к списку статей
Волновая оптика: интерференция и дисперсия
На этой странице вы узнаете
- Почему море синего цвета?
- Как образуется радуга?
Сейчас многие из нас хотели бы внезапно оказаться на морском побережье — солнце, волны… что может быть лучше? Кстати, есть еще кое-что общее между солнцем и волной, и как раз об этом мы сейчас с вами и поговорим. Мы будем изучать различные явления, связанные со светом. Однако мы отойдем от геометрии и погрузимся в мир волновой оптики.
Как мы уже говорили в статье «Электромагнитные волны», свет является электромагнитным излучением. Но что именно излучается? Множество физиков, в числе которых были Ньютон, де Бройль, Максвелл и другие, доказали, что свет можно представить в виде волны. Именно волновая природа поведения света изучается в волновой оптике.
Свет как волна
Как было сказано, свет обладает свойствами волны. Тогда для света будут характерны такие понятия, как длина волны, частота и период колебаний.
Запишем формулу, используя которую можно численно выразить те или иные характеристики световой волны:
| \(λ = U*T =\frac{U}{v}\), где \(λ\) — длина волны (м); \(U\) — скорость (м/с); \(Т\) — период (с); \(v\) — частота (Гц). |
При этом, при переходе света из одной среды в другую, его частота остается постоянной, а вот длина волны и скорость изменяются:
Диапазон излучений и видимый спектр излучения
В жизни есть разные излучения, некоторые мы можем наблюдать (видимое), другие почувствовать (инфракрасное, которое ощущается как тепло), а третьи и вовсе для нас неосязаемы, хотя окружают повсюду — радиоволны, ультрафиолетовые излучения, сигналы устройств и прочее. Мы с вами можем видеть излучение, диапазон которого составляет от 380 нм (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет).
Из рисунка выше мы видим, что наименьшая длина волны у ультрафиолетового излучения. Тогда, по формуле для частоты \(v =\frac{C}{λ}\) получаем, что ультрафиолетовые волны имеют наибольшую частоту.
А сейчас давайте вспомним, что в световом пучке огромное множество фотонов. Влияет ли это на свойства света? Да, конечно. Однако не всегда большое количество фотонов усиливает яркость света. Для этого нам стоит познакомиться с явлением интерференции.
| Почему море синего цвета? Синий цвет имеет самую короткую длину волны. Поэтому он рассеивается в верхних слоях воды, в отличие от остальных цветов, которые проникают намного глубже. |
Интерференция
При наложении двух волн друг на друга происходит перераспределение яркости — в каких-то точках волны усиливают друг друга, делая пятна ярче, а в каких-то, наоборот, гасят друг друга. Это и называется интерференцией.
Интерференция — перераспределение интенсивности света из-за наложения волн от когерентных источников.
Когерентные источники — источники, испускающей свет одной длины волны и частоты в одно и то же время.
На рисунке приведены два источника света. В черных точках волны встречаются и, в зависимости от источника света, влияют друг на друга. Приведем аналогию с обычными водяными волнами. Если волны создаются одинаковыми источниками, то к некоторой точке они будут подходить с одинаковыми гребнями. Из-за этого этот гребень будет увеличиваться. Для света все работает аналогично. Если источники света одинаковы, то в черных точках будут наблюдаться максимумы.
Приведем пример с двумя камнями. Представим, что мы бросаем два одинаковых камня с одинаковыми силами в один и тот же момент в воду. Тогда места падения камней в воду будут когерентными источниками.
Максимум — точка, в которой световые волны усиливают друг друга, вследствие чего образуется светлое пятно.
Если же волны встречаются в противофазе (одна волна находится на гребне, другая на впадине), то в черных точках они будут гасить друг друга. Такие точки будут называться минимумами.
Минимум — точка, в которой световые волны гасят друг друга, вследствие чего образуется темное пятно.
Допустим, есть два луча. Первый до места встречи прошел расстояние \(L1\), а второй \(L2\). В каком случае будет наблюдаться максимум? Если на разность хода \(∆ = L2 – L1\) (на рисунке она находится между двумя пунктирными линиями) приходится целое число длин волн. Если \(λ\), то обе волны на гребне — максимум. Если это будет \(2λ\), все равно тоже максимум. То есть нас устроит любое целое число, обозначим его \(k\). Получаем условие максимума \(∆ = kλ\)! При этом число k может принимать значения …. -2, -1, 0, 1, 2, …
Для минимума нужно, чтобы разность хода \(∆ = L2 – L1\) составляла \(λ/2\), либо же \(3λ/2, 5λ/2\) и так далее. Можно заметить, что это нечетное число полуволн. Именно это задается в условии минимума \(∆ = (2k + 1)/2\). Нечетное число задается с помощью выражения (2k + 1). Если подставить сюда k = …. -2, -1, 0, 1, 2, …, всегда получается нечетное число.
Дисперсия света
Как мы выяснили ранее, при переходе света из одной среды в другую, луч преломляется. Преломление луча зависит от коэффициента преломления среды. Однако мы знаем, что белый луч света состоит из множества цветов, которые вместе и образуют видимый белый свет. При этом для каждого цвета, заключенного в световом луче, коэффициент преломления среды разный. Синие цвета отклоняются больше, а красные, наоборот, — меньше. Это явление и называется дисперсией.
Дисперсия — явление зависимости показателя преломления от длины волны.
Спектр — радуга из 7 цветов.
Именно из-за такого явления, как дисперсия, мы с вами видим радугу такой, какая она есть.
| Как образуется радуга? Солнечный свет преломляется при прохождении через огромное количество капель воды и раскладывается в спектр. Именно поэтому после дождя мы видим на небе радугу. А можно ли свернуть спектр обратно в световой пучок? Да, можно. Для этого достаточно снова пропустить радугу через призму. Тогда мы вернем наш световой пучок. Таким образом, мы сможем получить световой пучок — луч белого света, который и создал радугу. |
Фактчек
- Диапазон видимого излучения составляет от 380 нм (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет).
- Интерференция — перераспределение интенсивности света из-за наложения волн от когерентных источников.
- Когерентные источники — источники, испускающей свет одной длины и частоты в одно и то же время.
- Максимум — точка, в которой световые волны усиливают друг друга, вследствие чего образуется светлое пятно.
- Минимум — точка, в которой световые волны гасят друг друга, вследствие чего образуется темное пятно.
- Дисперсия — явление зависимости показателя преломления от длины волны.
- Спектр — радуга из 7 цветов.
Проверь себя
Задание 1.
Сможет ли человек увидеть световую волну, длина которой составляет 300 нм?
- да, сможет
- нет, не сможет
- зависит от скорости фотона
- зависит от источника света
Задание 2.
Определите, что будет наблюдаться, если разность хода световых волн составляет \(15λ/2\)?
- точка минимума
- точка максимума
Задание 3.
Определите, у каких волн частота излучения выше?
- у ультрафиолетового излучения
- у инфракрасного излучения
Задание 4.
Из скольки цветов состоит спектр?
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
Ответы:1. — 2; 2. — 1; 3. — 1; 4. — 2.
