Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
1 Выключэннем з’яўляюцца квантавыя крыніцы святла — лазеры, створаныя ў 1960 г.
2 Вока зводзіць разам хвалі / і 2 на сятчатцы, калі разглядаць паверхню плёнкі, г. зн. акамадзіраваць вока на яе.
132
Юнг Томас (1773—1829) — англійскі вучоны з незвычайнай шырынёй навуковых інтарэсаў і шматграннасцю талентаў. Юнг — адначасова вядомы ўрач і фізік з велізарнай інтуіцыяй, астраном і механік, металург і егіптолаг, фізіёлаг і паліглот, таленавіты музыкант і нават здольны гімнаст.
Галоўнай заслугай Юнга з'яўляецца адкрыццё інтэрферэнцыі святла (тэрмін інтэрферэнцыя належыць Юнгу) і тлумачэнне з'явы дыфракцыі на аснове хвалевай тэорыі. Юнг першым вымераў даўжыню светлавой хвалі.
ў часе карціна ўзмацнення або аслаблення рэзульціруючых светлавых ваганняў у розных пунктах прасторы. Вынік інтэрферэнцыі (узмацненне або аслабленне рэзульціруючых ваганняў) залежыць ад вугла падзення святла на плёнку, яе таўшчыні і даўжыні хвалі. Узмацненне святла адбудзецца ў тым выпадку, калі праломленая хваля 2 адстане ад адбітай хвалі 1 на цэлы лік даўжынь хваль. Калі ж другая хваля адстане ад першай на палавіну даўжыні хвалі або на няцотны лік паўхваль, то адбудзецца аслабленне святла.
Кагерэнтнасць хваль, адбітых ад вонкавай і ўнутранай паверхняў плёнкі, забяспечваецца тым, што яны з’яўляюцца часткамі аднаго і таго ж светлавога пучка. Цуг хваль ад кожнага атама, які выпраменьвае, падзяляецца плёнкай на два, а затым гэтыя часткі зводзяцца разам і інтэрферыруюць.
Юнг таксама зразумеў, што розніца ў колеры звязана з розніцай у даўжыні хвалі (або частаце светлавых хваль). Светлавым пучкам рознага колеру адпавядаюць хвалі рознай даўжыні. Для ўзаемнага ўзмацнення хваль, якія адрозніваюцца адна ад адной даўжынёй (вуглы падзення мяркуюцца аднолькавымі), патрабуецца розная таўшчыня плёнкі.. Значыць, калі плёнка мае неаднолькавую таўшчыню, то пры асвятленні яе белым святлом павінны з’явіцца розныя колеры.
Кольцы Ньютана. Простая інтэрферэнцыйная карціна ўзнікае ў тонкай праслойцы паветра паміж шкляной пласцінай і пакладзенай на яе плоскавыпуклай лінзай, мае вялікі радыус крывізны. Гэта інтэрферэнцыйная карціна мае выгляд канцэнтрычных кольцаў, якія атрымалі назву кольцаў Ньютана.
Вазьміце плоскавыпуклую лінзу з малой крывізной сферычнай паверхні і пакладзіце яе на шкляную пласціну. Уважліва разглядваючы плоскую паверхню лінзы (лепш праз лупу), вы выявіце ў месцы судакранання
сферычная паверхня якой
Рыс. 123
133
лінзы і пласціны цёмную пляму і вакол яе сукупнасць маленькіх вясёлкавых кольцаў. Адлегласці паміж суседнімі кольцамі хутка ўбываюць па меры павелічэння іх радыуса (рыс. Ill, 1 на каляровай уклейцы). Гэта і ёсць кольцы Ньютана. Ньютан назіраў і даследаваў іх не толькі ў белым святле, але і пры асвятленні лінзы аднакаляровым (монахраматычным) пучком. Аказалася, што радыусы кольцаў аднаго і таго ж парадкавага нумара павялічваюцца пры пераходзе ад фіялетавага канца спектра да чырвонага; чырвоныя кольцы маюць максімальны радыус (рыс. III, 2 і 3 на каляровай уклейцы). Усё гэта вы можаце праверыць з дапамогай самастойных назіранняў.
Здавальняюча растлумачыць, чаму ўзнікаюць кольцы, Ньютан не змог. Удалося гэта Юнгу. Прасочым за ходам яго разважанняў. У іх аснове ляжыць дапушчэнне аб тым, што святло — гэта хвалі. Разгледзім выпадак, калі хваля пэўнай даўжыні падае амаль перпендыкулярна на плоскавыпуклую лінзу (рыс. 124). Хваля / з’яўляецца ў выніку адбіцця ад выпуклай паверхні лінзы на мяжы шкло — паветра, а хваля 2 — у выніку адбіцця ад пласціны на мяжы паветра — шкло. Гэтыя хвалі кагерэнтныя: яны маюць аднолькавую даўжыню і пастаянную рознасць фаз, якая ўзнікае зза таго, што хваля 2 праходзіць большы шлях, чым хваля 1. Калі другая хваля адстане ад першай на цэлы лік даўжынь хваль, то, складаючыся, хвалі ўзмацняюць адна адну. Ваганні, якія выклікаюцца імі, адбываюцца ў адной фазе.
Наадварот, калі другая хваля адстане ад першай на няцотны лік паўхваль, то ваганні, выкліканыя імі, будуць адбывацца ў процілеглых фазах і хвалі гасяць адна адну.
Калі вядомы радыус крывізны R паверхні лінзы, то можна вылічыць, на якіх адлегласцях ад пункта судакранання лінзы са шкляной пласцінай рознасці ходу такія, што хвалі пэўнай даўжыні X гасяць адна адну. Гэтыя адлегласці і з’яўляюцца радыусамі цёмных кольцаў Ньютана. Лініі ж пастаяннай таўшчыні паветранай праслойкі з’яўляюцца акружнасцямі. Вымераўшы радыусы кольцаў, можна вылічыць даўжыні хваль.
Даўжыня светлавой хвалі. Для чырвонага колеру вымярэнні даюць Ач = 8 10—7 м, а для фіялетавага — А,ф = 4 10—7 м. Даўжыні хваль, што адпавядаюць другім колерам спектра, прымаюць прамежкавыя значэнні. Для любога колеру даўжыня светлавой хвалі вельмі малая. Уявіце сабе сярэднюю марскую хвалю даўжынёй у некалькі метраў, якая павялічылася настолькі, што заняла ўвесь Атлантычны акіян ад берагоў Амерыкі да Еўропы. Даўжыня светлавой хвалі ў тым жа павелічэнні толькі ненамнога перавышала б шырыню гэтай старонкі.
З’ява інтэрферэнцыі не толькі даказвае наяўнасць у святла хвалевых уласцівасцей, але і дазваляе вымераць даўжыню хвалі. Падобна да таго як вышыня гуку вызначаецца яго частатой, колер святла вызначаецца частатой ваганняў або даўжынёй хвалі.
134
Рыс. 125
Паза намі ў прыродзе няма ніякіх фарбаў, ёсць толькі хвалі рознай даўжыні. Вока — складаны фізічны прыбор, здольны выяўляць адрозненне ў колеры, якому адпавядае вельмі нязначнае (каля 10“6 см) адрозненне ў даўжыні светлавых хваль. Цікава, што большасць жывёл не здольны адрозніваць колеры. Яны заўсёды бачаць чорнабелую карціну. He адрозніваюць колеры таксама дальтонікі — людзі, якія маюць колеравую слепату.
Пры пераходзе святла з аднаго асяроддзя ў другое даўжыня хвалі змяняецца. Гэта можна выявіць так. Запоўнім вадой або іншай празрыстай вадкасцю з паказчыкам праламлення п паветраную праслойку паміж лінзай і пласцінай. Радыусы інтэрферэнцыйных кольцаў паменшацца.
Чаму гэта адбываецца? Мы ведаем, што пры пераходзе святла з вакууму ў якоенебудзь асяроддзе скорасць святла памяншаецца ў п разоў. Паколькі u = Xv, то пры гэтым павінна паменшыцца ў п разоў або частата, або даўжыня хвалі. Але радыусы кольцаў залежаць ад даўжыні хвалі. Значыць, калі святло ўваходзіць у асяроддзе, змяняецца ў п разоў іменна даўжыня хвалі, а не частата.
Інтэрферэнцыя электрамагнітных хваль. На доследах з генератарам ЗВЧ можна назіраць інтэрферэнцыю электрамагнітных (радыё) хваль (гл. § 35).
Генератар і прыёмнік размяшчаюць адзін супраць аднаго (рыс. 125). Затым падводзяць знізу металічную пласціну ў гарызантальным становішчы. Паступова падымаючы пласціну, выяўляюць пачарговае аслабленне і ўзмацненне гуку.
З’ява тлумачыцца наступным чынам. Частка хваль з рупара генератара непасрэдна пападае ў прыёмны рупар. Другая ж яе частка адбіваецца ад металічнай пласціны. Мяняючы размяшчэнне пласціны, мы змяняем рознасць ходу прамой і адбітай хваль. 3 прычыны гэтага хвалі або ўзмацняюць, або аслабляюць адна адну, у залежнасці ад таго, ці роўна рознасць ходу цэламу ліку даўжынь хваль або няцотнаму ліку паўхваль.
Назіранне інтэрферэнцыі святла даказвае, што святло пры распаўсюджванні выяўляе хвалевыя ўласцівасці. Інтэрферэнцыйныя доследы дазваляюць вымераць даўжыню светлавой хвалі: яна вельмі малая — ад 4 • 107 да 8 • 10”' м.
135
J 1. Як атрымліваюць кагерэнтныя светлавыя хвалі? 2. У чым складаецца з'ява інтэнферэнцыі святла? 3. 3 якой фізічнай характарыстыкай светлавых хваль звязана адрозненне ў колеры? 4. Пасля ўдару каменем па празрыстаму льду з’яўляюцца трэшчыны, якія пераліваюцца ўсімі колерамі вясёлкі. Чаму? 5. Даўжыня хвалі ў вадзе памяншаецца ў п разоў (п — паказчык праламлення вады адносна паветра). Ці азначае гэта, што ныральшчык пад вадой не можа бачыць навакольныя прадметы ў натуральным выглядзе?
§ 47. НЕКАТОРЫЯ ПРЫМЯНЕННІ ІНТЭРФЕРЭНЦЫІ
Прымяненні інтэрферэнцыі вельмі важныя і шырокія.
Існуюць спецыяльныя прыборы — інтэрферометры, дзеянне якіх заснавана на з’яве інтэрферэнцыі. Прызначэнне іх можа быць розным: дакладнае вымярэнне даўжынь светлавых хваль, вымярэнне паказчыка праламлення газаў і іншых рэчываў. Есць інтэрферометры спецыяльнага прызначэння.
Мы спынімся толькі • на двух прымяненнях інтэрферэнцыі.
Праверка якасці апрацоўкі паверхняў. 3 дапамогай інтэрферэнцыі можна ацаніць якасць апрацоўкі паверхні вырабу з дакладнасцю да І’/Ю даўжыні хвалі, г. зн. з дакладнасцю да 106 см. Для гэтага трэба стварыць тонкую клінападобную праслойку паветра паміж паверхняй узору і вельмі гладкай эталоннай пласцінай. Тады няроўнасці паверхні размерам да 10~6 см выклікаюць значныя скрыўленні інтэрферэнцыйных палос, што ўтвараюцца пры адбіцці святла ад правяраемай паверхні і ніжняй грані эталоннай пласціны.
Прасвятленне оптыкі. Аб’ектывы сучасных фотаапаратаў і кінапраектараў, перыскопы падводных лодак і розныя іншыя аптычныя прыстасаванні складаюцца з вялікай колькасці аптычнага шкла — лінз, прызм і інш. Праходзячы праз такія прыстасаванні, святло адбіваецца ад многіх паверхняў. Лік адбіваючых паверхняў у сучасных фотааб’ектывах перавышае 10, а ў перыскопах падводных лодак даходзіць да 40. Пры падзенні святла перпендыкулярна паверхні доля адбітай ад яе энергіі складае 5—9 % ад усёй энергіі. Таму праз прыбор часта праходзіць усяго 10—20 % святла, якое ў яго Паступае. У выніку гэтага асветленасць відарысу атрымліваецца малой. Акрамя таго, пагаршаецца якасць відарыса. Частка светлавога пучка пасля шматразовага адбіцця ад унутраных паверхняў усё ж праходзіць праз аптычны прыбор, але рассейваецца і ўжо не ўдзельнічае ў стварэнні выразнага відарыса. На фатаграфічных відарысах, напрыклад, па гэтай прычыне ўтвараецца «вуаль».
136
Для ўстаранення гэтых непрыемных вынікаў адбіцця святла ад паверхняў аптычнага шкла трэба паменшыць долю энергіі святла, якая адбіваецца. Відарыс, які даецца прыборам, робіцца пры гэтым ярчэйшым, «прасвятляецца». Адсюль і паходзіць тэрмін прасвятленне оптыкі.
Прасвятленне оптыкі заснавана на інтэрферэнцыі. На паверхню аптычнага шкла, напрыклад лінзы, наносяць тонкую плёнку з паказчыкам праламлення п™, меншым за паказчык праламлення шкла Пш. Для прастаты разгледзім выпадак нармальнага падзення святла на плёнку.
КНІГІ ОНЛАЙН
