\omega t - k l_1 + \varphi_(01))\): (5) \(~x_2(l_2,t) = a_2 \cdot \sin (\omega t - k l_2 + \varphi_(02))\) . (6)

Ստացված ալիքի հավասարումը, որը հանդիսանում է (5), (6) ալիքների սուպերպոզիցիան, դրանց գումարն է.

\(~x(t) = x_1(l_1,t) + x_2(l_2,t) = a \cdot \sin (\omega t + \varphi)\) , (7)

Ավելին, ինչպես կարելի է ապացուցել, օգտագործելով երկրաչափությունից հայտնի կոսինուսի թեորեմը, ստացված տատանման ամպլիտուդի քառակուսին որոշվում է բանաձևով.

\(~a^2 = a^2_1 + a^2_2 + 2 a_1 a_2 \cos \Delta \varphi\)> , (8)

որտեղ ∆ φ - տատանումների փուլային տարբերություն.

\(~\Delta \varphi = k(l_1 - l_2) - (\varphi_(01) - \varphi_(02))\) . (ինը)

(Արտահայտություն սկզբնական փուլի համար φ Ստացված տատանումների 01-ը, մենք չենք տա դրա ծանրության պատճառով):

(8)-ից երևում է, որ ստացված տատանման ամպլիտուդը Δ ուղու տարբերության պարբերական ֆունկցիան է լ. Եթե ​​ալիքի ուղու տարբերությունն այնպիսին է, որ փուլային տարբերությունը Δ φ հավասար է

\(~\Delta \varphi = \pm 2 \pi n; n = 0, 1, 2, \ldots\) , (10)

ապա կետում ԲԱՅՑստացված ալիքի ամպլիտուդը կլինի առավելագույնը ( առավելագույն վիճակ), եթե

\(~\Delta \varphi = \pm (2n +1) \pi\) , (11)

ապա կետի ամպլիտուդը ԲԱՅՑնվազագույնը ( նվազագույն պայման).

Պարզության համար ենթադրելով, որ φ 01 = φ 02 և ա 1 = ա 2 , և հաշվի առնելով \(~k = \dfrac(\omega)(\upsilon) = \dfrac(2 \pi)(\lambda)\) հավասարությունը, պայմանները (10) և (11) և համապատասխան արտահայտությունները. a ամպլիտուդի համար մենք կարող ենք գրել հետևյալ ձևով.

\(~\Delta l = \pm n \lambda\) ( առավելագույն վիճակ), (12)

եւ հետո բայց = ա 1 + ա 2, և

\(~\Delta l = \pm (2n +1) \dfrac(\lambda)(2)\) ( նվազագույն պայման), (13)

եւ հետո ա = 0.

գրականություն

1. Մյակիշև Գ.Յա. Ֆիզիկա՝ օպտիկա. Քվանտային ֆիզիկա. Դասարան 11. Պրոց. ֆիզիկայի խորը ուսումնասիրության համար / Գ.Յա. Մյակիշև, Ա.Զ. Սինյակովը։ – M.: Bustard, 2002. – 464 p.
2. Բուրով Լ.Ի., Ստրելչենյա Վ.Մ. Ֆիզիկա A-ից Z. ուսանողների, դիմորդների, կրկնուսույցների համար: - Մինսկ: Պարադոքս, 2000. - 560 էջ.