Світло електромагнітна хвиля. Referat

Відповідно до хвильової теорії світло є електромагнітною хвилею.

Видиме випромінювання(видиме світло) – електромагнітне випромінювання, що безпосередньо сприймається людським оком, що характеризується довжинами хвиль в діапазоні 400 – 750 нм, що відповідає діапазону частот 0,75·10 15 – 0,4·10 15 Гц. Світлові випромінювання різних частот сприймаються людиною як різні кольори.

Інфрачервоне випромінювання– електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла (з довжиною хвилі близько 0,76 мкм) та короткохвильовим радіовипромінюванням (з довжиною хвилі 1-2 мм). Інфрачервоне випромінювання створює відчуття тепла, тому часто називають тепловим.

Ультрафіолетове випромінювання– невидиме оком електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між видимим та рентгенівським випромінюваннями в межах довжин хвиль від 400 до 10 нм.

Електромагнітні хвилі– електромагнітні коливання (електромагнітне поле), що поширюються в просторі з кінцевою швидкістю, що залежить від властивостей середовища (у вакуумі - 3∙10 8 м/с). Особливості електромагнітних хвиль, закони їх збудження та поширення описуються рівняннями Максвелла. На характер поширення електромагнітних хвиль впливає середовище, в якому вони поширюються. Електромагнітні хвилі можуть зазнавати заломлення, дисперсію, дифракцію, інтерференцію, повне внутрішнє відображення та інші явища, властиві хвилі будь-якої природи. В однорідному та ізотропному середовищі далеко від зарядів і струмів, що створюють електромагнітне поле, хвильові рівняння для електромагнітних (в т.ч. і для світлових) хвиль мають вигляд:

де і – відповідно електрична та магнітна проникності середовища, та – відповідно електрична та магнітна постійні, та – напруженості електричного та магнітного поля, - Оператор Лапласа. В ізотропному середовищі фазова швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнює Поширення плоских монохроматичних електромагнітних (світлових) хвиль описується рівняннями:

kr ; kr (6.35.2)

де і – відповідно амплітуди коливань електричного та магнітного полів, k – хвильовий вектор, r - радіус-вектор точки, – кругова частота коливань, - Початкова фаза коливань у точці з координатою r= 0. Вектори E і H коливаються у однаковій фазі. Електромагнітна (світлова) хвиля поперечна. Вектори E , H , k ортогональні один одному і утворюють праву трійку векторів. Миттєві значення і у будь-якій точці пов'язані співвідношенням Враховуючи, що фізіологічний вплив на око надає електричне поле, рівняння плоскої світлової хвилі, що розповсюджується в напрямку осі, можна записати таким чином:

Швидкість світла у вакуумі дорівнює

. (6.35.4)

Відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в середовищі називається абсолютним показником заломлення середовища:

(6.35.5)

При переході з одного середовища до іншого змінюються швидкість поширення хвилі і довжина хвилі , частота залишається незмінною. Відносним показником заломлення другого середовища щодо першого називається відношення

де і – абсолютні показники заломлення першого та другого середовища, і – швидкість світла у першому та другому середовищі відповідно.

Світло як електромагнітна хвиля

Відповідно до хвильової теорії світло є електромагнітною хвилею.

Видиме випромінювання(видиме світло) – електромагнітне випромінювання, що безпосередньо сприймається людським оком, що характеризується довжинами хвиль в діапазоні 400 – 750 нм, що відповідає діапазону частот 0,75·10 15 – 0,4·10 15 Гц. Світлові випромінювання різних частот сприймаються людиною як різні кольори.

Інфрачервоне випромінювання– електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла (з довжиною хвилі близько 0,76 мкм) та короткохвильовим радіовипромінюванням (з довжиною хвилі 1-2 мм). Інфрачервоне випромінювання створює відчуття тепла, тому часто називають тепловим.

Ультрафіолетове випромінювання– невидиме оком електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між видимим та рентгенівським випромінюваннями в межах довжин хвиль від 400 до 10 нм.

Електромагнітні хвилі– електромагнітні коливання (електромагнітне поле), що поширюються в просторі з кінцевою швидкістю, що залежить від властивостей середовища (у вакуумі - 3∙10 8 м/с). Особливості електромагнітних хвиль, закони їх збудження та поширення описуються рівняннями Максвелла. На характер поширення електромагнітних хвиль впливає середовище, в якому вони поширюються. Електромагнітні хвилі можуть зазнавати заломлення, дисперсію, дифракцію, інтерференцію, повне внутрішнє відображення та інші явища, властиві хвилі будь-якої природи. В однорідному та ізотропному середовищі далеко від зарядів і струмів, що створюють електромагнітне поле, хвильові рівняння для електромагнітних (в т.ч. і для світлових) хвиль мають вигляд:

де і – відповідно електрична та магнітна проникності середовища, та – відповідно електрична та магнітна постійні, та – напруженості електричного та магнітного поля, - Оператор Лапласа. В ізотропному середовищі фазова швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнює Поширення плоских монохроматичних електромагнітних (світлових) хвиль описується рівняннями:

kr ; kr (6.35.2)

де і – відповідно амплітуди коливань електричного та магнітного полів, k – хвильовий вектор, r - радіус-вектор точки, – кругова частота коливань, - Початкова фаза коливань у точці з координатою r= 0. Вектори E і H коливаються у однаковій фазі. Електромагнітна (світлова) хвиля поперечна. Вектори E , H , k ортогональні один одному і утворюють праву трійку векторів. Миттєві значення і у будь-якій точці пов'язані співвідношенням Враховуючи, що фізіологічний вплив на око надає електричне поле, рівняння плоскої світлової хвилі, що розповсюджується в напрямку осі, можна записати таким чином:

Швидкість світла у вакуумі дорівнює

. (6.35.4)

Відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в середовищі називається абсолютним показником заломлення середовища:

(6.35.5)

При переході з одного середовища до іншого змінюються швидкість поширення хвилі і довжина хвилі , частота залишається незмінною. Відносним показником заломлення другого середовища щодо першого називається відношення

де і – абсолютні показники заломлення першого та другого середовища, і – швидкість світла у першому та другому середовищі відповідно.

Електромагнітна (світлова) хвиля переносить енергію. Щільність енергії світлової хвилі:

(6.35.7)

Щільність потоку енергії – вектор Пойнтінга:

. (6.35.8)

У разі постійних струмів або розподілів зарядів, що повільно змінюються з часом, висновки з рівнянь Максвелла практично не відрізняються від висновків з тих рівнянь електрики та магнетизму, які існували до введення Максвеллом зсуву струму. Однак якщо струми або заряди змінюються з часом, особливо якщо вони змінюються дуже швидко, як у випадку, наприклад, двох куль, де заряд метається від кулі до кулі (фіг. 351), рівняння Максвелла допускають рішення, яких раніше не існувало.

Розглянемо магнітне поле, породжене струмом (скажімо, поточним по дроту). Тепер уявімо, що ланцюг розривається. При зменшенні струму магнітне поле, що оточує провід, теж зменшується, а отже, збуджується електричне поле (згідно із законом Фарадея, змінне магнітне поле збуджує електричне поле). Коли швидкість зміни магнітного поля знижується, електричне поле починає спадати. Відповідно до домоквелівських уявлень більше нічого не відбувається: електричне і магнітне поля зникають при обігу струму в нуль, тому що вважалося, що змінне електричне поле не справляє жодного ефекту.

Однак з теорії Максвелла випливає, що спадаюче електричне поле збуджує магнітне поле так само, як і магнітне поле, що спадає, збуджує електричне поле, і що ці поля комбінуються таким чином, що при зменшенні одного з них інше виникає

трохи далі від джерела, і в результаті весь імпульс переміщається у просторі як ціле. Якщо величина дорівнює величині Е і ці два вектори взаємно перпендикулярні, то, як випливає з рівнянь Максвелла, імпульс повинен поширюватися в просторі з певною швидкістю.

Цей імпульс має всі властивості, якими ми раніше характеризували хвильовий рух. Якщо ми маємо не один, а дуже багато імпульсів, викликаних, наприклад, коливаннями електричних зарядів між двома кулями, то з таким набором імпульсів можна пов'язати певну довжину хвилі, тобто відстань між сусідніми гребенями. Імпульси поширюються від точки до точки так само, як хвиля. І, що особливо важливо, при цьому виконується головний принцип, а саме принцип суперпозиції, оскільки електричні та магнітні поля мають адитивні властивості. Таким чином, рух електричних та магнітних імпульсів характеризується хвильовими властивостями.

Розглянемо знову планетарну систему заряджених частинок (фіг. 352). Згідно з теорією Максвелла, заряджена частка (зокрема, електрон), що рухається круговою орбітою (як і будь-яка частка, що має прискорення), збуджує електромагнітну хвилю.

Частота цієї хвилі дорівнює частоті обігу електрона орбітою. Використовуючи чисельні значення, отримані гол. 19, знаходимо

Зі співвідношення між частотою і довжиною хвилі маємо

В результаті

Допустимо, наприклад, що швидкість поширення хвилі дорівнює см/с. Тоді

Це довжина хвилі ультрафіолетового випромінювання, тобто випромінювання з більш короткою довжиною хвилі, ніж у фіолетового світла. (Мінімальна довжина хвилі видимого світла порядку див.)

Планетарна система заряджених частинок випромінює електромагнітні хвилі, т. е. втрачає енергію (хвилі несуть із собою енергію, оскільки вони здатні здійснювати роботу над зарядами, що знаходяться далеко від джерела), і тому для її стабільного існування потрібно підкачування додаткової енергії ззовні.

Коли Максвелл зрозумів, що його рівняння допускають таке рішення, він обчислив швидкість, з якою хвиля має поширюватися у просторі. Він пише:

«Швидкість поперечних хвильових коливань у нашому гіпотетичному середовищі, обчислена з електромагнітних дослідів Кольрауша і Вебера, настільки точно збігається зі швидкістю світла, обчисленою з оптичних дослідів Фізо, що ми навряд чи можемо відмовитися від висновку, що світло складається з поперечних коливань того ж самого середовища , яка є причиною електричних та магнітних явищ» .

«Я отримав свої рівняння, живучи в провінції і не підозрюючи про близькість знайденої мною швидкості поширення магнітних ефектів до швидкості світла, тому я думаю, що у мене є всі підстави вважати магнітне і світлоносне середовища як одне і те ж середовище ...».

[Максвелла було набагато складніше отримати свій знаменитий результат, ніж це міг нам здатися. Ми ввели для зручності букву с, що позначає швидкість світла, щоб зв'язати зміни магнітного поля з збуджуваним ним електричним полем, замінивши довільне число величиною Потім ми використовували цю ж величину з для опису зв'язку між магнітним полем і збуджуючими його струмами і змінними електричними полями. Відповідно до закону Ампера, виміряна циркуляція магнітного поля має бути пропорційною виміряному значенню струму, що протікає через поверхню. Виявилося, наприклад, що

де число в системі СГС взято з дійсних вимірювань магнітного поля та струму, що протікає через поверхню. Коли Максвелл розглянув ці рівняння разом і знайшов рішення, що відповідає поширенню імпульсу електромагнітного випромінювання,

він отримав із цих виміряних чисел інше число, яке давало швидкість поширення цього імпульсу. І це число дорівнювало приблизно см/с. Але число см/с є виміряна величина швидкості світла. Тому Максвелл і ототожнив імпульс випромінювання із самим світлом. Він писав:

«...ми маємо серйозні підстави зробити висновок, що саме собою світло (включаючи променисту теплоту та інші випромінювання) є електромагнітним обуренням у формі хвиль, що поширюються через електромагнітне поле згідно законів електромагнетизму» .

Фіг. 353. На малюнку зображено рішення рівнянь Максвелла, що відповідає хвилі, що розповсюджується у вакуумі зі швидкістю світла. Вектори Е та В взаємно перпендикулярні та рівні за величиною. Можливі як імпульси, і періодичні рішення, відповідні хвиль заданої довжини. Вакуум є середовище без дисперсії, тобто в ньому всі періодичні хвилі поширюються з однаковими швидкостями.

Здивування було загальним, але були сумнівні. Так, в одному з листів до Максвелла говорилося:

«Збіг між швидкістю світла і обчисленою Вами швидкістю поперечних коливань у вашому середовищі виглядає чудовим результатом. Однак мені здається, що подібні результати не є бажаними, поки ви не переконаєте людей у ​​тому, що кожного разу, коли виникає електричний струм, невеликий ряд частинок протискується між двома рядами коліс, що обертаються» .

Після того, як світло було ототожнене з електромагнітною хвилею [різні кольори відповідають різним частотам (фіг. 354), або довжинам хвиль випромінювання, причому видиме світло становить лише невелику частину повного спектра електромагнітного випромінювання] і оскільки були відомі взаємодії електричних і магнітних полів з зарядженими частинками (Формула Лоренца), вперше виявилося можливим створити теорію взаємодії світла з речовиною (якщо вважати, що середовища складаються із заряджених частинок). Так, наприклад, після виходу робіт Максвелла Лоренц і Фіцджеральд, намагаючись показати подібність між поведінкою електромагнітної хвилі та поведінкою світла при його відображенні та заломленні, розрахували випадок проходження

електромагнітної хвилі через межу двох середовищ; виявилося, що поведінка цієї хвилі збігається з поведінкою світла, що спостерігається.

Навіть якби Максвелла і не вдалося ототожнити електромагнітне випромінювання зі світлом, його відкриття все одно мало б велике значення. Щоб переконатися в цьому, пригадаємо, що електричне поле може виконувати над зарядом роботу. Отже, заряд, що коливається в одній точці простору, породжує електромагнітний імпульс, який здатний поширитися на будь-яку бажану відстань від заряду, що рухається, і електричне поле якого може здійснити там роботу над іншим зарядом.

Фіг. 354. Спектр електромагнітних коливань. Рентгенівські промені, видиме світло, радіохвилі тощо — все це електромагнітні хвилі з різними довжинами хвиль. Видимий світло відрізняється від «невидимого» тільки тим, що останній не сприймається людським оком.

Небагато води витекло ще з того часу, як вперше вдалося передати по проводах електричну енергію для того, щоб виконувати роботу далеко від генераторів, що виробляють струм. Тепер Максвелл пропонував передавати на великі відстані без допомоги будь-яких проводів енергію, здатну здійснювати роботу над віддаленими зарядженими тілами. Крім того, за допомогою контрольованих змін такої електромагнітної хвилі можна передавати інформацію, яку легко розшифрувати в будь-якій віддаленій точці. Цей висновок було не мати важливих практичних наслідків.

1. Світло – електромагнітна хвиля

Електромагнітна теорія світла бере початок від робіт Максвелла. В основі електромагнітної теорії світла лежить факт збігу швидкості світла зі швидкістю поширення електромагнітних хвиль.

З теорії Максвелла випливало, що електромагнітні хвилі є поперечними. На той час понеречность світлових хвиль вже було доведено експериментально. Тому Максвелл обґрунтовано вважав поперечність електромагнітних хвиль ще одним важливим доказом справедливості електромагнітної теорії світла.

Після того, як Герц експериментально отримав електромагнітні хвилі і виміряв їх швидкість, електромагнітна теорія світла була вперше експериментально підтверджена. Було доведено, що електромагнітні хвилі при поширенні виявляють самі властивості, як і світлові: відбиток, заломлення, інтерференцію, поляризацію та інших. Наприкінці в XIX ст. було остаточно встановлено, що світлові хвилі порушуються зарядженими частинками, що рухаються в атомах.

З визнанням електромагнітної теорії світла поступово зникли усі труднощі, пов'язані з необхідністю запровадження гіпотетичного середовища - ефіру, який доводилося розглядати як тверде тіло. Світлові хвилі - це механічні хвилі в особливому всепроникаючому середовищі - ефірі, а електромагнітні хвилі. Електромагнітні процеси підпорядковуються законам механіки, а законам електромагнетизму. Ці закони і були встановлені в остаточній формі Максвелл.

В електромагнітній хвилі вектори та перпендикулярні один одному. У природному світлі коливання напруженості електричного поля та магнітної індукції відбуваються по всіх напрямках, перпендикулярних до напряму поширення хвилі. Якщо світло поляризонан, то коливання векторів і відбуваються за всіма напрямами, а двох певних площинах. Електромагнітна хвиля, зображена малюнку 7.1, є поляризованою.

Виникає природне питання: якщо йдеться про спрямування коливань у світловій хвилі, то, власне, коливання якого вектора - чи - маються на увазі? Спеціально поставлені досліди довели, що на сітківку ока чи фотоемульсію діє електричне поле.

світлової хвилі. У зв'язку з цим за напрямок коливань у світловій хвилі прийнято напрямок вектора напруженості електричного поля.

Відкриття електромагнітної теорії світла - одне з небагатьох відкриттів, зроблених на кінчику пера, тобто теоретично.

Загальне визнання електромагнітна теорія здобула, однак, лише після свого експериментального підтвердження.

2. Інтерференції механічних хвиль

Складання хвиль.Дуже часто серед одночасно поширюється кілька різних хвиль. Наприклад, коли в кімнаті розмовляє кілька людей, то звукові хвилі накладаються одна на одну. Що при цьому відбувається?

Найпростіше простежити за накладанням механічних хвиль, спостерігаючи хвилі на поверхні води. Якщо ми кинемо у воду два камені, утворивши тим самим дві кругові хвилі, то можна буде помітити, що кожна хвиля проходить крізь іншу і поводиться далі так, ніби іншої хвилі зовсім не існувало. Так само будь-яке число звукових хвиль може одночасно поширюватися в повітрі, анітрохи не заважаючи один одному. Безліч музичних інструментів в оркестрі або голосів у хорі створює звукові хвилі, що одночасно вловлюються нашим вухом. Причому вухо може відрізнити один звук від іншого.

Тепер подивимося уважніше, що відбувається у місцях, де хвилі накладаються одна на одну. Спостерігаючи хвилі на поверхні води від двох кинутих у воду каміння, можна помітити, що деякі ділянки поверхні не обурені, в інших місцях обурення посилилося. Якщо дві хвилі зустрічаються в одному місці своїми гребенями, то тут обурення поверхні води посилюється. Якщо ж, навпаки, гребінь однієї хвилі зустрічається з западиною іншої, то поверхня води не буде обурена.

Загалом у кожній точці середовища коливання, викликані двома хвилями, просто складаються. Результуюче усунення будь-якої частинки середовища

являє собою суму алгебри зсувів, які відбувалися

б при поширенні однієї з хвиль без іншої.

Інтерференція.Додавання у просторі хвиль, у якому утворюється постійне але часу розподіл амплітуд результуючих коливань частинок середовища, називається інтерференцією.

З'ясуємо, за яких умов спостерігається інтерференція хвиль. Для цього розглянемо докладніше складання хвиль, що утворюються на поверхні води.

Можна одночасно збудити дві кругові хвилі у ванні за допомогою двох птариків, укріплених на стрижні, які здійснюють гармонійні коливання (рис. 8.43). У будь-якій точці М поверхні води (рис. 8.44) будуть складатися коливання, викликані двома хвилями (від джерел O 1 і О 2). Амплітуди коливань, викликаних у точці М обома хвилями, будуть, взагалі кажучи, відрізнятися, оскільки хвилі проходять різні шляхи d 1 і d 2 . Але якщо відстань між джерелами набагато менше цих шляхів то обидві амплітуди можна вважати практично однаковими.

Результат складання хвиль, які у точку М, залежить від різниці фаз з-поміж них. Пройшовши різні відстані d 1 і d 2 хвилі мають різницю ходу d = d 2 - d 1 . Якщо різниця ходу дорівнює довжині хвилі, то друга хвиля запізнюється порівняно з першою на один період (саме за період хвиля проходить шлях, що дорівнює її довжині хвилі). Отже, у разі гребені (як і западини) обох хвиль збігаються.

Умови максимумів.На малюнку 8.45 зображено залежність від часу усунення х 1 і х 2 хвилями при d = . Різниця фаз коливань дорівнює нулю (або, що те саме, 2 так як період синуса дорівнює 2 ). В результаті складання цих коливань виникають результуючі коливання з подвоєною амплітудою. Коливання результуючого усунення х малюнку

показані кольоровою штриховою лінією.

1 Від латинських слів inter - взаємно, між собою та ferio ударяю, вражаю


Те саме відбуватиметься, якщо на відрізку d укладається не одна, а будь-яке ціле число довжин хвиль.

Амплітуда коливань частинок середовища в даній точці максимальна, якщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює цілій кількості довжин хвиль:

де k = 0, 1, 2, ....

Умови мінімумів.Нехай тепер на відрізку Ad укладається половина довжини хвилі. Очевидно, що при цьому друга хвиля відстає від першої на половину періоду. Різниця фаз виявляється рівною л, тобто коливання відбуватимуться у протифазі. В результаті складання цих коливань амплітуда результуючих коливань дорівнює нулю, тобто в точці коливань, що розглядається, немає (рис. 8.46). Те саме відбудеться, якщо на відрізку укладається будь-яке непарне число напівхвиль.

Амплітуда коливань частинок середовища в даній точці мінімальна, якщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює непарному числу напівхвиль:

Якщо різниця ходу d 2 - d 1 приймає проміжне значення між тим, і амплітуда результуючих коливань приймає деяке проміжне значення між подвійною амплітудою і нулем. Але важливо те, що амплітуда коливань у будь-якій точці не змінюється з часом. На поверхні води виникає певний, незмінний у часі розподіл амплітуд коливань, який називають інтерференційною картиною. На малюнку 8.47 показано фотографію інтерференційної картини для двох кругових хвиль від двох джерел (чорні кружки). Білі ділянки у середній частині фотографії відповідають максимумам коливань, а темні – мінімумам.

Когерентні хвилі.Для утворення стійкої інтерференційної картини необхідно, щоб джерела хвиль мали однакову частоту і різниця фаз їх коливань була постійною.

Джерела, що відповідають цим двом умовам, називаються когерентними 1 . Когерентними називають і створені хвилями. Тільки при складанні когерентних хвиль утворюється стійка інтерференційна картина.

Якщо ж різниця фаз коливань джерел не залишається постійною, то в будь-якій точці середовища різниця фаз коливань, що збуджуються двома хвилями, змінюватиметься з часом. Тому амплітуда результуючих коливань з часом безперервно змінюватиметься. В результаті максимуми і мінімуми переміщуються в просторі, і інтерференційна картина розмивається.

Розподіл енергії при інтерференції.Хвилі несуть енергію. Що ж із цією енергією відбувається при гасінні хвиль один одному? Можливо, вона перетворюється на інші форми, й у мінімумах інтерференційної картини виділяється тепло? Нічого подібного!

Наявність мінімуму у цій точці інтерференційної картини означає, що енергія сюди не надходить зовсім. Внаслідок інтерференції

відбувається перерозподілення енергії в просторі. Вона не розподіляється поступово по всіх частках середовища, а концентрується в максимумах за рахунок того, що в мінімуми не надходить зовсім.

1 Від латинського слова cohaereus - волимозв'язаний.

Виявлення інтерференційної картини доводить, що ми спостерігаємо хвильовий процес. Хвилі можуть гасити один одного, а частинки, що стикаються, ніколи не знищують один одного цілком. Інтерферують лише когерентні (узгоджені) хвилі.

Юнг Томас (1773-1829) -англійський вчений з надзвичайною широтою наукових інтересів та багатогранністю обдарувань. Одночасно відомий лікар і фізик із величезною інтуїцією, астроном та механік, металург та єгиптолог, фізіолог та поліглот, талановитий музикант і навіть здібний гімнаст. Головними його заслугами є відкриття інтерференції світла (ввів у фізику термін «інтерференція») та пояснення явища дифракції на основі хвильової теорії. Першим виміряв довжину світлової хвилі.

Жодної стійкої картини з певним розподілом максимумів і мінімумів освіження в просторі не спостерігається.

Інтерференція у тонких плівках.Проте інтеференцію світла вдається спостерігати. Хоча її й спостерігали дуже давно, але тільки не надавали цьому значення.

Ви теж багато разів бачили інтерференційну картину, коли в дитинстві розважалися пусканням мильних бульбашок або спостерігали за райдужним переливом квітів такої плівки гасу або нафти на поверхні води.

«Мильна бульбашка, кручена у повітрі... запалюється всіма відтінками кольорів, властивими навколишнім предметам. Мильна бульбашка, мабуть, найвишуканіше диво природи» (Марк Твен). Саме інтерференція світла робить мильний міхур настільки гідним замилування.

Англійський вчений Томас Юнг першим дійшов геніальної думки про можливість пояснення кольорів тонких плівок додаванням хвиль 1 і 2 (рис. 8.48), одна на яких (1) відбивається від зовнішньої поверхні плівки, а інша (2) - від внутрішньої. У цьому відбувається інтеференція світлових хвиль - складання двох хвиль, внаслідок якого спостерігається стійка у часі картина посилення чи ослаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору. Результат інтерференції (посилення чи ослаблення результуючих коливань) залежить від кута падіння світла плівку, її товщини і довжини хвилі світла. Посилення світла відбудеться у тому випадку, якщо заломлена хвиля 2 відстане від відбитої хвилі 1 ціле число довжин хвиль. Якщо ж друга хвиля відстане від першої половину довжини хвилі чи непарне число напівхвиль, то станеться ослаблення світла.
1 Виняток становлять квантові джерела світла, лазери, створені 1960 р.

Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої і внутрішньої поверхонь плівки, виникає тому, що є частинами однієї й тієї ж світлового пучка. Цуг хвиль від кожного випромінюючого атома розділяється плівкою на два цуги, а потім ці частини зводяться разом та інтерферують.

Юнг зрозумів також, що різницю у кольорі пов'язані з різницею у довжині хвилі (чи частоті світлових хвиль). Світловим пучкам різного кольору відповідають хвилі з різною довжиною хвилі. Для взаємного посилення хвиль, що відрізняються один від одного довжиною хвилі (кути

падіння передбачаються однаковими), потрібна різна товщина плівки. Отже, якщо плівка має неоднакову товщину, то при освітленні її білим світлом мають з'явитися різні кольори.

Кільця Ньютона.Проста інтерференційна картина виникає в тонкому прошарку повітря між скляною пластиною і покладеною на неї плоскопуклою лінзою, сферична поверхня якої має великий радіус кривизни. Ця інтерференційна картина має вигляд концентричних кілець, що отримали назву кілець Ньютона.

Візьміть плоскопуклу лінзу з малою кривизною сферичної поверхні і покладіть її опуклістю вниз на скляну пластину.

Уважно розглядаючи плоску поверхню лінзи (краще через лупу), ви виявите в місці зіткнення лінзи та пластини темну пляму і навколо неї сукупність маленьких райдужних кілець (див. рис. III, 1 на кольоровому вклейці). Це і є кільця Ньютона. Ньютон спостерігав і досліджував їх у білому світлі, а й за висвітленні лінзи одноколірним (монохроматичним) пучком. Виявилося, що радіуси кілець того самого порядкового номера збільшуються під час переходу від фполетового кінця спектру до червоного; червоні кільця мають максимальний радіус. Відстані між сусідніми кільцями зменшуються зі збільшенням їх радіусів (див. рис. III, 2, 3 на кольоровому вклейці).

Задовільно пояснити, чому виникають обручки, Ньютон не зміг. Це вдалося Юнгу. Простежимо за перебігом його міркувань. У основі лежить припущення у тому, що світло - це хвилі. Розглянемо випадок, коли хвиля певної довжини хвилі падає майже перпендикулярно на плоскопуклу лінзу (рис. 8.49). Хвиля 1 з'являється в результаті відбиття від опуклої поверхні лінзи на межі середовищ скло - повітря, а хвиля 2 - в результаті відбиття від пластини на межі середовищ повітря - скло. Ці хвилі когерентні: вони мають однакову довжину хвилі і постійну різницю фаз, яка виникає через те, що хвиля 2 проходить більший шлях, ніж хвиля 1. Якщо друга хвиля відстає від першої на ціле число довжин хвиль, то складаючи хвилі підсилюють один одного.

Навпаки, якщо друга хвиля відстає від першої на непарне число напівхвиль, то коливання, викликані ними, відбуватимуться у протилежних фазах, і хвилі погасять один одного.

Якщо відомий радіус кривизни R опуклої поверхні лінзи, то можна вирахувати, на яких відстанях від точки дотику лінзи зі скляною пластиною різниці ходу такі, що волини певної довжини хвилі гасять один одного. Ці відстані є радіусами темних кілець Ньютона. Адже лінії постійної товщини повітряної

прошарки є кола. Вимірявши радіуси кілець, можна визначити довжини хвиль.

Довжина світлової хвилі. В результаті вимірювань було встановлено, що для червоного світла кр = 8. 10 -7 м, а для фіолетового - ф = 4. 10 7 м. Довжини хвиль, що відповідають іншим кольорам спектра, набувають проміжних значень. Для будь-якого кольору довжина світлової хвилі дуже мала. Пояснимо це простому прикладі. Уявіть собі середню морську хвилю довжиною хвилі кілька метрів, яка збільшилася настільки, що зайняла весь Атлантичний океан від берегів Америки до Європи. Довжина світлової хвилі, збільшеної в тій же пропорції, лише ненабагато перевищила б ширину цієї сторінки.

Максвелла створити електромагнітну теорію поля. Він довів, що у природі мають існувати електромагнітні хвилі. Максвелл розрахував швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі та середовищі: υ=с/ . де з - швидкість їх поширення у вакуумі, і -діелектрична і магнітна проникність середовища. Світло – це електромагнітні хвилі.

Таким чином, хвильова теорія про природу світла еволюціонувала електромагнітну теорію світла. Відповідно до цієї теорії світло – це електромагнітні хвилі певного оптичного діапазону.Оптичне випромінювання в межах довжин хвиль від 760 нм до 380 нм здатне безпосередньо викликати зорове відчуття у людському оці. Отже, воно є видимим. Оптичне випромінювання з λ > 760 нм називається інфрачервоним, а з λ< 380 нм - ультрафиолетовым.Как любые электромагнитные волны, световые волны могут быть описаны с помощью вектора напряженности Ёелектричного поля і вектор магнітної індукції магнітного поля хвилі. Але при дії світла на речовину, основне значення має електрична складова поля хвилі, що діє на електрони атомів речовини, тому світлові хвилі описуються рівнянням: E=E 0 cos(ωt-2πr/λ). Де E 0 -амплітуда напруженості честота, λ-довжина хвилі, r-відстань до джерела світла.

Швидкість світла

Швидкість світла у вакуумі - одна з найбільш важливих фізичних констант. Оскільки швидкість поширення світла дуже велика, світло витрачає помітний час лише на проходження дуже великих відстаней. Отже, визначення швидкості світла слід визначати або дуже малі проміжки часу, або астрономічні відстані. Вперше швидкість світла виміряв датський астроном Ремер в 1676 р., перше спостереження було проведено в той час коли Земля, рухаючись навколо Сонця, знаходилася ближче до Юпітера. Повторне спостереження, проведене через 6 місяців, коли Земля пішла від Юпітера приблизно на діаметр своєї орбіти, показало, що Іо спізнився з'явитися з тіні Юпітера на 22 хв. Це запізнення викликане тим, що світло витрачає 22 хв на проходження відстані приблизно дорівнює діаметру земної орбіти. Розділивши цю відстань на час запізнення, Ремер знайшов швидкість світла (215 000 км/с). Згодом було розроблено інші, більш точні методи лабораторних вимірювань швидкості світла.

У 1881 р. Майкельсон визначив швидкість світла за допомогою восьмигранної дзеркальної призми, що обертається Для своїх вимірів Майкельсон скористався двома гірськими вершинами: Антоніо і Вільсон (в Каліфорнії), відстань між якими (35,426 км) було ретельно виміряно. На вершині гори Вільсон було встановлено сильне джерело 5, світло від якого, проходячи через щілину, падало на восьмигранну дзеркальну призму А.Відбите від дзеркальної грані призми світло потрапляло на увігнуте дзеркало В,встановлений на вершині гори Антоніо. Далі світло падало на дзеркало т і, відбиваючись від нього, падав на іншу точку дзеркала В,після чого потрапляв на другу грань дзеркальної призми Аі відбивався. Відбите світло вловлювалося за допомогою зорової труби С. Світло, що вийшло зі щілини, могло потрапити в зорову трубу тільки при тій умові, якщо за час поширення світла з однієї гори на іншу і назад в розташуванні дзеркал нічого не змінилося.

Дзеркальна призма Аза допомогою мотора приводилася в обертання, причому швидкість мотора регулювалася так, щоб через зорову трубу щілину S було видно безперервно. Це могло бути лише за умови, якщо під час повороту призми на 1/8 обороту світло проходив шлях, рівний подвійному відстані між вершинами гір. Знаючи кількість обертів дзеркала в секунду і пройдений світлом шлях, Майкельсон виявив, що швидкість світла в повітрі

Швидкість світла у різних речовинах, як свідчать досліди, неоднакова. У воді, наприклад, швидкість світла близько 225 000 км/с, у склі близько 200 000 км/с.