Интерференция и дифракция света и их техническое применение

     Мы  знаем в  настоящее время, что  разным цветам соответствуют различные  длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом:

     Показатель  преломления вещества зависит от длины световой волны.

     Обычно  он увеличивается по мере уменьшения длины волны. 
 
 
 
 
 
 

     Поляризация света 

     Явления интерференции и дифракции, послужившие  для обоснования волновой природы света, не дают еще полного представления о характере световых волн. Новые черты открывает нам опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин.

     Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки  турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Так как турмалин представляет собой кристалл буро – зеленого цвета, то след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно – зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 900, он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 1800, т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет.

     Можно объяснить все наблюдающиеся  явления, если сделать следующие  выводы.

     Световые  колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

     Турмалин  способен пропускать световые колебания  только в том случае, когда они  направлены определенным образом относительно его оси.

     В свете фонаря(солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным.

     Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через  турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскостью поляризации.

     Теперь  становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно  поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично. 

     Дисперсия 

     Вопрос  о причине различной окраски  тел естественно занимал ум человека уже давно. Очень большое количество наблюдений, и чисто житейских, и  научных, было в распоряжении исследователей, но вплоть до работ Ньютона (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила полная неопределенность.

     Ньютон  поставил целый ряд опытов, показывающих, что для узкого цветного пучка, выделенного  из спектра, показатель преломления  имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким-то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.

     Таким образом, в основных опытах Ньютона  заключались два важных открытия:

     Свет  различного цвета характеризуется разными показателями преломления в данном веществе (дисперсия {Дисперсия – лат. dispersus – рассеянный, разбросанный. Наблюдавшееся Ньютоном явление следует точнее называть дисперсией показателя преломления, ибо и другие оптические величины обнаруживают зависимость от длины волны (дисперсию)}).

     Белый цвет есть совокупность простых цветов.

     Открытие  явления разложения белого света  на цвета при преломлении позволило  объяснить образование радуги и  других подобных метеорологических  явлений. Преломление света в водяных капельках или ледяных кристалликах, плавающих в атмосфере, сопровождается благодаря дисперсии в воде или льде разложением солнечного света. Рассчитывая направление преломления лучей в случае сферических водяных капель, мы получаем картину распределения цветных дуг, точно соответствующую наблюдаемым а радуге. Аналогично, рассмотрение преломления света в кристалликах льда позволяет объяснить явления кругов вокруг Солнца и Луны в морозное время года, образование так называемых ложных солнц, столбов и т. д.

     Рассматривая  двойственную природу света, следует  понимать, что эта двойственность означает одновременное наличие  у света молекулярных и волновых свойств. Так какие же свойства присущи  свету и как их отличать друг от друга? Я предлогаю следущую таблицу:

Свойства  света

     Ключевые  понятия: 

     Интерференция – физическое явление перераспределения волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн.

     Дифракция (результат интерференции) – физическое явление нарушения

     Поляризация – физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне.

     Дисперсия – зависимость показателя преломления вещества от длинны волны падающего излучения. 
 

     Заключение 

     Практическое  значение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно  велики. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без неё не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино , телевидения и т.п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы , связанные со зрением.

     Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления  теснейшим образом связаны с  явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия - теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной степени развились на почве  оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её приложениях в различных отраслях науки и техники.

Список использованной литературы 

1. А.А. Детлаф Б.М. Яворский «Курс физики»  изд. «Высшая школа» 2000 г.
2. Т.И. Трофимова «Курс физики» изд. «Высшая школа» 2001 г.
3. Электронная Книга: Сивухин Д.В.:Оптика:2002
4. http://www.oval.ru/enc/23938.html
5. Ландсберг Г.С. Оптика - М.: Наука, 1976. - 928с.
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Оптика - М.: Наука, 1980. - 751с.