Yorug'lik elektromagnit to'lqinga o'xshaydi. yorug'lik tezligi

Nur - elektromagnit to'lqin. 17-asrning oxirida yorug'lik tabiati haqida ikkita ilmiy faraz paydo bo'ldi - korpuskulyar va to'lqin. Korpuskulyar nazariyaga ko'ra, yorug'lik katta tezlikda uchadigan mayda yorug'lik zarralari (korpuskulalari) oqimidir. Nyuton yorug'lik tanachalarining harakati mexanika qonunlariga bo'ysunadi, deb hisoblagan. Shunday qilib, yorug'likning aks etishi elastik to'pning tekislikdan aks etishi kabi tushunilgan. Yorug'likning sinishi bir muhitdan ikkinchi muhitga o'tishda zarrachalar tezligining o'zgarishi bilan izohlandi. To'lqin nazariyasi yorug'lik deb hisoblangan to'lqin jarayoni, o'xshash mexanik to'lqinlar. Zamonaviy g'oyalarga ko'ra, yorug'lik ikki tomonlama tabiatga ega, ya'ni. u bir vaqtning o'zida ham korpuskulyar, ham to'lqin xususiyatlari bilan tavsiflanadi. Interferensiya va diffraktsiya kabi hodisalarda yorug'likning to'lqin xossalari, fotoeffekt hodisasida esa korpuskulyar xossalari birinchi o'ringa chiqadi. Optikada yorug'lik juda tor diapazondagi elektromagnit to'lqinlar sifatida tushuniladi. Ko'pincha yorug'lik nafaqat ko'rinadigan yorug'lik, balki unga qo'shni bo'lgan spektrning keng joylari sifatida ham tushuniladi. Tarixiy jihatdan "ko'rinmas yorug'lik" atamasi paydo bo'ldi - ultrabinafsha nurlar, infraqizil nurlar, radio to'lqinlar. Ko'rinadigan yorug'likning to'lqin uzunligi 380 dan 760 nanometrgacha. Yorug'likning xususiyatlaridan biri uning Rang, bu yorug'lik to'lqinining chastotasi bilan belgilanadi. Oq nur turli chastotali to'lqinlarning aralashmasidir. U rangli to'lqinlarga ajralishi mumkin, ularning har biri ma'lum bir chastota bilan tavsiflanadi. Bunday to'lqinlar deyiladi monoxromatik. Eng so'nggi o'lchovlarga ko'ra, yorug'likning vakuumdagi tezligi Yorug'likning vakuumdagi tezligining materiyadagi yorug'lik tezligiga nisbati deyiladi. absolyut sinishi indeksi moddalar.

Yorug'lik to'lqini vakuumdan moddaga o'tganda chastota doimiy bo'lib qoladi (rang o'zgarmaydi). Sinishi ko'rsatkichi bo'lgan muhitdagi to'lqin uzunligi n o'zgarishlar:

Nur shovqini- Jungning tajribasi. Deyarli monoxromatik yorug'likni yaratadigan yorug'lik filtrli lampochkaning yorug'ligi ikkita tor, qo'shni bo'shliqdan o'tadi, ularning orqasida ekran o'rnatiladi. Ekranda yorug'lik va qorong'i chiziqlar tizimi - interferentsiya zonalari kuzatiladi. Bunday holda, bitta yorug'lik to'lqini turli tirqishlardan keladigan ikkiga bo'linadi. Bu ikki to'lqin bir-biri bilan kogerent bo'lib, bir-birining ustiga qo'yilganda, mos rangdagi quyuq va yorug'lik chiziqlari shaklida yorug'lik intensivligining maksimal va minimal tizimini beradi.

Nur shovqini- maksimal va minimal shartlar. Maksimal holat: Agar to'lqin yo'lining optik farqiga juft sonli yarim to'lqinlar yoki butun son to'lqinlar to'g'ri kelsa, u holda ekranning ma'lum bir nuqtasida yorug'lik intensivligining (maks) ortishi kuzatiladi. , bu erda qo'shilgan to'lqinlarning fazalar farqi. Minimal shart: To'lqinlarning optik yo'l farqi mos kelsa toq raqam yarim to'lqinlar, keyin minimal nuqtada.

To'lqin nazariyasiga ko'ra, yorug'lik elektromagnit to'lqindir.

Ko'rinadigan radiatsiya (ko'rinadigan yorug'lik) - elektromagnit nurlanish, 0,75 10 15 - 0,4 10 15 Hz chastota diapazoniga to'g'ri keladigan 400 - 750 nm oralig'ida to'lqin uzunliklari bilan tavsiflangan to'g'ridan-to'g'ri inson ko'zi tomonidan idrok etiladi. Turli chastotalarning yorug'lik nurlanishi inson tomonidan turli xil ranglar sifatida qabul qilinadi.

Infraqizil nurlanish - ko'rinadigan yorug'likning qizil uchi (to'lqin uzunligi taxminan 0,76 mikron) va qisqa to'lqinli radio emissiya (to'lqin uzunligi 1-2 mm) o'rtasidagi spektral hududni egallagan elektromagnit nurlanish. Infraqizil nurlanish issiqlik tuyg'usini yaratadi, shuning uchun u ko'pincha termal nurlanish deb ataladi.

Ultraviyole nurlanish - ko'zga ko'rinmas elektromagnit nurlanish, ko'rinadigan va ko'rinadiganlar orasidagi spektral hududni egallaydi. rentgen nurlari 400 dan 10 nm gacha bo'lgan to'lqin uzunliklarida.

Elektromagnit to'lqinlar – elektromagnit tebranishlar(elektromagnit maydon) kosmosda muhitning xususiyatlariga qarab cheklangan tezlik bilan tarqaladi (vakuumda - 3∙10 8 m/s). Elektromagnit to'lqinlarning xususiyatlari, ularning qo'zg'alish va tarqalish qonuniyatlari Maksvell tenglamalari bilan tavsiflanadi. Elektromagnit to'lqinlarning tarqalish tabiatiga ular tarqaladigan muhit ta'sir qiladi. Elektromagnit to'lqinlar har qanday tabiatdagi to'lqinlarga xos bo'lgan sinishi, dispersiyasi, diffraktsiyasi, interferentsiyasi, to'liq ichki aks etishi va boshqa hodisalarni boshdan kechirishi mumkin. Elektromagnit maydon hosil qiluvchi zaryadlar va oqimlardan uzoqda joylashgan bir hil va izotrop muhitda elektromagnit (shu jumladan yorug'lik) to'lqinlar uchun to'lqin tenglamalari quyidagi shaklga ega:

bu erda va mos ravishda muhitning elektr va magnit o'tkazuvchanliklari va mos ravishda elektr va magnit o'tkazuvchanliklari va elektr va magnit o'tkazuvchanliklari. magnit maydon, Laplas operatori hisoblanadi. Izotrop muhitda elektromagnit to'lqinlarning tarqalish faza tezligi teng. Tekislik monoxromatik elektromagnit (yorug'lik) to'lqinlarining tarqalishi tenglamalar bilan tavsiflanadi:

kr ; kr (6.35.2)

qayerda va mos ravishda elektr va magnit maydonlarining tebranish amplitudalari, k to'lqin vektori, r nuqtaning radius vektori, - dumaloq tebranish chastotasi, koordinatali nuqtadagi tebranishlarning boshlang'ich bosqichidir r= 0. Vektorlar E va H bir xil fazada tebranadi. Elektromagnit (yorug'lik) to'lqin ko'ndalang. Vektorlar E , H , k bir-biriga ortogonal bo'lib, vektorlarning to'g'ri uchligini hosil qiladi. Bir lahzali qiymatlar va har qanday nuqtada munosabat bilan bog'langan Ko'zning fiziologik ta'siri borligini hisobga olsak elektr maydoni, o'q yo'nalishi bo'yicha tarqaladigan tekis yorug'lik to'lqinining tenglamasini quyidagicha yozish mumkin:

Yorug'likning vakuumdagi tezligi

. (6.35.4)

Vakuumdagi yorug'lik tezligining muhitdagi yorug'lik tezligiga nisbati muhitning mutlaq sindirish ko'rsatkichi deyiladi:

(6.35.5)

Bir muhitdan ikkinchisiga o'tishda to'lqinning tarqalish tezligi va to'lqin uzunligi o'zgaradi, chastota o'zgarishsiz qoladi. Ikkinchi muhitning birinchisiga nisbatan nisbiy sinishi ko'rsatkichi nisbatdir

bu yerda va birinchi va ikkinchi muhitning absolyut sindirish ko‘rsatkichlari va mos ravishda birinchi va ikkinchi muhitdagi yorug‘lik tezligi.

Nazariyadan elektromagnit maydon, J. Maksvell tomonidan ishlab chiqilgan, keyin: elektromagnit to'lqinlar yorug'lik tezligida tarqaladi - 300 000 km / s, bu to'lqinlar xuddi yorug'lik to'lqinlari kabi ko'ndalang. Maksvell yorug'lik elektromagnit to'lqin ekanligini ta'kidladi. Keyinchalik bu bashorat eksperimental ravishda tasdiqlandi.

Elektromagnit to'lqinlar singari, yorug'likning tarqalishi ham bir xil qonunlarga bo'ysunadi:

Qonun to'g'ri chiziqli tarqalish Sveta. Shaffof bir hil muhitda yorug'lik to'g'ri chiziqlar bo'ylab tarqaladi. Bu qonun quyosh va oy tutilishi qanday sodir bo'lishini tushuntiradi.

Ikki muhit orasidagi interfeysga yorug'lik tushganda, yorug'likning bir qismi birinchi muhitga aks etadi va bir qismi, agar u shaffof bo'lsa, tarqalish yo'nalishini o'zgartirganda ikkinchi muhitga o'tadi, ya'ni u sinadi.

YORILIK INTERFERENSIYASI

Aytaylik, bir-biriga o'rnatilgan ikkita monoxromatik yorug'lik to'lqinlari fazoning ma'lum bir nuqtasida bir xil yo'nalishdagi tebranishlarni qo'zg'atadi: x 1 \u003d A 1 cos (t +  1) va x 2 \u003d A 2 cos (t) +  2). ostida X elektr E ning intensivligini tushunish yoki magnit H to'lqin maydonlari; E va H vektorlari o'zaro perpendikulyar tekisliklarda tebranadi (162-§ ga qarang). Elektr va magnit maydonlarining kuchli tomonlari superpozitsiya printsipiga bo'ysunadi (80 va 110-bandlarga qarang). Berilgan nuqtada hosil bo'lgan tebranishning amplitudasi A 2 \u003d A 2 l + A 2 2 + 2A 1 A 2 cos ( 2 - 1) (144.2) ga qarang). To'lqinlar kogerent bo'lgani uchun, u holda cos( 2 -  1) vaqt bo'yicha doimiy qiymatga ega (lekin kosmosning har bir nuqtasi uchun o'ziga xos), shuning uchun hosil bo'lgan to'lqinning intensivligi (1 ~ A 2)

Kosmosning cos( 2 -  1) nuqtalarida. > 0, intensivlik I > I 1 + I 2 , bu yerda cos( 2 -  1) < Oh, intensivlik I< I 1 +I 2 . Следовательно, при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение yorug'lik oqimi, natijada ba'zi joylarda intensivlik maksimal, boshqalarda esa intensivlik minimal. Bu hodisa yorug'lik interferensiyasi deb ataladi.

Inkogerent to'lqinlar uchun farq ( 2 -  1) doimiy ravishda o'zgarib turadi, shuning uchun vaqtning o'rtacha qiymati cos( 2 - 1) nolga teng bo'ladi va hosil bo'lgan to'lqinning intensivligi hamma joyda bir xil va I 1 = I 2 uchun. 2I 1 ga teng (kogerent to'lqinlar uchun berilgan shartda maksimal I = 4I 1 minimal I = 0 da).

Yorug'lik to'lqinlarining interferensiyasi paydo bo'lishi uchun zarur shart-sharoitlarni qanday yaratish mumkin? Kogerent yorug'lik to'lqinlarini olish uchun bir manba tomonidan chiqarilgan to'lqinni ikki qismga bo'lish usuli qo'llaniladi, ular turli xil nurlardan o'tgandan keyin. optik yo'llar bir-birining ustiga qo'yiladi va interferentsiya sxemasi kuzatiladi.

Ikki kogerent to'lqinga bo'linish ma'lum bir O nuqtasida sodir bo'lsin . Nuqtaga M, bunda interferentsion naqsh kuzatiladi, sinishi ko'rsatkichi n 2 bo'lgan muhitda bitta to'lqin o'tgan yo'l s 1 , ikkinchisi - sindirish ko'rsatkichi n 2 bo'lgan muhitda - yo'l s 2. Agar nuqtada O tebranish fazasi t ga teng , keyin nuqtada M birinchi to'lqin A 1 cos (t - s 1 / v 1) tebranishini qo'zg'atadi. , ikkinchi to'lqin - tebranish A 2 cos (t - s 2 / v 2) , Bu erda v 1 = c/n 1, v 2 = c/n 2 - mos ravishda, birinchi va ikkinchi to'lqinlarning faza tezligi. Bir nuqtada to'lqinlar qo'zg'atadigan tebranishlarning fazalar farqi M, ga teng

(/s = 2v/s = 2 0 ekanligini hisobga olsak, bu erda  0 vakuumdagi to'lqin uzunligi). Geometrik uzunlikdagi mahsulot s yorug'lik to'lqinining ma'lum muhitdagi sinishi ko'rsatkichi n bo'lgan yo'li optik yo'l uzunligi L deyiladi. , a  \u003d L 2 - L 1 - to'lqinlar bosib o'tgan yo'llarning optik uzunliklaridagi farq - optik yo'l farqi deb ataladi. Agar optik yo'l farqi vakuumdagi to'lqin uzunliklarining butun soniga teng bo'lsa

keyin  = ± 2m , M ikkala to'lqin bir xil fazada sodir bo'ladi. Shuning uchun (172.2) interferentsiya maksimal uchun shart.

Agar optik yo'l farqi bo'lsa

keyin  = ±(2m + 1) , va nuqtada hayajonlangan tebranishlar M ikkala to'lqin ham antifazada paydo bo'ladi. Shuning uchun (172.3) interferentsiya minimumining shartidir.

YORILIK INTERFERENSIYASINI QO'LLANISHI

Interferentsiya hodisasi yorug'likning to'lqin tabiatiga bog'liq; uning miqdoriy qonuniyatlari Do to'lqin uzunligiga bog'liq.Shuning uchun bu hodisa yorug'likning to'lqin tabiatini tasdiqlash va to'lqin uzunliklarini o'lchash (interferentsiya spektroskopiyasi) uchun ishlatiladi.

Interferentsiya hodisasi optik qurilmalar sifatini yaxshilash (optik qoplama) va yuqori aks ettiruvchi qoplamalarni olish uchun ham qo'llaniladi. Yorug'likning linzaning har bir sindiruvchi yuzasi orqali, masalan, shisha-havo interfeysi orqali o'tishi tushayotgan oqimning 4% ni aks ettirishi bilan birga keladi (shisha sinishi tanasini ko'rsatishda 1,5). Zamonaviy linzalar o'z ichiga olganligi sababli ko'p miqdorda linzalar, keyin ulardagi ko'zgularning soni katta va shuning uchun yorug'lik oqimining yo'qotishlari ham katta. Shunday qilib, uzatiladigan yorug'likning intensivligi zaiflashadi va optik qurilmaning yorqinligi pasayadi. Bunga qo'shimcha ravishda, linzalar yuzalaridan ko'zgu porlashiga olib keladi, bu ko'pincha (masalan, harbiy texnologiyada) qurilmaning holatini ochib beradi.

Bu kamchiliklarni bartaraf etish uchun, deb atalmish optikani yoritish. Buning uchun linzalarning bo'sh yuzalariga linzalar materialidan pastroq sinishi indeksiga ega nozik plyonkalar qo'llaniladi. Havo-plyonka va plyonka-shisha interfeyslaridan yorug'lik aks etganda, 1 va 2 "kogerent nurlarning interferensiyasi yuzaga keladi (253-rasm).

AR qatlami

Film qalinligi d va shisha n c va plyonka n sinishi ko'rsatkichlarini shunday tanlash mumkinki, plyonkaning har ikki yuzasidan aks ettirilgan to'lqinlar bir-birini bekor qiladi. Buning uchun ularning amplitudalari teng bo'lishi kerak va optik yo'l farqi - ga teng (qarang (172.3)). Hisoblash shuni ko'rsatadiki, aks ettirilgan nurlarning amplitudalari teng bo'lsa

(175.1)

n bilan beri, n va havoning sinishi ko'rsatkichi n 0 shartlarni qondiradi n c > n > n 0, keyin yarim to'lqinning yo'qolishi ikkala sirtda sodir bo'ladi; shuning uchun minimal shart (yorug'lik normal tushadi deb faraz qiling, ya'ni I = 0)

qayerda nd- optik plyonka qalinligi. Odatda m = 0 ni oling, keyin

Shunday qilib, agar (175.1) shart bajarilsa va plyonkaning optik qalinligi  0 /4 ga teng bo'lsa, interferensiya natijasida aks ettirilgan nurlar o'chadi. Barcha to'lqin uzunliklari uchun bir vaqtning o'zida o'chirishga erishish mumkin emasligi sababli, bu odatda ko'z uchun eng sezgir to'lqin uzunligi  0  0,55 mkm uchun amalga oshiriladi. Shuning uchun, qoplangan optikali linzalar mavimsi-qizil rangga ega.

Yuqori aks ettiruvchi qoplamalarni yaratish faqat asosida mumkin bo'ldi ko'p yo'nalishli shovqin. Biz hozirgacha ko'rib chiqqan ikki nurli interferentsiyadan farqli o'laroq, ko'p yo'nalishli interferensiya ko'p sonli kogerent yorug'lik nurlari qo'shilganda sodir bo'ladi. Interferentsiya sxemasida intensivlik taqsimoti sezilarli darajada farqlanadi; interferentsiya maksimallari ikkita kogerent yorug'lik nurlarining ustiga qo'yilgandan ko'ra ancha tor va yorqinroq bo'ladi. Shunday qilib, bir xil amplitudali yorug'lik tebranishlarining hosil bo'lgan amplitudasi intensivlik maksimalida, bu erda qo'shilish bir xil fazada sodir bo'ladi, N. marta ko'proq va N 2 da intensivlik bir nurdan ko'ra ko'proq (N interferentsion nurlar soni). E'tibor bering, hosil bo'lgan amplitudani topish uchun aylanadigan amplituda vektor usulidan foydalangan holda grafik usuldan foydalanish qulay (140-§ ga qarang). Ko'p yo'nalishli interferensiya diffraktsiya panjarasida amalga oshiriladi (180-§ ga qarang).

Ko'p yo'nalishli interferensiya turli xil sinishi ko'rsatkichlariga ega (lekin bir xil optik qalinligi  0 /4 ga teng) o'zgaruvchan plyonkalarning ko'p qatlamli tizimida amalga oshirilishi mumkin (254-rasm). Ko'rsatish mumkinki, plyonka interfeysida (yuqori sindirish ko'rsatkichi n 1 bo'lgan ikkita ZnS qatlami o'rtasida) pastroq sinishi indeksiga ega bo'lgan kriolit plyonkasi mavjud n 2) katta raqam aks ettirilgan interferentsion nurlar, ular plyonkalarning optik qalinligi  0 /4 bilan o'zaro kuchayadi, ya'ni aks ettirish koeffitsienti ortadi. xarakterli xususiyat Bunday yuqori aks ettiruvchi tizim shundaki, u juda tor spektral mintaqada ishlaydi va aks ettirish koeffitsienti qanchalik katta bo'lsa, bu mintaqa torayadi. Masalan, 0,5 mkm hudud uchun yetti plyonkali tizim   96% (o'tkazuvchanligi  3,5% va yutilish koeffitsienti bilan) aks ettirishni beradi.<0,5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров (узкополосных оптических фильтров).

Interferensiya hodisasi interferometrlar deb ataladigan juda aniq o'lchash asboblarida ham qo'llaniladi. Barcha interferometrlar bir xil printsipga asoslanadi va faqat dizaynda farqlanadi. Shaklda. 255 Mishelson interferometrining soddalashtirilgan diagrammasini ko'rsatadi.

S manbasidan monoxromatik yorug'lik R 1 tekislik-parallel plitaga 45° burchak ostida tushadi . Rekordning S dan uzoq tomoni , kumushlangan va shaffof, nurni ikki qismga ajratadi: nur 1 (kumush qatlamdan aks ettirilgan) va nur 2 (veto orqali o'tadi). 1-nur M 1 oynadan aks ettirilgan va orqaga qaytib, yana P 1 plitasidan o'tadi (nur l "). 2-nur M 2 oynasiga boradi, undan aks etadi, orqaga qaytadi va R 1 plastinkasidan aks etadi. (nur 2). Nurlarning birinchisi P 1 plastinkasidan o'tganligi sababli ikki marta, keyin hosil bo'lgan yo'l farqini qoplash uchun ikkinchi nurning yo'liga P 2 plastinka qo'yiladi (aynan P 1 bilan bir xil). , faqat kumush qatlami bilan qoplanmagan).

Nurlar 1 va 2" kogerent; shuning uchun interferensiya kuzatiladi, buning natijasi 1-nurning O nuqtadan optik yo'l farqiga bog'liq. O nuqtadan M 1 va 2 nurni aks ettirish uchun oynaga M 2. Ko'zgulardan biri  0/4 masofaga ko'chirilganda, ikkala nurning yo'llari orasidagi farq  0/2 ga ortadi va ko'rish maydonining yoritilishi o'zgaradi. Shu sababli, interferentsiya naqshini biroz o'zgartirish orqali siz ko'zgulardan birining kichik siljishini baholashingiz va uzunliklarni aniq (taxminan 10-7 m) o'lchash uchun Mishelson interferometridan (jismlarning uzunligini, yorug'lik to'lqin uzunligini o'lchash) foydalanish mumkin. , harorat o'zgarishi bilan tananing uzunligidagi o'zgarishlar (interferentsiya dilatometri)).

Rus fizigi V.P.Linnik (1889-1984) Mishelson interferometri printsipidan foydalanib, sirt qoplamasini nazorat qilish uchun ishlatiladigan mikrointerferometrni (interferometr va mikroskop birikmasi) yaratdi.

Interferometrlar bosim, harorat, aralashmalar va boshqalarga qarab shaffof jismlarning (gazlar, suyuqliklar va qattiq moddalar) sindirish ko'rsatkichidagi kichik o'zgarishlarni aniqlash imkonini beruvchi juda sezgir optik asboblardir.Bunday interferometrlar interferentsion refraktometrlar deb ataladi. Interferentsiya qiluvchi nurlar yo'lida uzunlikdagi ikkita bir xil kyuvetalar mavjud l, ulardan biri, masalan, ma'lum (n 0) bo'lgan gaz bilan, ikkinchisi esa noma'lum (n z) sinishi ko'rsatkichlari bilan to'ldirilgan. Interferentsiya qiluvchi nurlar o'rtasida paydo bo'lgan qo'shimcha optik yo'l farqi  \u003d (n z - n 0) l. Yo'l farqining o'zgarishi interferentsiya chegaralarining siljishiga olib keladi. Ushbu siljish qiymat bilan tavsiflanishi mumkin

bu erda m 0 interferentsiya chizig'i kengligining qaysi qismiga interferentsiya naqshining siljiganligini ko'rsatadi. Ma'lum bo'lgan m 0 qiymatini o'lchash l, m 0 va , siz n z ni hisoblashingiz yoki n z - n 0 ni o'zgartirishingiz mumkin. Misol uchun, interferentsiya sxemasi chetning 1/5 qismiga siljiganida l\u003d 10 sm va  \u003d 0,5 mikron (n ​​z - n 0) \u003d 10 -6, ya'ni. shovqin refraktometrlari juda yuqori aniqlik bilan (1/1 000 000 gacha) sinishi indeksidagi o'zgarishlarni o'lchash imkonini beradi.

Interferometrlardan foydalanish juda xilma-xildir. Yuqoridagilarga qo'shimcha ravishda ular optik qismlarni ishlab chiqarish sifatini o'rganish, burchaklarni o'lchash, samolyot atrofida oqayotgan havoda sodir bo'ladigan tez jarayonlarni o'rganish va hokazolarda qo'llaniladi. Interferometr yordamida Mishelson birinchi marta xalqaro standartni solishtirdi. standart yorug'lik to'lqinining uzunligi bilan metr. Interferometrlar yordamida yorug'likning harakatlanuvchi jismlarda tarqalishi ham o'rganildi, bu esa fazo va vaqt haqidagi g'oyalarni tubdan o'zgartirishga olib keldi.

Gimnaziya 144

mavhum

Yorug'lik tezligi.

Nur shovqini.

turgan to'lqinlar.

11-sinf o'quvchisi

Sergey Korchagin

Sankt-Peterburg, 1997 yil.

Yorug'lik elektromagnit to'lqindir.

XVII asrda yorug'likning ikkita nazariyasi paydo bo'ldi: to'lqin va korpuskulyar. Korpuskulyar 1 nazariyani Nyuton, to'lqinlar nazariyasini Gyuygens taklif qilgan. Gyuygensning fikricha, yorug'lik maxsus muhitda - efirda tarqaladigan to'lqinlar bo'lib, u butun bo'shliqni to'ldiradi. Ikki nazariya uzoq vaqt davomida yonma-yon mavjud edi. Agar nazariyalardan biri hodisani tushuntirmasa, boshqa nazariya bilan izohlanadi. Masalan, yorug'likning to'g'ri chiziqli tarqalishi, o'tkir soyalarning paydo bo'lishiga olib keladi, to'lqin nazariyasi asosida tushuntirib bo'lmaydi. Biroq, 19-asrning boshlarida difraksiya 2 va interferentsiya 3 kabi hodisalar topildi, bu to'lqin nazariyasi nihoyat korpuskulyarni mag'lub etdi degan fikrlarni keltirib chiqardi. 19-asrning ikkinchi yarmida Maksvell yorug'lik elektromagnit to'lqinlarning alohida holati ekanligini ko'rsatdi. Bu ishlar yorug'likning elektromagnit nazariyasi uchun asos bo'lib xizmat qildi. Biroq, 20-asrning boshlarida yorug'lik chiqarilganda va yutilganda o'zini zarrachalar oqimi kabi tutishi aniqlandi.

Yorug'lik tezligi.

Yorug'lik tezligini aniqlashning bir necha usullari mavjud: astronomik va laboratoriya usullari.

Yorug'lik tezligini birinchi marta daniyalik olim Romer 1676 yilda astronomik usul yordamida o'lchagan. U Yupiterning eng katta yo'ldoshi Io ushbu ulkan sayyora soyasida bo'lgan vaqtni qayd etdi. Romer o'lchovlarni bizning sayyoramiz Yupiterga eng yaqin bo'lgan paytda va biz Yupiterdan bir oz (astronomik shartlarga ko'ra) uzoqroqda bo'lgan paytda olib bordi. Birinchi holda, epidemiyalar orasidagi interval 48 soat 28 minutni tashkil etdi. Ikkinchi holda, sun'iy yo'ldosh 22 daqiqaga kechikdi. Bundan oldingi kuzatuv joyidan hozirgi kuzatuv joyigacha bo'lgan masofani bosib o'tish uchun yorug'lik 22 minut kerak degan xulosaga keldi. Io ning masofa va vaqt kechikishini bilib, u yorug'lik tezligini hisoblab chiqdi, bu juda katta bo'lib chiqdi, taxminan 300 000 km / s 4 .

Birinchi marta yorug'lik tezligini laboratoriya usulida 1849 yilda frantsuz fizigi Fizo o'lchadi.U yorug'lik tezligining 313000 km/s ga teng qiymatini oldi.

Zamonaviy ma'lumotlarga ko'ra, yorug'lik tezligi 299 792 458 m / s ± 1,2 m / s ni tashkil qiladi.

Nur shovqini.

Yorug'lik to'lqinlarining interferensiyasining rasmini olish juda qiyin. Buning sababi shundaki, turli manbalar tomonidan chiqarilgan yorug'lik to'lqinlari bir-biriga mos kelmaydi. Ular bir xil to'lqin uzunliklari va fazoning istalgan nuqtasida doimiy fazalar farqiga ega bo'lishi kerak 5 . To'lqin uzunliklarining tengligiga yorug'lik filtrlari yordamida erishish qiyin emas. Lekin doimiy fazalar farqiga erishish mumkin emas, chunki turli manbalarning atomlari bir-biridan mustaqil ravishda yorug'lik chiqaradi 6 .

Shunga qaramay, yorug'likning interferentsiyasi kuzatilishi mumkin. Masalan, sovun pufagida yoki nozik kerosin plyonkasida yoki suvda yog'da ranglarning nurli to'lib ketishi. Ingliz olimi T.Yung birinchi bo`lib rang to`lqinlarning qo`shilishi bilan izohlanadi, ulardan biri tashqi yuzadan, ikkinchisi esa ichki tomondan aks etadi, degan yorqin fikrga keldi. Bunday holda, 7 yorug'lik to'lqinining aralashuvi paydo bo'ladi. Interferentsiya natijasi yorug'likning plyonkaga tushish burchagiga, uning qalinligi va to'lqin uzunligiga bog'liq.

turgan to'lqinlar.

Agar arqonning bir uchi to'g'ri tanlangan chastota bilan aylantirilsa (uning ikkinchi uchi sobit bo'lsa), u holda doimiy to'lqin sobit uchiga o'tadi va bu yarim to'lqinning yo'qolishi bilan aks etadi. Hodisa va aks ettirilgan to'lqinning aralashuvi statsionar bo'lib ko'rinadigan doimiy to'lqinga olib keladi. Ushbu to'lqinning barqarorligi shartni qondiradi:

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

Bu erda L * - arqonning uzunligi; n * 1,2,3 va boshqalar; u * - to'lqinning tarqalish tezligi, bu arqonning kuchlanishiga bog'liq.

Turuvchi to'lqinlar tebranishga qodir bo'lgan barcha jismlarda hayajonlanadi.

Turuvchi to'lqinlarning shakllanishi tananing rezonans yoki tabiiy chastotalarida sodir bo'ladigan rezonans hodisasidir. Interferensiya bekor qilingan nuqtalar tugunlar deb ataladi va shovqin kuchaygan nuqtalar antinodlardir.

Yorug'lik q elektromagnit to'lqin ………………………………………..2

Yorug'lik tezligi………………………………………………………2

Yorug'lik interferensiyasi………………………………………………….3

Turgʻun toʻlqinlar…………………………………………………………3

Fizika 11 (G.Ya. Myakishev B.B. Luxovtsev)

Fizika 10 (N.M. Shaxmaev S.N. Shaxmaev)

Yordamchi eslatmalar va test topshiriqlari (G.D. Luppov)

1 Lotincha "korpuskula" so'zi rus tiliga tarjima qilinganda "zarracha" degan ma'noni anglatadi.

2 To'siqlarni yorug'lik bilan yaxlitlash.

3 Yorug'lik nurlarini qo'shishda yorug'likning kuchayishi yoki zaiflashishi hodisasi.

4 Roemerning o'zi 215 000 km/s tezlikni oldi.

5 Bir xil uzunlikdagi va doimiy fazalar farqiga ega bo'lgan to'lqinlar kogerent deb ataladi.

6 Istisno faqat kvant yorug'lik manbalari - lazerlardir.

7 Ikkita to'lqinning qo'shilishi, buning natijasida kosmosning turli nuqtalarida hosil bo'lgan yorug'lik tebranishlarining vaqt bo'yicha barqaror kuchayishi yoki zaiflashishi mavjud.

Nurning tabiati

Yorug'likning tabiati haqidagi dastlabki g'oyalar qadimgi yunonlar va misrliklar orasida paydo bo'lgan. Turli xil optik asboblar (parabolik nometall, mikroskop, skop) ixtiro qilinishi va takomillashtirilishi bilan bu g'oyalar rivojlanib, o'zgarib bordi. 17-asr oxirida yorug'likning ikkita nazariyasi paydo bo'ldi: korpuskulyar(I. Nyuton) va to'lqin(R. Guk va X. Gyuygens).

to'lqin nazariyasi yorug'likni mexanik to'lqinlarga o'xshash to'lqin jarayoni sifatida ko'rib chiqdi. To'lqin nazariyasi asos qilib olingan edi Gyuygens printsipi. To'lqin nazariyalarining rivojlanishida interferensiya va difraksiya hodisalarini o'rgangan ingliz fizigi T.Yung va fransuz fizigi O.Frenellarning xizmatlari katta. Ushbu hodisalarni to'liq tushuntirish faqat to'lqinlar nazariyasi asosida berilishi mumkin edi. To'lqinlar nazariyasining to'g'riligini muhim eksperimental tasdig'i 1851 yilda J. Fuko (va mustaqil ravishda A. Fizo) suvda yorug'lik tarqalish tezligini o'lchagan va qiymatni olganida olingan. υ < c.

To'lqinlar nazariyasi 19-asrning o'rtalarida umumiy qabul qilingan bo'lsa-da, yorug'lik to'lqinlarining tabiati masalasi hal qilinmagan.

XIX asrning 60-yillarida Maksvell elektromagnit maydonning umumiy qonunlarini o'rnatdi, bu esa uni yorug'lik degan xulosaga olib keldi. elektromagnit to'lqinlar. Ushbu nuqtai nazarning muhim tasdig'i vakuumdagi yorug'lik tezligining elektrodinamik doimiy bilan mos kelishi edi:

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

Yorug'likning elektromagnit tabiati G. Gertsning (1887-1888) elektromagnit to'lqinlarni o'rganish bo'yicha tajribalaridan so'ng tan olingan. 20-asrning boshlarida, P. N. Lebedevning yorug'lik bosimini o'lchash bo'yicha tajribalaridan so'ng (1901) yorug'likning elektromagnit nazariyasi qat'iy tasdiqlangan haqiqatga aylandi.

Yorug'likning tabiatini yoritishda uning tezligini eksperimental aniqlash eng muhim rol o'ynadi. 17-asr oxiridan boshlab yorugʻlik tezligini turli usullar bilan oʻlchashga (A. Fizoning astronomik usuli, A. Mishelson usuli) koʻp marta urinib koʻrilgan. Zamonaviy lazer texnologiyasi yorug'lik tezligini o'lchash imkonini beradi bilan mustaqil to'lqin uzunligi o'lchovlariga asoslangan juda yuqori aniqlik λ va yorug'lik chastotalari ν (c = λ · ν ). Shu tarzda qiymat topildi c= 299792458 ± 1,2 m / s, aniqlik bo'yicha oldindan olingan barcha qiymatlardan ikki kattalik darajasidan ko'proq.

Nur bizning hayotimizda juda muhim rol o'ynaydi. Inson atrofidagi dunyo haqidagi ma'lumotlarning katta miqdori yorug'lik yordamida oladi. Biroq, optikada fizikaning bir tarmog'i sifatida yorug'lik nafaqat tushuniladi ko'rinadigan yorug'lik, shuningdek, unga qo'shni elektromagnit nurlanish spektrining keng diapazonlari - infraqizil(IR) va UV(UV). Jismoniy xususiyatiga ko'ra, yorug'lik boshqa diapazonlardagi elektromagnit nurlanishdan tubdan farq qilmaydi - spektrning turli qismlari bir-biridan faqat to'lqin uzunligida farqlanadi. λ va chastota ν .

Optik diapazonda to'lqin uzunliklarini o'lchash uchun uzunlik birliklari ishlatiladi 1 nanometr(nm) va 1 mikrometr(mkm):

1 nm = 10 -9 m = 10 -7 sm = 10 -3 mkm.

Ko'rinadigan yorug'lik taxminan 400 nm dan 780 nm gacha yoki 0,40 dan 0,78 mkm gacha bo'lgan diapazonni egallaydi.

Kosmosda tarqaladigan davriy o'zgaruvchan elektromagnit maydon elektromagnit to'lqin.

Elektromagnit to'lqin sifatida yorug'likning eng muhim xususiyatlari

1. Yorug'lik fazoning har bir nuqtasida tarqalganda, elektr va magnit maydonlarida vaqti-vaqti bilan takrorlanadigan o'zgarishlar sodir bo'ladi. Bu o'zgarishlarni fazoning har bir nuqtasida elektr maydon kuchi \(~\vec E\) va magnit maydon induksiyasi \(~\vec B\) vektorlarining tebranishlari ko'rinishida tasvirlash qulaydir. Yorug'lik ko'ndalang to'lqindir, chunki \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) va \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
2. Elektromagnit to'lqinning har bir nuqtasida \(~\vec E\) va \(~\vec B\) vektorlarining tebranishlari bir xil fazalarda va ikkita o'zaro perpendikulyar yo'nalishda \(~\vec E \perp \vec) sodir bo'ladi. B\) har bir nuqta bo'shlig'ida.
3. Elektromagnit to'lqin (chastota) sifatida yorug'lik davri elektromagnit to'lqinlar manbasining tebranish davriga (chastotasiga) teng. Elektromagnit to'lqinlar uchun \(~\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac(\upsilon)(\nu)\) munosabati to'g'ri. Vakuumda \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac(c)(\nu)\) bilan solishtirganda eng katta to'lqin uzunligi. λ boshqa muhitda, chunki ν = const va faqat o'zgaradi υ va λ bir muhitdan ikkinchisiga o'tishda.
4. Yorug'lik energiya tashuvchisi bo'lib, energiya almashinuvi to'lqinning tarqalish yo'nalishi bo'yicha sodir bo'ladi. Elektromagnit maydonning hajmli energiya zichligi \(~\omega_(em) = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2)(2) + \dfrac(B^2)(2 \cdot) bilan aniqlanadi. \mu \cdot \mu_0)\)
5. Yorug'lik, boshqa to'lqinlar kabi, bir hil muhitda to'g'ri chiziqda tarqaladi, bir muhitdan ikkinchisiga o'tganda sinishi va metall to'siqlardan aks etadi. Ular diffraktsiya va interferentsiya hodisalari bilan tavsiflanadi.

Nur shovqini

Suv yuzasida to'lqin aralashuvini kuzatish uchun ikkita to'lqin manbasi (tebranish novdasiga o'rnatilgan ikkita shar) ishlatilgan. Ikkita an'anaviy mustaqil yorug'lik manbalari, masalan, ikkita elektr lampochkasi yordamida interferentsiya naqshini (yorug'likning o'zgaruvchan minimal va maksimal) olish mumkin emas. Boshqa lampochkani yoqish faqat sirtning yoritilishini oshiradi, lekin yorug'likning minimal va maksimal o'zgarishini yaratmaydi.

Yorug'lik to'lqinlari ustiga qo'yilganda barqaror interferension naqsh kuzatilishi uchun to'lqinlar kogerent bo'lishi kerak, ya'ni ular bir xil to'lqin uzunligi va doimiy fazalar farqiga ega bo'lishi kerak.

Nima uchun ikkita manbadan keladigan yorug'lik to'lqinlari kogerent emas?

Biz ta'riflagan ikkita manbadan interferentsiya sxemasi faqat bir xil chastotali monoxromatik to'lqinlar qo'shilganda paydo bo'ladi. Monoxromatik to'lqinlar uchun fazoning istalgan nuqtasida tebranishlarning fazalar farqi doimiydir.

Bir xil chastotali va doimiy fazalar farqiga ega bo'lgan to'lqinlar deyiladi izchil.

Faqat bir-birining ustiga o'rnatilgan kogerent to'lqinlar tebranishlarning maksimal va minimal fazosida o'zgarmas joylashuvi bilan barqaror interferentsiya naqshini beradi. Ikki mustaqil manbadan keladigan yorug'lik to'lqinlari kogerent emas. Manbalarning atomlari sinusoidal to'lqinlarning alohida "tortishishlari" (poezdlari) sifatida bir-biridan mustaqil ravishda yorug'lik chiqaradi. Atomning uzluksiz emissiyasining davomiyligi taxminan 10 s. Bu vaqt ichida yorug'lik taxminan 3 m uzunlikdagi yo'lni bosib o'tadi (1-rasm).

Ikkala manbadan to'lqinlarning bu poezdlari bir-birining ustiga qo'yilgan. Kosmosning istalgan nuqtasidagi tebranishlarning fazalar farqi ma'lum bir vaqtda turli manbalardan kelgan poezdlarning bir-biriga nisbatan qanday siljishiga qarab vaqt o'tishi bilan xaotik tarzda o'zgaradi. Turli yorug'lik manbalaridan to'lqinlar bir-biriga mos kelmaydi, chunki dastlabki fazalardagi farq doimiy bo'lib qolmaydi. Fazalar φ 01 va φ 02 tasodifiy o'zgaradi va shuning uchun fazoning istalgan nuqtasida hosil bo'lgan tebranishlarning fazalar farqi tasodifiy o'zgaradi.

Tasodifiy tanaffuslar va tebranishlarning paydo bo'lishi bilan fazalar farqi kuzatuv vaqtini hisobga olgan holda tasodifiy o'zgaradi. τ 0 dan 2 gacha bo'lgan barcha mumkin bo'lgan qiymatlar π . Natijada, vaqt o'tishi bilan τ fazaning tartibsiz o'zgarishi vaqtidan ancha uzoqroq (10-8 s gacha), cos ning o'rtacha qiymati ( φ 1 – φ 2) formulada

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

nolga teng. Yorug'likning intensivligi alohida manbalardan olingan intensivliklarning yig'indisiga teng bo'lib chiqadi va hech qanday interferentsiya kuzatilmaydi. Yorug'lik to'lqinlarining nomutanosibligi ikkita manbadan keladigan yorug'likning interferentsiya naqshini bermasligining asosiy sababidir. Bu asosiy, ammo yagona sabab emas. Yana bir sabab shundaki, yorug'likning to'lqin uzunligi, biz yaqinda ko'rib chiqamiz, juda qisqa. Bu kogerent to'lqin manbalariga ega bo'lsa ham, interferensiyani kuzatishni juda qiyinlashtiradi.

Interferentsiya naqshining maksimal va minimal shartlari

Kosmosda ikki yoki undan ortiq kogerent to'lqinlarning superpozitsiyasi natijasida, interferentsiya shakli, bu yorug'lik intensivligining maksimal va minimallarining almashinishi va shuning uchun ekranning yoritilishi.

Kosmosning ma'lum bir nuqtasida yorug'lik intensivligi tebranishlarning fazalar farqi bilan belgilanadi φ 1 – φ 2. Agar manbalarning tebranishlari fazada bo'lsa, u holda φ 01 – φ 02 = 0 va

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

Fazalar farqi manbalardan D kuzatish nuqtasigacha bo'lgan masofalar farqi bilan aniqlanadi r = r 1 – r 2 (masofa farqi deyiladi zarba farqi ). Kosmosning sharti bo'lgan nuqtalarda

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

to'lqinlar, qo'shib, bir-birini mustahkamlaydi va natijada paydo bo'lgan intensivlik to'lqinlarning har birining intensivligidan 4 barobar ko'pdir, ya'ni. kuzatilgan maksimal . Aksincha, da

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

to'lqinlar bir-birini bekor qiladi I= 0), ya'ni. kuzatilgan eng kam .

Gyuygens-Frennel printsipi

To'lqinlar nazariyasi Gyuygens printsipiga asoslanadi: to'lqin yetib boradigan har bir nuqta ikkilamchi to'lqinlarning markazi bo'lib xizmat qiladi va bu to'lqinlarning konverti to'lqin frontining keyingi vaqtdagi holatini beradi.

Yassi to'lqin odatda shaffof bo'lmagan ekrandagi teshikka tushsin (2-rasm). Gyuygensning fikriga ko'ra, tuynuk bilan ajralib turadigan to'lqin old qismining har bir nuqtasi ikkilamchi to'lqinlar manbai bo'lib xizmat qiladi (bir hil izotrop muhitda ular sharsimondir). Ikkilamchi to'lqinlar konvertini ma'lum bir vaqt davomida qurib, biz to'lqin old tomoni geometrik soya hududiga kirganini ko'ramiz, ya'ni to'lqin teshikning chetlarini aylanib chiqadi.

Gyuygens printsipi faqat to'lqin frontining tarqalish yo'nalishi masalasini hal qiladi, diffraktsiya hodisasini tushuntiradi, lekin amplitudasi va shuning uchun turli yo'nalishlarda tarqaladigan to'lqinlarning intensivligi masalasini hal qilmaydi. Fresnel Gyuygens printsipiga jismoniy ma'no qo'ydi va uni ikkilamchi to'lqinlarning aralashuvi g'oyasi bilan to'ldirdi.

Ga binoan Gyuygens-Frenel printsipi, ba'zi bir manba S tomonidan qo'zg'atilgan yorug'lik to'lqinini xayoliy manbalar tomonidan "nurlanadigan" kogerent ikkilamchi to'lqinlarning superpozitsiyasi natijasida tasvirlash mumkin.

Bunday manbalar bo'lib S manbani o'rab turgan har qanday yopiq sirtning cheksiz kichik elementlari xizmat qilishi mumkin.Odatda bu sirt sifatida to'lqin sirtlaridan biri tanlanadi, shuning uchun barcha xayoliy manbalar fazada harakat qiladi. Shunday qilib, manbadan tarqaladigan to'lqinlar barcha kogerent ikkilamchi to'lqinlarning aralashuvi natijasidir. Fresnel orqaga ikkilamchi to'lqinlarning paydo bo'lish ehtimolini istisno qildi va agar manba va kuzatish nuqtasi o'rtasida teshikli shaffof bo'lmagan ekran joylashgan bo'lsa, u holda ekran yuzasida ikkilamchi to'lqinlarning amplitudasi nolga teng deb taxmin qildi. teshik u ekranning yo'qligi bilan bir xil. Ikkilamchi to'lqinlarning amplitudalari va fazalarini hisobga olish har bir aniq holatda kosmosning istalgan nuqtasida paydo bo'ladigan to'lqinning amplitudasini (intensivligini) topishga, ya'ni yorug'lik tarqalish qonunlarini aniqlashga imkon beradi.

Interferentsiya naqshini olish usullari

Augustin Fresnel g'oyasi

Kogerent yorug'lik manbalarini olish uchun frantsuz fizigi Augustin Fresnel (1788-1827) 1815 yilda oddiy va zukko usulni topdi. Yorug'likni bitta manbadan ikkita nurga bo'lish va ularni turli yo'llardan o'tishga majburlash, ularni birlashtirish kerak.. Keyin alohida atom chiqaradigan to'lqinlar poezdi ikkita kogerent poezdga bo'linadi. Manbaning har bir atomi chiqaradigan to'lqinlar poezdlari uchun shunday bo'ladi. Bitta atom chiqaradigan yorug'lik ma'lum interferentsiya naqshini hosil qiladi. Ushbu rasmlar bir-birining ustiga qo'yilganda, ekranda yorug'likning etarlicha intensiv taqsimlanishi olinadi: interferentsiya naqshini kuzatish mumkin.

Kogerent yorug'lik manbalarini olishning ko'plab usullari mavjud, ammo ularning mohiyati bir xil. Nurni ikki qismga bo'lish orqali kogerent to'lqinlarni beruvchi ikkita xayoliy yorug'lik manbalari olinadi. Buning uchun ikkita ko'zgu (Fresnel ikki ko'zgu), biprizma (poyda buklangan ikkita prizma), bilens (yarmlari ajratilgan holda yarmiga kesilgan linza) va boshqalar ishlatiladi.

Nyuton halqalari

Laboratoriyada yorug'lik interferensiyasini kuzatish bo'yicha birinchi tajriba I. Nyutonga tegishli. U tekis shisha plastinka va katta egrilik radiusi bo'lgan plano-qavariq linzalar orasidagi nozik havo bo'shlig'ida yorug'likning aks etishidan kelib chiqadigan interferentsiya naqshini kuzatdi. Interferentsiya sxemasi chaqirilgan konsentrik halqalarga o'xshardi Nyuton halqalari(3-rasm a, b).

Nyuton halqalar nima uchun paydo bo'lishini korpuskulyar nazariya nuqtai nazaridan tushuntira olmadi, lekin u bu yorug'lik jarayonlarining qandaydir davriyligi bilan bog'liqligini tushundi.

Youngning ikkita tirqish bilan tajribasi

T.Yung tomonidan taklif qilingan tajriba yorug'likning to'lqinli tabiatini ishonchli tarzda ko'rsatadi. Yang tajribasi natijalarini yaxshiroq tushunish uchun birinchi navbatda yorug'lik bo'linmadagi bitta tirqish orqali o'tadigan vaziyatni ko'rib chiqish foydali bo'ladi. Bir tirqishli tajribada manbadan keladigan monoxromatik yorug'lik tor tirqishdan o'tadi va ekranga yozib olinadi. Kutilmaganda, etarlicha tor yoriq bilan ekranda tor yorug'lik chizig'i (yoriqning tasviri) ko'rinmaydi, balki markazda maksimal bo'lgan va asta-sekin qirralarga qarab kamayib borayotgan yorug'lik intensivligining silliq taqsimlanishi. Bu hodisa yorug'likning tirqish orqali difraksiyasi bilan bog'liq va yorug'likning to'lqinli tabiatining natijasidir.

Endi bo'limda ikkita tirqish hosil bo'lsin (4-rasm). Bir yoki boshqa tirqishni ketma-ket yopib qo'ygandan so'ng, ekrandagi intensivlikni taqsimlash sxemasi bitta tirqish holatidagi kabi bo'lishiga ishonch hosil qilish mumkin, lekin faqat maksimal intensivlik pozitsiyasi har safar ochiq teshikning holatiga mos keladi. tirqish. Agar ikkala tirqish ochilsa, ekranda yorug'lik va quyuq chiziqlarning o'zgaruvchan ketma-ketligi paydo bo'ladi va yorug'lik chiziqlarining yorqinligi markazdan masofa bilan kamayadi.

Interferentsiyaning ba'zi ilovalari

Interferentsiya qo'llanilishi juda muhim va kengdir.

Maxsus qurilmalar mavjud interferometrlar- harakati aralashuv hodisasiga asoslangan. Ularning maqsadi har xil bo'lishi mumkin: yorug'lik to'lqin uzunliklarini aniq o'lchash, gazlarning sinishi indeksini o'lchash va boshqalar Maxsus maqsadlar uchun interferometrlar mavjud. Mishelson tomonidan yorug'lik tezligidagi juda kichik o'zgarishlarni suratga olish uchun yaratilgan ulardan biri "Nisbiylik asoslari" bobida muhokama qilinadi.

Biz shovqinning faqat ikkita ilovasiga e'tibor qaratamiz.

Sirt sifatini tekshirish

Interferentsiya yordamida 10 -6 sm gacha xatolik bilan mahsulot sirtini silliqlash sifatini baholash mumkin.Buni amalga oshirish uchun namuna yuzasi o'rtasida nozik havo qatlamini yaratish kerak. va juda silliq mos yozuvlar plitasi (5-rasm).

Keyin 10-6 sm gacha bo'lgan sirt nosimmetrikliklar sinov ostidagi sirtdan va mos yozuvlar plitasining pastki yuzidan yorug'lik aks etganda hosil bo'lgan interferentsiya chekkalarining sezilarli egriligiga olib keladi.

Xususan, linzalarni silliqlash sifatini Nyuton halqalarini kuzatish orqali tekshirish mumkin. Ob'ektiv yuzasi qat'iy sharsimon bo'lsa, halqalar muntazam doiralar bo'ladi. Sferiklikdan har qanday og'ish 0,1 dan katta λ halqalarning shakliga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Ob'ektivda bo'rtiq bo'lgan joylarda halqalar markazga qarab bo'rtib chiqadi.

Qizig'i shundaki, italyan fizigi E.Torricelli (1608-1647) linzalarni 10 -6 sm gacha xatolikka ega bo'lgan.Uning linzalari muzeyda saqlanadi va ularning sifati zamonaviy usullar bilan tekshiriladi. Qanday qilib u buni uddaladi? Bu savolga javob berish qiyin. O'sha paytda hunarmandchilik sirlari odatda oshkor etilmagan. Ko'rinishidan, Torricelli Nyutondan ancha oldin interferentsiya halqalarini kashf etgan va ular silliqlash sifatini tekshirish uchun ishlatilishi mumkinligini taxmin qilgan. Lekin, albatta, Torricelli halqalar nima uchun paydo bo'lganligi haqida hech qanday tasavvurga ega emas edi.

Shuni ham ta'kidlaymizki, deyarli qat'iy monoxromatik yorug'likdan foydalangan holda, bir-biridan katta masofada joylashgan tekisliklardan (bir necha metrlar tartibida) aks ettirilganda interferentsiya naqshini kuzatish mumkin. Bu sizga 10 -6 sm gacha bo'lgan xatolik bilan yuzlab santimetr masofani o'lchash imkonini beradi.

Optikaning ma'rifati

Zamonaviy kameralar yoki kinoproyektorlarning linzalari, suv osti periskoplari va boshqa turli xil optik qurilmalar ko'p sonli optik ko'zoynaklar - linzalar, prizmalar va boshqalardan iborat. Bunday qurilmalardan o'tib, yorug'lik ko'plab sirtlardan aks etadi. Zamonaviy fotografik linzalarda aks ettiruvchi yuzalar soni 10 dan oshadi, suv osti periskoplarida esa 40 taga etadi.Yorug`lik sirtga perpendikulyar tushganda har bir sirtdan umumiy energiyaning 5-9%i aks etadi. Shuning uchun unga kiradigan yorug'likning faqat 10-20% ko'pincha qurilma orqali o'tadi. Natijada, tasvirning yoritilishi past bo'ladi. Bundan tashqari, tasvir sifati yomonlashadi. Yorug'lik nurining bir qismi, ichki yuzalardan bir nechta aks ettirishdan so'ng, hali ham optik qurilmadan o'tadi, lekin tarqaladi va endi aniq tasvirni yaratishda ishtirok etmaydi. Fotografik tasvirlarda, masalan, shu sababdan "parda" hosil bo'ladi.

Optik oynalar yuzalaridan yorug'lik aks etishining ushbu noxush oqibatlarini bartaraf etish uchun aks ettirilgan yorug'lik energiyasining ulushini kamaytirish kerak. Qurilma tomonidan berilgan tasvir bir vaqtning o'zida yorqinroq bo'ladi, "yorug'lanadi". Bu atamaning kelib chiqishi. optika ma'rifati.

Optikaning yoritilishi interferensiyaga asoslangan. Ob'ektiv kabi optik oynaning yuzasiga sinishi indeksiga ega nozik bir plyonka qo'llaniladi. n n, shishaning sindirish ko'rsatkichidan kamroq n bilan. Oddiylik uchun plyonkaga normal yorug'lik tushishini ko'rib chiqamiz (6-rasm).

Filmning yuqori va pastki yuzalaridan aks ettirilgan to'lqinlar bir-birini bekor qilish sharti (minimal qalinlikdagi plyonka uchun) quyidagicha yozilishi mumkin:

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

bu erda \(~\dfrac(\lambda)(n_n)\) plyonkadagi to'lqin uzunligi va 2 h- zarba farqi.

Ikkala aks ettirilgan to'lqinlarning amplitudalari bir xil yoki bir-biriga juda yaqin bo'lsa, yorug'likning so'nishi to'liq bo'ladi. Bunga erishish uchun plyonkaning sinishi ko'rsatkichi mos ravishda tanlanadi, chunki aks ettirilgan yorug'likning intensivligi ikkita qo'shni muhitning sinishi ko'rsatkichlarining nisbati bilan belgilanadi.

Oddiy sharoitlarda linzaga oq yorug'lik tushadi. Ifoda (4) kerakli plyonka qalinligi to'lqin uzunligiga bog'liqligini ko'rsatadi. Shuning uchun barcha chastotalarning aks ettirilgan to'lqinlarini bostirish mumkin emas. Film qalinligi spektrning o'rta qismidagi to'lqin uzunliklari uchun normal insidansda to'liq so'nish sodir bo'lishi uchun tanlanadi (yashil rang, l z = 5,5 · 10 -7 m); u filmdagi to'lqin uzunligining to'rtdan biriga teng bo'lishi kerak:

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

Spektrning ekstremal qismlari - qizil va binafsha ranglarning yorug'ligini aks ettirish biroz zaiflashadi. Shuning uchun, aks ettirilgan nurda qoplangan optikasi bo'lgan linzalar lilak rangga ega. Endi oddiy arzon kameralar ham qoplamali optikaga ega. Xulosa qilib aytganda, biz yana bir bor ta'kidlaymizki, yorug'likning yorug'lik bilan so'nishi yorug'lik energiyasining boshqa shakllarga aylanishini anglatmaydi. Mexanik to'lqinlarning aralashuvida bo'lgani kabi, ma'lum bir kosmos hududida to'lqinlarning bir-birining so'nishi yorug'lik energiyasi bu erga kirmasligini anglatadi. Qoplangan optikasi bo'lgan linzalarda aks ettirilgan to'lqinlarning zaiflashishi barcha yorug'lik linzalardan o'tishini anglatadi.

Ilova

Ikki monoxromatik to'lqinning qo'shilishi

Keling, bir xil chastotali ikkita harmonik to'lqinning qo'shilishini batafsil ko'rib chiqaylik ν bir nuqtada LEKIN bir hil muhit, bu to'lqinlarning manbalari deb faraz S 1 va S 2 nuqtadan LEKIN masofalarda, mos ravishda. l 1 va l 2 (7-rasm).

Oddiylik uchun ko'rib chiqilayotgan to'lqinlar bo'ylama yoki ko'ndalang tekislik qutblangan va ularning amplitudalari teng deb faraz qilaylik. a 1 va a 2. Keyin, \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\) ga ko'ra, nuqtadagi bu to'lqinlarning tenglamalari LEKIN o'xshaydi

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

(5), (6) to'lqinlarning superpozitsiyasi bo'lgan hosil bo'lgan to'lqinning tenglamasi ularning yig'indisidir:

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

bundan tashqari, geometriyadan ma'lum bo'lgan kosinus teoremasi yordamida isbotlanganidek, hosil bo'lgan tebranish amplitudasining kvadrati formula bilan aniqlanadi.

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

qaerda ∆ φ - tebranish fazalari farqi:

\(~\Delta \varphi = k(l_1 - l_2) - (\varphi_(01) - \varphi_(02))\) . (to'qqiz)

(Boshlang'ich bosqich uchun ifoda φ Olingan tebranishning 01 ni, biz uning noqulayligi tufayli bermaymiz).

(8) dan ko'rinib turibdiki, hosil bo'lgan tebranishning amplitudasi D yo'l farqining davriy funktsiyasidir. l. Agar to'lqin yo'li farqi shunday bo'lsa, fazalar farqi D φ ga teng

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

keyin nuqtada LEKIN hosil bo'lgan to'lqinning amplitudasi maksimal bo'ladi ( maksimal holat), agar

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

keyin nuqtadagi amplituda LEKIN eng kam ( minimal holat).

Oddiylik uchun shunday deb hisoblasak φ 01 = φ 02 va a 1 = a 2 va tenglikni hisobga olgan holda \(~k = \dfrac(\omega)(\upsilon) = \dfrac(2 \pi)(\lambda)\) , (10) va (11) shartlar va tegishli ifodalar a amplitudasi uchun quyidagi shaklda yozishimiz mumkin:

\(~\Delta l = \pm n \lambda\) ( maksimal holat), (12)

undan keyin a = a 1 + a 2 , va

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

undan keyin a = 0.

Adabiyot

1. Myakishev G.Ya. Fizika: optika. Kvant fizikasi. 11-sinf: Proc. fizikani chuqur o'rganish uchun / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. – M.: Bustard, 2002. – 464 b.
2. Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika A dan Z gacha: talabalar, abituriyentlar, repetitorlar uchun. - Minsk: Paradoks, 2000. - 560 p.