Абстрактна дисперсия на светлината 3
Както вече споменахме, светлината, преминаваща през тристенна призма, се пречупва и при излизане от призмата се отклонява от първоначалната си посока към основата на призмата. Големината на отклонението на лъча зависи от индекса на пречупване на веществото на призмата и, както показват експериментите, индексът на пречупване зависи от честотата на светлината. Зависимостта на коефициента на пречупване на веществото от честотата (дължината на вълната) на светлината се нарича дисперсия Много лесно е да се наблюдава явлението дисперсия, когато бялата светлина се пропуска през призма (фиг. 102). При излизане от призмата бялата светлина се разлага на седем цвята: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго, виолетово. Най-малко се отклонява червената светлина, най-много виолетовата. Това предполага, че стъклото има най-висок индекс на пречупване за виолетова светлина и най-нисък за червена светлина. Светлината с различни дължини на вълната се разпространява в среда с различни скорости: виолетова с най-ниска, червена с най-висока, тъй като n= c/v,
В резултат на преминаването на светлината през прозрачна призма се получава подредено подреждане на монохроматични електромагнитни вълни от оптичния диапазон - спектър.
Всички спектри са разделени на емисионни спектри и спектри на абсорбция. Спектърът на излъчване се създава от светещи тела. Ако студен, неизлъчващ газ се постави на пътя на падащите върху призмата лъчи, тогава се появяват тъмни линии на фона на непрекъснатия спектър на източника.
В този случай получаваме абсорбционния спектър на газа. Немският физик Г. Кирхоф (1824-1887) открива закона, според който спектралният състав на светлината, излъчвана от тела в горещо състояние, се абсорбира от тях в студено състояние (атомите на даден елемент поглъщат тези дължини на вълните, които излъчват при висока температура).
Емисионните спектри са разделенив плътни, подплатени и райета. Непрекъснат спектър се дава от нажежени твърди тела и течности. Линейният спектър е колекция от определени спектрални линии (на черен фон). Такъв спектър се произвежда от възбудени газове в атомно състояние. Изолираните атоми на даден химичен елемент излъчват строго определени дължини на вълните. Раираният спектър представлява отделни спектрални ленти, разделени от тъмни празнини. За разлика от линейните спектри, ивичните спектри се произвеждат не от атоми, а от молекули, които не са свързани или са слабо свързани помежду си.
Дифракция на светлината - отклонението на светлинните вълни от праволинейно разпространение, закръгляването на срещаните препятствия.
Качествено явлението дифракция се обяснява на базата на принципа на Хюйгенс-Френел. Вълновата повърхност във всеки един момент не е просто обвивка от вторични вълни, а резултат от интерференция.
На фиг. 105 показва плоска светлинна вълна, падаща върху непрозрачен екран с дупка. Зад екрана фронтът на получената вълна (обвивката на всички вторични вълни) се огъва, в резултат на което светлината се отклонява от първоначалната посока и навлиза в областта на геометричната сянка.
Законите на геометричната оптика се изпълняват достатъчно точно само ако размерите на препятствията по пътя на разпространение на светлината са много по-големи от дължината на вълната на светлинната вълна:
Дифракция възниква, когато размерите на препятствията са съизмерими с дължината на вълната: L
L. Дифракционната картина, получена на екран, разположен зад различни препятствия, е резултат от интерференция: редуване на светли и тъмни ленти (за монохроматична светлина) и многоцветни ленти (за бяла светлина). Дифракционната решетка е оптично устройство, което представляваколекция от голям брой много тесни прорези, разделени от непрозрачни празнини. Броят на ударите в добрите дифракционни решетки достига няколко хиляди на 1 mm.
Ако ширината на прозрачния прорез (или отразяващите ивици) е a, а ширината на непрозрачните празнини (или светлоразсейващите ивици) е b, тогава стойността d = a + b се нарича период на решетка.
Нека върху решетката падне плоска монохроматична вълна с дължина А (фиг. 106.). Вторичните вълни зад дифракционна решетка се разпространяват във всички посоки. Нека намерим условието, при което вторичните вълни се усилват взаимно.
Помислете за вълни, движещи се под ъгъл (p. Разликата в пътя между вълните от ръбовете на съседните слотове е равна на дължината на сегмента AC. В триъгълника DIA катетите AC = AB sin f = d sin f. Максимумът ще се наблюдава, ако AC = kL, т.е.
Когато това условие е изпълнено, вълните, идващи от всички останали точки на слотовете, се усилват взаимно.
За да се наблюдава дифракционната картина, събирателна леща се поставя зад решетката с екран във фокуса. Лещата фокусира успоредни лъчи в една точка. В този момент се получава добавянето на вълни и взаимното им усилване.
При осветяване на решетката с монохроматична светлина в посока φ = 0 се наблюдава максимум от нулев порядък, централен. Но от двете му страни се наблюдават максимуми от 1-ви, 2-ри и т.н.
При осветяване с бяла светлина тя се разлага на спектър: максимумите на вълните с различна дължина, с изключение на централната, се наблюдават под различни ъгли.
Дифракционната решетка се използва широко за измерване на дължини на светлинните вълни, за анализ на спектралния състав на сложно излъчване, като сензори за линейно изместване и др. Поляризация на светлината
Феноменът интерференция, дифракция и дисперсия предполага товасветлината е вълна. Но ние знаем два вида механични вълни: напречни и надлъжни. Какви са свойствата на светлинната вълна? Юнг и Френел вярваха, че светлинните вълни са надлъжни. Експерименталните факти обаче, които не могат да бъдат обяснени от концепцията, че светлината е надлъжна вълна, показват обратното.
Един от тези експериментални факти, които не могат да бъдат обяснени със свойствата на надлъжната вълна, е експериментът с турмалинови плочи (фиг. 107).
Нека вземем две правоъгълни пластини от турмалин, изрязани така, че едната страна на правоъгълника да съвпада с посоката на оптичната ос на кристала, и да ги насложим така, че осите им да съвпадат по посока. Нека прекараме тесен лъч светлина от фенер през сгъната двойка чинии. Нека започнем да въртим една от плочите около гредата, оставяйки другата неподвижна. Ще открием, че следата от лъча отслабва и когато плочата се завърти на 90%, тя ще изчезне напълно. При по-нататъшно завъртане на плочата предаваният лъч ще започне да се увеличава отново и ще достигне предишния си интензитет, когато плочата се завърти на 180°.
Така при завъртане на 360° интензитетът на лъча, преминал два пъти през двете плочи, достига максимум (когато осите на плочите са успоредни). Феноменът протича по абсолютно същия начин, независимо коя от плочите е обърната и в каквато и посока.
Ако премахнем втората пластина и завъртим първата или завъртим двете пластини заедно, така че осите им да съвпаднат, тогава няма да забележим промяна в интензитета на предавания лъч. По този начин промяна в интензитета настъпва само когато светлината, преминала през една от плочите, срещне друга, чиято ос променя посоката спрямо оста на първата.
Всички наблюдавани явления могат да бъдат обяснени, ако се направят следните допускания:
Турмалинът е в състояние да предава светлинни вълни само когато те са насочени по определен начин спрямо неговата ос (например успоредно на оста);
Светлинните вибрации в лъча са насочени перпендикулярно на линията на разпространение на светлината (светлинните вълни са напречни);
В светлината на фенера (Слънцето) има напречни трептения във всяка посока и освен това в същата пропорция, така че нито една посока не е преобладаваща.
Третото предположение обяснява защо естествената светлина преминава добре през турмалина във всякаква ориентация, въпреки че турмалинът, според първото предположение, е в състояние да предава светлинни вибрации само в една посока. Това се дължи на факта, че при естествена светлина винаги ще има еднакво съотношение на вибрации, чиято посока съвпада с посоката, предавана от турмалина. Преминаването на светлината през турмалина води до факта, че от всички възможни посоки на напречни вибрации се избират само тези, които могат да бъдат предадени от турмалина. Такава светлина се нарича поляризирана. Обяснение на експеримента с турмалинови кристали: първата плоча поляризира пропуснатата светлина, оставяйки я да вибрира само в една посока. Тези вибрации могат да преминат напълно през втората турмалинова плоча само ако посоката им съвпада с посоката на вибрациите, предавани от втория турмалин, т.е., когато неговата ос е успоредна на оста на първата плоча. Ако посоката на вибрациите в поляризирана светлина е перпендикулярна на посоката на вибрациите, предавани от втория турмалин, тогава светлината ще бъде напълно блокирана. Ако посоката на вибрациите в поляризирана светлина прави остър ъгъл с посоката, предавана от турмалина, тогава вибрациите ще бъдат пропуснати само частично. Това показва опит.
Обяснете опита стурмалин, както разбрахме, е възможно само ако приемем, че светлината има свойствата на напречна вълна. С помощта на концепцията за напречните светлинни вълни много други явления, свързани с поляризацията на светлината, също са добре обяснени. Признаването на светлинните вълни като напречни е от голямо значение в теорията на светлината.
Впоследствие е установена връзка между оптичните и електромагнитните явления, която намира израз в електромагнитната теория на светлината, предложена от Максуел през 1876 г. Електромагнитната вълна е разпространението на променливо електромагнитно поле, а силите на електрическото и магнитното поле са перпендикулярни едно на друго и на линията на разпространение на вълната: електромагнитните вълни са напречни. По този начин напречността на светлинните вълни, доказана чрез експерименти върху поляризацията на светлината, естествено се обяснява от електромагнитната теория на светлината. В светлинната вълна, както във всяка електромагнитна вълна, има едновременно две взаимно перпендикулярни трептения: посоката на колебание на вектора на напрегнатост на електрическото поле и индукцията на магнитното поле. Всичко, което казваме за посоката на светлинните трептения, се отнася до посоката на трептенията на вектора на напрегнатостта на електрическото поле. Специални експерименти позволиха да се установи, че при вълна, преминала през турмалин, трептенията на вектора на напрегнатост на електрическото поле са насочени по оста на турмалина.
И така, можем да заключим: светлината има свойствата на напречна електромагнитна вълна.
Събирането на две вълни, в резултат на което се наблюдава устойчив във времето модел на усилване или отслабване на получените светлинни трептения в различни точки на пространството, се нарича интерференция (фиг. 103). Само кохерентни вълни могат да пречат - вълни, които имат същоточестота (дължина на вълната) и постоянна във времето фазова разлика. За да се получат кохерентни вълни, светлината от един източник се разделя по един или друг начин на две части с приблизително еднакъв интензитет, създава се разлика в пътя на вълната между тях и след това се събира отново. Има няколко начина за получаване на кохерентни светлинни вълни.
Нека две кохерентни вълни пристигнат в точка М, преминали геометричните пътища s1 и s2 (фиг. 104).
Ако разликата S2-S1 е равна на цяло число k от дължини на вълните A, тогава в точка M гребенът на едната вълна ще се припокрие с гребенът на другата, т.е. вълните ще се максимизират взаимно:
Интерфериращите светлинни вълни се усилват взаимно колкото е възможно повече, ако тяхната разлика в пътя е равна на цяло число дължини на вълните.
Числото k се нарича ред на максимума на смущението.
Ако delta d е равно на нечетен брой дължини на половин вълна, тогава, когато вълните се добавят, гребенът на една вълна ще се припокрие с дъното на другата, така че вълните ще се отслабват една друга възможно най-много
По този начин интерфериращите вълни ще се отслабват взаимно колкото е възможно повече, ако разликата в пътя им е равна на нечетен брой полувълни.
Практическото приложение на светлинната интерференция е разнообразно: контрол на качеството на повърхностите, създаване на светлинни филтри, антирефлексни покрития, измерване на дължината на светлинните вълни, точно измерване на разстоянието и др. Холографията се основава на явлението светлинна интерференция.