Жарық толқындарының интерференциясы. Толқындардың дифракциясы

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 9 бет
Таңдаулыға:

Жарық толқындарының интерференциясы. Толқындардың дифракциясы.

Дифракция (лат. dіfractus - сындырылған) - механикалық, дыбыс және жарық толқындарының өздерінің толқын ұзындығымен шамалас тосқауылды орап өтуі, сондай-ақ сұйықтық пен газ молекулаларының немесе кристалл, сұйықтық, т. б. микробөлшектерінің электрондар, нейтрондар.

Жарық дифракциясы - жарық толқындарының мөлшері сол толқындардың ұзындығымен қарайлас тосқауылды (тар саңылау, жіңішке сым, т. б. ) орап өту құбылысы. Жарық дифракциясы болуы үшін, мұның үстіне, жарық түскен дененің айқын шекарасы болуы да тиіс. Дифракция жарыққа ғана тән емес, басқа да толқындық процестерде де байқалады (мысалы, [механикалық толқынмеханикалық толқындардың жолында кездескен тосқауылды орап өтуі, т. б. ) . Жарық дифракциясы кезінде жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңы, яғни геометриялық оптиканың негізгі заңдары бұзылады. Жарық толқындарының ұзындығы өте аз болғандықтан қалыпты жағдайда Жарық дифракциясы байқалмайды. Жарық дифракциясы - жарықтың толқындық қасиетін дәлелдейтін негізгі құбылыстардың бірі. Бұл құбылысты 17 ғ-да италиялық физик және астроном Ф. Гримальди (1618 - 1663) ашты, ал оны француз физигі О. Френель (1788 - 1827) түсіндірді (1812) . Френель Жарық дифракциясын екінші реттік толқындардың интерференциялану нәтижесі деп тұжырымдады. Жарық дифракциясының жуық теориясы Гюйгенс - Френель принципіне негізделген. Зоналар (аймақтар) әдісі деп аталатын бұл көрнекі әдіс бойынша толқындық бет ойша дөңгелек аймақтарға бөлінеді. Осы аймақтардан таралып бір-біріне қабаттасуы кезінде интерференцияланған элементар толқындардың амплитудалары мен фазалары есепке алынады. Нүктелік жарық көзінен шыққан жарық, күңгірт экранның кішкене дөңгелек саңылауынан немесе күңгірт дөңгелек экранның шетінен өткенде, концентрлі шеңбер тәрізді дифракциялық жолақтар пайда болды. Егер саңылаудан өткен аймақтар саны жұп болса, онда дифракциялық бейненің центрінде қараңғы дақ, ал тақ болса - жарық дақ көрінеді. Дифракциялық жолақтардың арасы жарықтың толқын ұзындығына байланысты анықталады. Жарық дифракциясының сфералық толқындар дифракциясы (Френель дифракциясы) және параллель сәулелер дифракциясы (Фраунгофер дифракциясы) деп аталатын екі түрі бар. Френель аймағының мөлшерімен шамалас сфералық толқындардың дифракциясы: (мұндағы b - саңылаудың мөлшері, - бақылау нүктесінің экраннан қашықтығы, L- толқын ұзындығы), ал параллель сәулелер дифракциясы: b шарттарын қанағаттандырады. Соңғы жағдайда саңылауға түскен параллель жарық сәулелер шоғы алшақтау бұрышымен ажырайды. Тар саңылау арқылы өткен монохромат жарықтың параллель шоғы экранға түскенде, қарқындылығы тез кемитін, алма-кезек ауыса орналасқан жарық және қараңғы жолақтар пайда болады. Егер жарық саңылау жазықтығына перпендикуляр бағытта түссе, онда экрандағы жолақтар орталық жолаққа симметриялы болып орналасады (2-сурет) . Ал экранның жарықталынуы бұрышының өзгеруіне сәйкес болып экран бетінде өзгеріп отырады: sіn l=m/b (m =1, 2, 3, . . . ) . Жарықталынудың ең үлкен шамасы m=0 және sіnL=0 (яғни $\mathrm{\Delta}$ =0) мәндерінде болады. Жарық дифракциясы нәтижесінде ұзын толқынды сәулелер көбірек, қысқа толқынды сәулелер азырақ бұрылады, яғни күрделі жарық толқын ұзындықтары бойынша жіктеледі. Басқаша айтқанда, дифракциялық спектрлер пайда болады. Кейбір спектрлік приборлардың жұмыс істеу принципі осы құбылысқа негізделген. Жарық дифракциясының көмегімен оптикалық приборлардың (телескоптардың, микроскоптардың, т. б. ) ажыратқыштық шамасы, сондай-ақ, лазер сәулесінің жинақтылығы анықталады.

Френельдің зоналық әдісі

Френель күрделi есептеп шығарудың орнына зоналар тәсiлiн қолданды. Бұл тәсiл бойынша толқындық беттi ойша деңгелек зоналарға бөлiп және олардан таралып бiр-бiрiне қосылып интенференцияланған элементар толқындардың амплитудалары мен фазаларын есептеген (130-сурет) . Мұнда жарық көзiнен жарық толқындары таралып сфералық толқындық беттер түзедi, сол беттердiң бiреуi М болсын. Ендi жарық толқынының С нуктесiндегi әсерiн анықтау үшiн Френель пiкiрi бойынша толқындық беттi бiрнеше деңгелек зоналарға бөлемiз. Ол үшiн С нүктесiн центрi етiп алып М бетке бiрнеше сфера сызамыз, сонда көршiлес сфералар радиустарының бiр-бiрiнен айырымы жарты толқын ұзындығына, яғни -ге тең болады. Егер СО ара жашықтығын әрпiмен белгiлесек, онда сфералардың радиустары мынадай болады:

. . .

Laser Interference.JPG $Two-Slit Diffraction.png$

1-сурет 2-сурет

Жарықтың интерференциясы[

Фазалар ығысуы тұрақты және жиіліктері бірдей толкындардың қосылуы жарық толқындарының өзара әрекеттесуіндегі көңіл аударатын жағдай. Мұнда кеңістіктің кейбір нүктелерінде толқындардың қабаттасуынан бір-бірін күшейтетін, ал басқа бір нүктелерінде керісінше бір-бірін әлсірететін интерференция құбылысы байқалады. Экранда күңгірт және ашық жолақтар кезектесіп орналасады. Бұл интерференция құбылысы. Жарықтың интерференциясы механикалық толқындардың интерференциясы сияқты өтеді. Жарықтың минимум (әлсіреу) және максимум (күшею) шарттары және формулаларымен анықталады. Сонымен қатар жарық толқындары интерференциясының кейбір ерекшеліктері бар. Егер екі жарық көзінен бірдей жиілікті синусоидалық жарық толқындары шығарылса, онда олар кездескен жерде интерференция көрінісі пайда болады. Бірақ осы көріністі бір-біріне қатысы жоқ бірдей жарық шығаратын екі жарық көзінен шық қан толқындар арқылы алу мүмкін емес. Жарық толқындарының интерференция құбылысы жоқ деген қорытындыға келгендей боламыз.

Интерференция құбылысын 1675 жылы Томас Юнг Ньютон, одан кейін Юнг және Френель байқаған. Мұны қалай түсіндіруге болады? Шын мәнінде, мәселе толқынның цугінде екен. Дененің әр түрлі атомдары бір-біріне байланыссыз жарық шығарады. Сондықтан олардың жиіліктерінің бірдей болуына қарамастан, әр цугтің фазасы әр түрлі. Ал бұл жарықтың фазасы ретсіз өзгеретін электромагниттік толқын екенін көрсетеді. Сонда екі толқынды бір-біріне қосқанда пайда болған қорытқы толқынның берілген нүктедегі амплитудасы да кездейсоқ түрде бір секундта миллион есе (максимум немесе минимум болып) өзгеріп отырады.

Жарық түскен бет біздің көзімізге біркелкі жарық түскен беттей болып көрінеді. Сондықтан жарық толқынының интерференциясы тек когерентті толқындар қабаттасқанда ғана пайда болады.

Егер жарық - талқындар ағыны болып табылатын болса, онда жарықтың интерференция құбылысы байқалуы тиіс. Бір-біріне тәуелсіз екі жарық көзін, мысалы, электр шамын, пайдаланып интерференциялық көріністі (жарықтаудың максимумы мен минимумының алмасып кезектксуін) шығарып алуға болмайды. Тағы бір шамды жаққанда беттің жарықталуы ғана күшейеді, бірақ жарықталудың максимумы мен минимумының кезектесуі жағдайын туғызбайды.

Не себепті бұлай болатынын және қандай жағдайларда жарықтың интерференция құбылысы байқалатынын айқындайық.

Жарық толқындарының когеренттік шарты. Мұның себебі алуан түрлі жарық әр түрлі жарық көзі шығаратын толқындардың бір-бірімен үйлеспейтіндігінде. Тұрақты интерференциялық көрініс шығарып алу үшін үйлесімді толқындар болуы қажет. Олардың толқын ұзындықтары бірдей және кеңістіктің кез келген нүктесіндегі фазалар айырымы тұрақты болуы қажет. Толқын ұзындықтары бірдей және фазалар айырымы тұрақты болып келетін мұндай үйлесімді толқындарды когерентті толқындар деп аталады. Екі жарық көзінен ұзындықтары бірдей дкрлік жарық толқындарын шығарып алу қиын емес. Ол үшін толқын ұзындықтарын аса қысқа интервалмен жіберіп тұратын жақсы жарық сүзгісін пайдалану әбден жеткілікті. Алайда бір-біріне тәуелсіз екі жарық көзінен шыққан жарық толқындарының фазалар айырымының тұрақты болуын жүзеге асыру мүмкін емес. Жарық көзі атомдары жарықты бір-біріне тәуелсіз ұзындығы бір метрдей синус-ойдалық толқындардың жеке-жеке «үзіктері» (цугалар) түрінде шығарып таратады. Екі көзден шыққан толқындардың үзіктері бірінің үстіне бірі келіп түседі. Осының нәтижесінде кеңістің кез келген нүктесіндегі тербелістер амплетудасы уақыт өтумен, дәл осы мезетте әр түрлі жарық көзінен шыққан толқындардың үзіктері бір-біріне қатысты фаза бойынша қалай ығысқанына байланысты құбылып, өзгеріп отырады. әр түрлі жарық көзінен шыққан толқындар, олардың фазалар айырымы тұрақты болып қалмайтын себепті, когерентті емес. Жарықталудың максимумдары мен минимумдары айқын бөлістеріндей орнықты көрініс кеңістікте байқалмайды.

Жұқа қабықшалардағы интерференция

Осыған қарамастан интерференцияны бақылауға болады. Жарық интерференциясын тіпті ертеде бақылаған, бірақ оған ешбір мән берілмеген.

Бала кездерінен сабын көпіршіктерін ұшырып ойнағанда, сондай-ақ керосиннің не мұнайдың су бетінде қалқыған жұқа қабықшасының кемпірқосақ түсті болып құбылғанын байқағанда интерференциялық көріністірді талай рет көрдіңдер. «Ауада шарқ ұрған сабын көпіршігі, айналадағы түрлі нәрселердің барлық түстерімен боялып құбылады. Сабын көпіршіктері табиғаттың ең бір керемет тамаша нәрсесі» (Марк Твен) . Сабын көпіршігін осындай тең қаларлық етіп отырған осы жарық интерференциясы.

Ағылшын ғалымы Томас Юнг тұңғыш рет, біреуі жұқа қабықшасының сыртқы бетінен, екінші ішкі бетінен шағылған 1 мин 2 толқындарды қосу арқылы, оның түстерін түсіндіру мүмкіндігі жөнінде данышпан ойға келді. Осы толқындардың біріншісі қабықшаның сыртқы бетінен, ал екіншісі ішкі бетінен шағылады. Сонда жарық толқындарының интерференциясы - екі толқынның қосылуыпайда балалы. Соның салдарынан кеңістіктің әр түрлі нүктесінде қорытқы жарық тербелістерінің күшеюінің не бәсеңдеуініңуақыт жөнінен орнықты көрінісі байқалады. Интерференция нәтижесі жарықтың қабықшаға түсу бұрышына, қабықшаның қалыңдығына және толқынның ұзындығына тәуелді. Егер сынған екінші толқын бірінші толқыннан толқындар ұзындығының бүтін санына қалып қойса, ондай жағдайда жарық күшейеді. Егер екінші толқын біріншіден толқындар ұзындығының жартысына немесе жарты толқынның тақ санына қалып қойса, онда жарық бәсеңдейді.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.