Волновые свойства света

Интерференция света. Наи­более наглядно волновые свой­ства света обнаруживаются в явлениях интерференции и диф­ракции. Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветные. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волн (рис.7). Световые волны, отра­женные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но прохо­дят разные пути. При разности хода D l, кратной целому числу длин волн:

наблюдается интерференционный максимум.

При разности D l, кратной не­четному числу полуволн:

наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется ус­ловие максимума для одной дли­ны световой волны, то оно не вы­полняется для других длин волн. Поэтому освещаемая белым све­том тонкая бесцветная прозрач­ная пленка кажется окрашенной. При изменении толщины пленки или угла падения световых волн разность хода изменяется и усло­вие максимума выполняется для света с другой длиной волны. Явление интерференции в тон­ких пленках применяется для контроля качества обработки по­верхностей, просветления оптики.

Рис.7

Дифракция света. При про­хождении света через малое круг­лое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наб­людаются чередующиеся темные и светлые кольца (рис.8). Если свет проходит через узкую щель, то получается картина, представленная на том же рисунке справа.

Рис.8

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохожде­нии у края преграды называется дифракцией света.

Появление чередующихся светлых и темных колец или по­лос в области геометрической те­ни французский физик Френель объяснил тем, что световые вол­ны, приходящие в результате дифракции из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой.

Дифракционная решетка. Дифракция света используется в спектральных приборах. Одним из основных элементов во многих спектральных приборах является дифракционная решетка. Обыч­но применяются отражательные решетки, но мы рассмотрим прин­цип действия решетки, представ­ляющей собой прозрачную плас­тинку с нанесенной на нее сис­темой параллельных непрозрач­ных полос, расположенных на одинаковых расстояниях d друг от друга.

Пусть на решетку падает мо­нохроматическая волна с плос­ким волновым фронтом. В резуль­тате дифракции из каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направ­лениям.

Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экра­не в фокальной плоскости парал­лельные лучи от всех щелей со­берутся в одну полоску (рис.9).

Рис.9

Параллельные лучи, идущие от краев двух соседних щелей, име­ют разность хода:

где d, — расстояние между соответствующими. краями сосед­них щелей, называемое периодом решетки; j — угол отклонения световых лучей от перпендикуля­ра к плоскости решетки. При ра­венстве разности хода D l целому числу длин волн

(l — длина волны падающего све­та) наблюдается интерференцион­ный максимум света. Линза не вносит разности хода. Как сле­дует из последнего уравнения, условие интерференционного максимума для каждой длины световой вол­ны выполняется при своем зна­чении угла дифракции j. В ре­зультате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.

Угол дифракции имеет наи­большее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угол дифракции j имеет для фиоле­тового света.

Поляризация света. Опыт по­казывает, что интенсивность све­тового пучка, проходящего че­рез некоторые прозрачные крис­таллы, например исландского шпата, зависит от взаимной ори­ентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристал­лов свет проходит через второй кристалл без ослабления. Если же второй кристалл повернут на 90° от первоначального положения, то свет через него не проходит.

Это явление получает объясне­ние, если принять, что свет пред­ставляет собой поперечные волны. При прохождении через первый кристалл происходит поляриза­ция света, т. е. кристалл про­пускает только такие волны, в которых колебания вектора Е напряженности электрического поля совершаются в одной плос­кости. Эта плоскость называется плоскостью поляризации. Если плоскость, в которой пропускают­ся колебания вторым кристаллом, совпадает с плоскостью поляри­зации, поляризованный свет про­ходит через второй кристалл без ослабления. При повороте крис­талла на 90° поляризованный свет не проходит через кристалл. Схематически для естественного света, который не является поляризованным, картину поляризации можно представить в виде следующей схемы (рис.10):

Рис.10

Явление поляризации света доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.

Дисперсия света. Сплошной спектр. Узкий параллельный пу­чок белого света при прохожде­нии через стеклянную призму разлагается на пучки света раз­ного цвета (рис.11).

Рис.11

Цветную полоску на экране называют сплошным спектром. Явление за­висимости скорости света от дли­ны волны (или частоты) назы­вается дисперсией света. Сплошной спектр наблюдается при раз­ложении света, излучаемого на­гретыми твердыми и жидкими те­лами. Дисперсия света была от­крыта И. Ньютоном.

Объясняется разложение бе­лого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и по­казатель преломления света зави­сит от его длины волны. Наиболь­шее значение он имеет для света с самой короткой длиной вол­ны — фиолетового света. Наи­меньшим показателем преломле­ния обладает самый длинновол­новый свет — красный. Абсолют­ный показатель преломления света определяется отношением скорости света с в вакууме к скорости света u в среде:

Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны. Отсюда следует, что разложение света в стеклянной призме обус­ловлено зависимостью скорости распространения света в среде от длины световой волны.