1. Fenomenul interferenței


Proprietățile de undă ale luminii se manifestă cel mai clar în fenomenele de interferență și difracție, care sunt tipice tuturor undelor.

Interferența este fenomenul în care suprapunerea a două (sau mai multe) unde are ca rezultat o creștere a amplitudinii undei rezultate în unele zone și o scădere în altele.

luminii

Amplitudinea este mare acolo unde sosirea creastei unei unde este întotdeauna însoțită de sosirea simultană a creastei celei de-a doua unde - cele două unde se amplifică reciproc și se observă un maxim de interferență în această zonă. În alte zone, creasta unui val ajunge întotdeauna simultan cu valea celeilalte valuri, ceea ce duce la slăbirea reciprocă (stingerea) celor două valuri - există un minim de interferență.

2. Intensitatea luminii


Undele luminoase, precum undele mecanice, transportă și ele energie. Aceasta este energia câmpului electromagnetic al undei. Prin definitie intensitatea I a luminii este egală cu energia transmisă de undă pe unitate de timp printr-o zonă unitară perpendiculară pe direcția de propagare a undei. Rezultă din teoria lui Maxwell că intensitatea luminii (precum și a altor unde electromagnetice) este direct proporțională cu pătratul amplitudinii (valoarea maximă) a intensității E0 a câmpului electric al undei


Pe scurt, se va numi amplitudinea intensității E0 a câmpului electric al undelor luminoase (electromagnetice) amplitudinea undei.

3. Interferența maximă și minimă


Să treacă simultan două unde monocromatice cu aceeași frecvență v printr-un punct dat P, ale cărui intensități de câmp electric sunt direcționate în aceeași direcție și au aceleași amplitudini E01 = E02 = E0. În FIG. 4-1. se arată schimbarea câmpurilor electrice ale celor două unde în punctul P în timp.

FIG. 4-1.

Într-un caz, maximele intensității câmpului electric E1 ale primei unde apar simultan cu maximele intensității câmpului electric E2 ale celei de-a doua unde. Cele două unde se amplifică reciproc, iar intensitatea câmpului electric al undei rezultate este E = E1 + E2. Amplitudinea sa este E0 + E0 = 2E0. În acest caz, se observă o interferență maximă în punctul P: amplitudinea undei rezultate este egală cu suma amplitudinilor undelor individuale. Intensitatea luminii în punctul P este fie Imax = 4I0, unde este intensitatea fiecărei unde.

Prin urmare, în interferența maximă, intensitatea luminii nu este egală cu suma intensităților celor două unde I0 + I0 = 2I0 și este de două ori mai mare (4I0) - punctul P este luminos (Fig. 4-2, b).

FIG. 4-2. (a) Punctul P este iluminat de o singură sursă; b) Interferența maximă; c) Interferența minimă

În cel de-al doilea caz, maximele lui E1 apar simultan cu minimele lui E2. Cele două unde se sting reciproc, iar intensitatea câmpului electric al undei rezultate este E = E1 - E2 = 0. În acest caz, în punctul P există un minim de interferență: amplitudinea și intensitatea undei rezultate sunt egale cu zero - punctul P este întunecat (Fig. 4-2, c).

4. Experimentul lui Jung

Interferența luminii a fost observată pentru prima dată de fizicianul englez Thomas Jung în 1801. Un fascicul de lumină solară trece printr-un filtru de culoare pentru a emite lumină cu o anumită lungime de undă λ, care apoi luminează o fantă îngustă S0 într-un ecran opac. În spatele primului ecran se află un al doilea ecran cu două fante înguste paralele S1 și S2, situate simetric față de slotul S0. Undele luminoase care trec prin fante S1 și S2 sunt suprapuse și se observă ecranul E model de interferență - alternând dungi deschise și întunecate (Fig. 4-3).

5. Principiul Huygens

Pentru a clarifica condițiile pentru apariția maximei și minimelor de interferență în experimentul lui Jung, trebuie să știm cum se propagă undele de lumină după trecerea printr-un decalaj îngust. În 1678, fizicianul olandez Christian Huygens a propus o metodă geometrică, denumită ulterior Principiul Huygens, pentru determinarea la un moment dat a poziției frontului de undă a unei unde ușoare sau mecanice, dacă se cunoaște poziția sa într-un moment anterior.

Principiul lui Huygens afirmă:

Toate punctele unui front de undă dat pot fi considerate surse punctuale ale undelor secundare, care se propagă numai în direcția undei primare cu viteza caracteristică a undelor în mediul dat. Frontul de undă în timp este o suprafață tangentă la fronturile undelor secundare.

FIG. 4-4. ilustrează modul în care principiul lui Huygens este aplicat pentru a construi fronturi de undă pe un plan și o undă sferică. Fie t în momentul în care frontul de undă al undei plane este planul p. Fiecare punct al planului p este o sursă de unde sferice secundare. În prezent, fronturile t + Δt ale undelor secundare sunt emisfere cu raze cu Δt, unde c este viteza undelor (pentru claritatea desenului, sunt construite fronturile a doar câteva unde secundare). Suprafața care este tangentă la fronturile de undă ale undelor secundare este în acest caz planul q. Partea frontală a unei unde sferice este construită în mod similar.

6. Condiții pentru apariția interferenței maxime și minime

Să ne întoarcem la experiența lui Jung. Conform principiului lui Huygens, punctul S0 din prima fantă, la care se ajunge prin partea din față a undei care se alimentează pe fantă, devine o sursă de unde sferice secundare. Aceste unde ajung în fante în al doilea ecran și punctele S1 și S2 devin surse de noi unde secundare. Deoarece S1 și S2 sunt puncte ale aceluiași front de undă (situate pe un cerc centrat în punctul S0), ele emit la unison: de fiecare dată când un front de undă de la sursa S0 ajunge la ele, ele emit simultan fronturi ale undelor sferice secundare. Prin urmare, fronturile (crestele) undelor luminoase din sursele S1 și S2 se intersectează întotdeauna în aceleași zone, în care cele două unde se amplifică reciproc și se observă maxime de interferență. Căile care călătoresc prin unde de la cele două surse la maxima de interferență sunt fie egale, fie diferă de o lungime de undă întreagă. Se arată poziția fronturilor de undă la un moment dat în timp și liniile de-a lungul cărora se intersectează - liniile maxime de interferență. Acolo unde aceste linii intersectează ecranul E, se observă dungi strălucitoare.

Condiția pentru un maxim de interferență care trebuie respectat într-un punct dat P de pe ecran este

unde λ este lungimea de undă și m este întreg. Când această condiție este îndeplinită, în punctul P, creasta unei unde ajunge întotdeauna simultan cu creasta celeilalte unde și cele două unde se amplifică reciproc (Fig. 4-7).

Condiția minimă a interferenței este

adică diferența Δr în traseele celor două unde trebuie să fie egală cu un număr impar de jumătăți de lungime (λ/2) ale undei. Când această condiție este îndeplinită, în punctul P, creasta unei unde ajunge întotdeauna simultan cu fundul celeilalte unde și cele două valuri se sting reciproc (Fig. 4-8).