Интерференция света

Васенина Н.А., учитель физики

МАОУ СОШ № 85 г. Кемерово

Явление интерференции

Явление интерференции является характерным признаком волновых процессов любой природы.

Интерференцией называется сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний

• Если свет является волнами, то ему должна быть присуща интерференция. Однако никто никогда этого явления не наблюдал. Какие бы источники света мы ни брали.

• Главным условием интерференции является когерентность.
• Мы помним:
• 1) волны должны иметь одну частоту
• 2) Волны должны иметь одинаковую разность фаз.

• Одинаковую частоту света добиться не сложно. Достаточно взять два одинаковых цветных стекла и сделать фильтры для двух одинаковых источников света.

• Гораздо труднее, почти невозможно, добиться постоянной во времени разности фаз.
• Дело в том, что свет испускается отдельными атомами обрывками (цугами) волн длиной до 1 м. И заставить отдельные атомы испускать волны согласованно нет надежды (хотя, конечно, сегодня такая возможность есть- это делают лазеры).

• Однако интерференция была «поймана» уже в 19 веке. Сделал это английский ученый Томас Юнг.

• ЮНГ (Young), Томас
• 13 июня 1773 г. –
• 10 мая 1829 г.
• Томас Юнг родился в Милвертоне (графство Сомерсет). Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в девятилетнем возрасте изучил латинский и греческий языки и к 14 годам в совершенстве знал до десяти языков, в том числе древнееврейский, персидский и арабский.  

• Волновая теория света впервые была сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория света и цвета», опубликованной в 1801 г. Сущность волновой теории света Юнг кратко выражает следующим предложением: «Излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира». Таким образом, все богатство красок природы было сведено Юнгом к колебательному движению эфира, а различие цветов – к различным частотам этих колебаний.

• Разносторонность дарований Юнга изумительна. В его сочинениях рассматриваются вопросы механики, оптики, акустики, теплоты, физиологической оптики, технологии, кораблестроения, астрономии, навигации, геофизики, медицины, филологии, ботаники, зоологии и пр. Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии». Юнг состоял консультантом при Адмиралтействе (1814), был секретарем Бюро долгот, редактором «Морского альманаха» (1814–1829), советником по весам и мерам при парламенте.

• Вывел формулу для составления таблиц смертности, необходимых в страховом деле (1826). Юнг попытался также составить египетский словарь; в 1823 г. он предложил интерпретацию некоторых египетских иероглифов, выяснил значение ряда знаков Розеттского камня. Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом – наездником и канатоходцем. 
• http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Persones/Young.html

• Однако, на самом деле, каждый из нас с младенчества наблюдает интерференцию света, и только Юнг впервые смог объяснить это явление.

Да, да, это мыльные пузыри

Существет даже шоу мыльных пузырей

Интерференция в тонких пленках

• Мыльный пузырь  — тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно. Их часто используют в своих играх дети.

• В момент, когда он лопается, критическая толщина стенки около 25 нанометров.
• Длина волны красного цвета около 700 нм. Вот в тот момент, когда мыльный пузырь из бесцветного состояния начинает покрываться радужными пятнами, толщина его стенки начинает становиться меньше микрона. А радужные пятна, это результат интерференции света, отраженного от границ стенки (внешней и внутренней). Кстати, размер молекулы воды около 1 нм, а размер детергентов (мыла и прочего), намного больше. То есть, в мыльном пузыре, по сути мы имеем "водяную стенку" толщиной всего в несколько молекул воды, заключенный между двумя слоями "мыльных молекул", которые не дают воде быстро испариться.
• http://www.bolshoyvopros.ru/questions/2027302-kakoj-tolschiny-stenka-mylnogo-puzyrja.html

• Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей наблюдаются вследствие интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.
• Когда луч света проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, формируя первый луч, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности, образуя второй луч. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух лучей.

https://goo-gl.ru/6afT

• Поскольку каждый проход света через плёнку создаёт сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.
• https://goo-gl.ru/6afT

• Перенесите картинку в тетрадь. Вы видите, что луч, падающий на первую стенку пленки частично отражается, а частично проходит внутрь стенки мыльного пузыря. Там опять отражается и спешит догнать своего собрата.

• В какой-то точке на задней поверхности глазного яблока эти лучи встречаются. Удивительно здесь то, что лучи будут когерентными. Ведь это один и тот же луч, только разделившийся надвое. Если вы булочку разломите, то ведь это будут совершенно одинаковые куски булочки! Ни один из них не превратится в котлету!

• Лучи встретятся и сложатся. Ясно, что белый свет состоит из лучей разных длин волн, но усилятся только те, которые придут в эту точку совместно горбами или впадинами. И мы увидим в этой точке яркое пятно красного или голубого цвета, например. Ежели в эту точку лучи придут один горбом, а другой впадиной, то такие лучи взаимно погасят друг друга, и мы ничего не увидим- то есть черный цвет. Ну, по крайней мере, темный.

Такими же тонкими пленками являются пленки бензина, например, на поверхности лужи.

Мыльная пленка, «натянутая» на кольцо.

Просто красивая фотография пленки бензина на поверхности воды

Многие фотографы любят создавать красивые «шедевры», фотографируя то, мимо чего мы спокойно проходим, забывая полюбоваться.

Вывод:

• В тонких пленках происходит интерференция световых волн отраженных от передней и задней поверхностей тонкой пленки.
• В тонких пленках происходит интерференция световых волн отраженных от передней и задней поверхностей тонкой пленки.
• В тонких пленках происходит интерференция световых волн отраженных от передней и задней поверхностей тонкой пленки.
• В тонких пленках происходит интерференция световых волн отраженных от передней и задней поверхностей тонкой пленки.
• В тонких пленках происходит интерференция световых волн отраженных от передней и задней поверхностей тонкой пленки.

• При изменении положения головы наблюдателя путь света внутри пленки уменьшается или увеличивается, из-за этого меняется разность хода волн, отраженных от обеих поверхностей пленки, а, следовательно, и результат интерференции - картина расположения максимумов и минимумов. Постепенно меняя угол наблюдения, мы переходим от минимума к максимуму, затем к следующему минимуму и т.д.

Тонкими пленками являются и окислы на поверхности металлов.

Рассмотрим еще одно явление, которое объяснил Юнг, но не мог объяснить Ньютон.

• Правда, надо напомнить, что между Юнгом и Ньютоном пролегает расстояние почти в век. Ньютон умер в 1727 году, а Юнг родился спустя почти полвека –в 1773 году.
• Дело в том, что Ньютом был мастеровым- все, что нужно для опытов, Ньютон делал сам, своими руками. Ньютон изобрел телескоп. И линзы для своего телескопа он шлифовал сам, причем работа эта была кропотливой, на нее уходило несколько месяцев.

Однако как ни старался Ньютон, ему мешали странные кольца, появлявшиеся на поверхности линзы, и портящие изображение.

Длительное время оптика «страдала» проблемой- как убрать эти самые кольца. Не только ньютон занимался проблемой «просветления оптики» но и многое количество ученых, вплоть до середины 20 века. В учебнике есть параграф 55, прочитай из любопытства об этой проблеме .

Кольца Ньютона

• Возьмем тонкую линзу, лежащую на поверхности стеклянной пластинки, причем плотно прижатую к ней.
• Если осветить линзу сверху, то можно наблюдать систему колец. Обычно радужных. Но если освещать, например, зеленым светом, то будем наблюдать все истончающиеся кольца зеленого света.

Кольца Ньютона

Мы видим, как свет, падающий перпендикулярно поверхности линзы, проходит внутрь линзы(так и положено, он ведь падает перпендикулярно). Часть луча отражается от нижней границы линзы (ведь теперь поверхность изогнута).

Часть луча проходит сквозь воздушную прослойку, отражается от нее, далее идут преломления от нижней и верхней стенок линзы и он спешит догнать первый луч. И процесс тот же самый, как и в случае мыльных пузыре1.

• Благодаря тому, что линза имеет очень правильную геометрическую форму, то толщина воздушной прослойки увеличивается равномерно. Это и объясняет форму радужных пятен- это строгие коаксиальные (то есть имеющие один и тот же центр) окружности.

Но и многие насекомые используют интерференцию для украшения собственного внешнего вида.

На их крыльях находятся тончайшие чешуйки, которые работают как тонкие пленки.

Зеленый махаон

А это знакомая всем нам бронзовка

Или жительница наших огородов – жужелица.

Вставим еще несколько слов о Юнге. Его отец — Томас-старший — был торговцем тканями из деревни Милвертон близ Тонтона в графстве Сомерсет; мать — Сара — также была дочерью местного торговца.

Изначально Юнг выбрал в качестве занятия своей жизни именно медицину. Степень доктора медицины он получил в 1796 году. Но событием, которое сделало его финансово независимым и позволило с головой уйти в науку, не думая об источнике заработка, стала смерть его дяди – он оставил молодому Томасу большое денежное наследство

. ru/article/252680/tomas-yung-vklad-v-fiziku

• Позже Юнг открыл частную медицинскую практику и в это же время начал публиковаться. Но анонимно, поскольку опасался за свою репутацию врача. Позже увлекся акустикой и оптикой. В возрасте 21 года он стал действующим членом Лондонского королевского сообщества и какое-то время занимал в нем пост секретаря. В 1803 году получил звание профессора Королевского института.
•   https://fb.ru/article/252680/tomas-yung-vklad-v-fiziku

• Несмотря на свои успехи в физике, с 1811 года и до самого конца жизни Томас Юнг продолжал работать врачом в одной из больниц Лондона. Не расстался он с профессией врача и в 1818 году, когда стал секретарем Бюро долгот и редактором такого издания, как «Мореходный календарь». Юнг также внес свой вклад и в дополнение к одному из изданий «Британской энциклопедии» тем, что написал примерно 60 глав. В основном это были биографии ученых.
•   https://fb.ru/article/252680/tomas-yung-vklad-v-fiziku

Ссылки:

• http://namonitore.ru/wallpapers/big/ledentsi_1600.html