Интерференция света. Бипризма Френеля

В этой главе будут рассмотрены такие явления, которые не могут быть объяснены корпускулярной теорией света. К ним относятся интерференция, дифракция и поляризация света. Именно при изучении этих явлений Френель установил волновую природу света и показал, что световое излучение является поперечными волнами.

Поскольку интерферировать могут только волны от когерентных источников, Френель в первую очередь разработал методы получения когерентных источников света. Опыт показал, что световое излучение от двух разных источников света, даже когда они являются точной копией друг друга, не дает интерференции. Следовательно, такие источники света некогерентны. Когерентными могут быть только лучи, создаваемые одним и тем же источником света.

Для получения интерференции света нужно лучи, идущие от одного источника света по разным направлениям, наложить друг на друга с помощью какого-либо оптического устройства. Френель использовал для этого зеркала и призмы. На рис. 32.1 изображена схема устройства бипризмы Френеля для получения когерентных источников света.

Две одинаковые стеклянные призмы А и А1 с очень маленькими углами прижимаются своими узкими поверхностями и склеиваются. Если поместить с одной стороны бипризмы источник света 5, а с другой — экран Д, то на экране можно наблюдать интерференцию света. Объясняется это тем, что все лучи, которые попадают на призму А, после преломления в ней идут так, как будто бы они вышли из точки S’, являющейся мнимым изображением источника света S. Аналогично лучи после преломления в призме A1 идут так, как будто бы они вышли из точки S». Таким образом, на всей поверхности экрана Д происходит наложение когерентных лучей, как бы идущих, от двух мнимых и когерентных источников света S’ и S» (рис. 32.2).

Наиболее отчетливая картина интерференции на экране Д (рис. 32.1) получается, когда источник света S создает монохроматическое излучение, т, е. излучение с одной строго определенной частотой колебаний. Такое излучение можно получить с помощью светофильтров — специальных стекол, пропускающих свет одного цвета, точнее — одной частоты колебаний.

Если источник света S сделать в виде узкой светящейся щели, перпендикулярной плоскости рис. 32.1, то на экране Д будут видны чередующиеся темные и светлые полосы. При этом против источника света 5 на экране Д в точке О будет видна светлая полоса, так как в этом месте экрана когерентные лучи будут накладываться с одинаковыми фазами (почему?). При удалении от центральной светлой полосы О на экране разность волновых путей возрастает, и, когда она достигает λ/2, на экране по обе стороны от центральной полосы О получаются темные полосы. Когда разность волновых путей достигает λ, то на экране получается светлая полоса, и т. д. Таким образом, интерференционная картина на экране (рис. 32.2, внизу) представляет собой чередующиеся светлые и темные полосы, расстояние между которыми приближенно можно считать одинаковым.

Нетрудно сообразить, что при неизменном положении всей установки расстояние между двумя соседними светлыми (или темными) полосами должно зависеть от длины волны λ: чем меньше λ, тем на меньшем расстоянии вдоль поверхности экрана разность хода лучей изменится на целую длину волны, т. е. тем чаще должны располагаться интерференционные полосы на экране. Например, при освещении бипризмы красным светом расстояния между полосами оказываются больше, чем при освещении синим светом (рис, 32,3). Точкой О отмечена центральная светлая полоса, для которой разность волновых путей равна нулю.

Подобные опыты показывают, что каждой длине волны соответствует определенный цвет излучения, т. е. цвет определяется частотой колебаний в световом излучении. В порядке возрастания длин волн цвета монохроматических лучей располагаются следующим образом: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный.

Если бипризму освещать белым светом, то в точке О (см. рис. 32.3) получится белая полоса, а по обе стороны от нее — цветные полосы, окрашенные всеми цветами радуги. Этот опыт доказывает, что белый свет является сложным, т. е. состоит из смеси лучей всех длин волн видимого света.