Распространение волн света. Интерференция

В XVII в. мнения ученых относительно природы света разделились. Одни считали, что свет представляет собой поток легчайших частиц, другие же утверждали, что свет состоит из волн. Отражение света легче было объяснить с помощью гипотезы частиц, полагая, что частицы отскакивают от поверхности, подобно тому как отскакивают шары от бортов бильярдного стола. В своей современной форме эта теория рассматривает свет как движение порций энергии, называемых фотонами. Гораздо труднее было объяснить преломление-почему, например, часть частиц отскакивает, а часть проходит через поверхность? Многие же другие эффекты вообще невозможно было объяснить, опираясь на теорию частиц. В итоге от нее отказались в пользу волновой теории света как более убедительной.

В те далекие времена никто не знал точно, что же колеблется в световой волне и как можно получить эти волны. Эти проблемы начали решаться в 70-х годах XIX в. Было установлено, что световая волна представляет собой колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве; оба поля совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях, которые перпендикулярны также и направлению распространения волны. В действительности световые волны являются одним из типов электромагнитных волн, включающих также рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное излучения и радиоволны. Световые волны испускаются атомами, когда электроны в них переходят с одной орбиты на другую. Если атом получает энергию, например в форме тепла, света или электрической энергии, электроны удаляются от ядра на орбиты с большей энергией. Затем они вновь переходят на более близкие к ядру орбиты с меньшей энергией, излучая при этом энергию в виде электромагнитных волн. Так возникает свет.

Очень грубо можно считать, что электрон движется вокруг ядра по некоторой орбите (1). Когда атом поглощает энергию, какой-то из электронов может покинуть его (2) или переместиться на более удаленную орбиту (3) В последнем случае электрон возвращается на одну из близко лежащих орбит, испуская видимое (4) или невидимое излучение, энергия которого равна разности энергий электронов на соответствующих орбитах.

Каждый луч света распространяется прямолинейно, что достигается непрерывным рядом волн, несущих колебательное движение в пространстве. Колебания всех волн, исходящих из источника света, складываются, создавая сферические волновые фронты, состоящие из чередующихся пиков и впадин энергии.

Дифракция возникает, когда световая волна огибает край предмета. Обычно этот эффект очень слаб. Однако если световые волны проходят через отверстие, размеры которого сравнимы с длиной волны (для видимого света около 0,000055 см), то дифракция становится наблюдаемой. Световые волны распространяются от краев отверстия как от источников, и на экране образуется картина чередующихся светлых и темных полос

Тень, отбрасываемая каким-либо предметом, редко имеет четкие границы. Это объясняется тем, что источник света обычно не является точкой, а имеет некоторые размеры. Если источник бесконечно мал, то следовало бы ожидать, что он даст абсолютно резкую тень, поскольку, как считается, световые лучи распространяются прямолинейно. Однако на самом деле волны огибают край предмета - этот эффект называется дифракцией. Когда световые волны попадают на край предмета, ближайшие к нему точки начинают действовать как источники световых волн, распространяющихся во всех направлениях,-в результате световые лучи загибаются за край предмета. Длина волны света столь мала, что дифракцию трудно обнаружить на больших предметах, но она становится весьма заметной при прохождении света через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Это происходит в дифракционной решетке, где свет проходит через очень узкие щели.

Дифракционная решетка представляет собой сетку из тонких близко лежащих штрихов. Когда через нее пропускают белый свет, различные его составляющие отклоняются под разными углами и расщепляются на совокупность цветов.

Интерференция возникает, когда две волны с одинаковой длиной волны (1, 2) движутся по одному пути. Они взаимодействуют, образуя новую волну (3). Если волны совпадают по фазе (А), то интенсивность результирующей волны оказывается выше, чем каждой из них. Если волны слегка сдвинуты по фазе (Б), то интенсивность результирующей волны близка к интенсивности исходных волн. Если исходные волны находятся в противофазе (В), то они полностью гасят друг друга.

Интерференция. Волновые фронты, распространяющиеся от двух краев отверстия, пересекаются между собой. Там, где встречаются два гребня волны, яркость увеличивается, но там, где гребень встречается с впадиной, волны гасят друг друга, создавая темные области. В результате вместо простого изображения отверстия получается ряд чередующихся светлых и темных полос. Это явление называется интерференцией.

Если луч света расщепить на два, а затем заставить их соединиться вновь, то между ними возникнет интерференция — при условии, что пути, пройденные лучами, различны. Гребни и впадины двух волновых фронтов могут оказаться «не в фазе» (не совпадать точно), но световые лучи все равно провзаимодействуют. Такие интерференционные эффекты создаются двумя очень близко расположенными поверхностями, например тонкими пленками или двумя тесно сжатыми пластинками стекла, и приводят к появлению окрашенных полос. Радужные цвета, видимые в оперении птиц и на крыльях некоторых бабочек, вызваны явлением интерференции; тонкая структура крыла или пера образует своего рода дифракционную решетку или тонкую пленку.

Тонкие пленки, такие, как мыльные пузыри или нефтяные пятна на воде, обычно сияют всеми цветами радуги. Часть света, проходящего через пленку, отражается от ее внутренней поверхности и интерферирует с проходящим светом. Проходя пути различной длины, волны, соответствующие некоторым цветам (на рис. 5-красному), оказываются в фазе и усиливают друг друга. Другие волны (на рис. 5 показано синим) полностью гасят друг друга и потому невидимы.

Поскольку интерференция вызывается малым различием в величинах путей, пройденных волнами одной и той же длины, этот эффект можно использовать для обнаружения очень малых изменений длины. Для этой цели служат приборы, называемые интерферометрами.

Поляризация световых волн. Световые волны позволяют наблюдать еще один эффект-поляризацию. В обычной световой волне электрическое и магнитное поля колеблются во многих случайных плоскостях, проходящих через направление распространения волны. В поляризованном же свете они совершают колебания только в одной плоскости. Свет поляризуется при прохождении через фильтр, который поглощает все колебания, за исключением происходящих в определенной плоскости. После этого поляризованный пучок света может пройти через второй фильтр лишь в том случае, если тот ориентирован под соответствующим углом, который позволяет колебаниям пройти через него. В противном случае лучи не проходят. Свет, отраженный от поверхности под определенным углом, поляризован; поляризующие стекла солнцезащитных очков уменьшают освещенность, гася этим способом отраженный свет. Растворы некоторых химических веществ, например сахаров, поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. Этот эффект используют в химии для анализа растворов.

В неполяризованном свете колебания электрического и магнитного полей происходят в любых взаимно перпендикулярных плоскостях, расположенных под прямым углом к направлению распространения волны (А). В поляризованном свете колебания электрического поля происходят только в одной плоскости (Б), при этом колебания электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны друг другу (В). Плоскость, в которой колеблется электрическое поле, называется плоскостью поляризации (Г).

Напряжения, возникающие в прозрачных материалах, наблюдаются при освещении их поляризованным светом. На фотографии отчетливо видны области напряжения в «закаленном» переднем стекле автомобиля.