Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
* *
§ 26. Общие сведения об интерференции
1. В интерференции и дифракции проявляются волновые свойства света. После открытия этих явлений на них смотрели сначала как на доказательство исключительно волновой природы света. Такая точка зрения оказалась недостаточной. В XX веке были открыты корпускулярные свойства света, а затем волновые свойства обыкновенных частиц: электронов, протонов, нейтронов, атомов, молекул и пр. Как это ни парадоксально, природа света и вещества оказалась двойственной: корпускулярно-волновой. С открытием этого факта связан коренной пересмотр физических воззрений, приведший к тгостроению квантовой механики. От этого, однако, значение интерференционных и дифракционных явлений не уменьшилось. В наши дни интерференция и дифракция света имеют важные практические применения, например в спектроскопии и метрологии.
2. С помощью различных приспособлений, например отражений, преломлений или как-либо иначе, можно наложить один световой пучок на другой. Если выполняется принцип суперпозиции (а это предполагается всюду в настоящей главе), то каждый пучок будет проходить через область перекрытия так, как если бы другого пучка не было совсем. Пусть E1 — напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком в произвольной точке А области перекрытия, a E2 — вторым. Согласно принципу суперпозиции, результирующая напряженность поля в той же точке Л, создаваемая обоими пучками, будет представляться векторной суммой E==E1 + E2. Так же ведут себя любые скалярные или векторные волны, какова бы ни была их физическая природа. Требуется только, чтобы они подчинялись принципу суперпозиции. Однако частота световых волн совсем иного порядка, чем частота, скажем, звуковых волн или волн на поверхности воды. Это Ограничивает возможности приемников света.
Всем приемникам света присуща определенная инерционность. Ее можно характеризовать временем установления или разрешения приемника т. Так, для глаза т »0,1 с. Это есть время, в течение которого глаз сохраняет зрительное впечатление, т. е. «видит свет» даже тогда, когда излучение уже перестало в него попадать. Глаз не замечает, например, быстрых миганий света, если они следуют і 26] ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
189
друг за другом через времена, малые по сравнению с т (кино, телевидение). У фотоматериалов т (время экспозиции) обычно порядка IO"2—IO"4 с. Существуют приемники, для которых время разрешения может быть сделано гораздо меньше. В ячейках Keppa это время может быть доведено до IO"8—IO"9 с. Наиболее быстродействующие современные фотоэлектрические приемники имеют время разрешения порядка IO"10 с, но оно может быть сделано еще меньше.
Однако даже такие времена очень велики по сравнению с периодами оптических колебаний. Средний период колебаний T электромагнитного поля в оптической области спектра составляет около IO"15 с. Поэтому ни один приемник света не позволяет измерйть мгновенное значение напряженности электрического или магнитного поля в световой волне. Для этого время разрешения приемника должно было бы быть мало по сравнению с периодом световых колебаний Т. Все приемники могут измерять только величины, квадратичные по полю, усредненные за времена, не меньшие времени разрешения приемника. Сюда относятся энергетические и фотометрические величины: лучистый и световой поток, яркость, освещенность и пр.
В явлениях интерференции, дифракции и пр. представляют интерес не абсолютные, а только относительные значения этих величин. Например, нас может интересовать относительное распределение освещенности на экране, куда попадает свет. При такой постановке вопроса нет смысла точно указывать, о какой именно энергетической или фотометрической величине идет речь в том или ином конкретном случае. Заключения будут относиться к любой усредненной по времени величине, квадратичной по напряженности электрического поля. Эту нечетко определенную величину принято называть интенсивностью света или интенсивностью колебаний. Ниже она обозначается через I. За / мы будем обычно принимать усредненное по времени значение квадрата напряженности электрического поля, т. е. / = ?2.
3. Найдем теперь интенсивность света в какой-либо точке пространства, где перекрываются два пучка света. Возведя равенство E = E1 + E2 в квадрат и произведя усреднение по времени, получим
/ = /і + /« + /і2, (26.1)
где I1 — интенсивность света первого пучка, a I2 — второго. Последнее слагаемое
/12 = 2(ВД), (26.2)
учитывающее взаимодействие пучков, называется интерференционным членом. Если взять независимые источнику света, например две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, т. е. результирующая интенсивность равна сумме 190
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
ІГЛ. III
интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в нуль. Тогда говорят, что пучки не коррелированы или не когерентны между собой. Однако, если накладывающиеся пучки не независимы, например один получается отражением другого от зеркала, то в некоторых случаях интерференционный член I12 не обращается в нуль, а потому / ф I1 + I2. В одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других меньше суммы интенсивностей Z1 и I2^ Это явление называется интерференцией волн, или интерференцией колебаний. Говорят, что источники света и соответствующие им пучки, дающие интерференцию, коррелированы или когерентны между собой, т. е. колебательные и волновые процессы в них протекают во времени согласованно. Говорят также, что когерентные пучки интерферируют, а некогерентные не интерферируют между собой.
