Практичне застосування інтерференціі світла. Кільця Ньютона

Зрозуміло з назви, що вперше в такому вигляді інтерференцію світла спостерігав І. Ньютон. Цей дослід можна використовувати для визначення радіусів кривини лінз, довжин хвиль світла, показників заломлення рідин. На рисунку подано схему досліду. На плоско-паралельній скляній пластинці опуклим боком лежить плоско-опукла лінза великого радіуса кривини R i дотикається до неї в точці О. Ha плоску поверхню лінзи нормально падає паралельний пучок світла. Між лінзою і пластинкою міститься речовина, показник заломлення якої дорівнює n.

Частина цього світлового пучка відбивається від нижньої поверхні лінзи, і таким чином утворюються когерентні промені 1. Решта променів проходить через речовину і відбивається від верхньої поверхні плоско-паралельної пластинки, унаслідок чого утворюються когерентні промені 2. Ці когерентні промені накладаються безпосередню на поверхні лінзи й утворюють інтерференційну картину у вигляді концентричних кіл.

Оптична різниця ходу між променями 1 і 2 така:

.

У цьому випадку α = 0, тоді оптична різниця ходу набирає вигляду:

.

Із прямокутного трикутника (див. рисунок) визначимо відстань d

між лінзою і пластинкою, скориставшись залежністю:

= +.

Беручи до уваги, що відстань d набагато менша за радіус кривини лінзи R, після перетворень дістаємо:

.

Підставивши здобуте значення d y формулу для визначення оптичної різниці ходу, дістанемо:

.

Якщо , то спостерігається максимум інтерференції світла, тобто світле кільце, радіус якого знаходять з рівняння:

,

k = 1, 2, 3….

Якщо , то спостерігається мінімум інтерференції світла, тобто темне кільце, радіус якого знаходять з рівняння:

,

Якщо виміряти за допомогою мікроскопа радіус темного або світлого кільця Ньютона, можна визначити або радіус кривини лінзи, або довжину хвилі невідомого випромінювання, або показник заломлення невідомої речовини.

Просвітлeння оптики

Коли світло падає на поверхню лінзи або призми оптичного приладу, воно завжди частково відбивається і заломлюється. Відбиті промені утворюють відблиски, які погіршують оптичні картини. За допомогою інтерференції світла можна уникнути цієї незручності (метод відкрив видатний вчений Олександр Смакула у 1935 р – українець, виїхав до німеччини, пізніше до США) Для цього на поверхню лінзи або призми наноситься тонка прозора плівка такої товщини, щоб мінімум інтерференції у відбитому світлі досягався для світла з довжиною хвилі м - це жовто-зелена частина спектра. На рисунку нижче показано хід променів.

Когерентні промені 1 i 2 утворилися під час відбивання нормально (α=0) палаючого світла від верхньої та нижньої поверхонь плівки, товщина якої дорівнює d. Оптична різниця між когерентними променями

Згідно з поставленими умовами для відбитих променів 1 і 2 має виконуватися умова мінімуму інтерференції:

Тоді мінімальну товщину плівки можна визначити за формулою:

.

Найбільш повне взаємне послаблення відбитих від поверхонь плівки променів спостерігається, якщо інтенсивності цих променів однакові. Цього можна досягти, якщо показник заломлення плівки дорівнюватиме - показник заломлення скла.

Зауваження. Товщина плівки має бути такою, щоб виконувався мінімум інтерференції для жовто-зелених променів.

Лінзи або призми оптичних приладів, які мають таке покриття, називаються просвітленими і мають червоно-фіолетовий колір, якщо дивитися перпендикулярно до їх поверхонь.

ІНТЕРФЕРОМЕТРИ. Інтерферометр Майкельсона

Інтерферометр — прилад, в якому потік хвиль, наприклад промінь видимого світла, розділяється на два або більше когерентних пучків; ці пучки мають пройти різні оптичні шляхи, а потім знову зустрітися разом та проінтерферувати, тобто скластися з урахуванням різниці фаз хвиль, яка виникла через те, що вони пройшли різні оптичні шляхи. У багатьох конструкціях інтерферометрів розділені пучки світла зустрічаються на спеціальному екрані, на якому можна побачити темні та світлі інтерференційні смуги, кола або більш складні фігури, в залежності від типу інтерферометра та його конкретної реалізації.

Зазвичай під інтерферометром мається на увазі прилад, що працює з електромагнітними хвилями, проте концепція інтерферометру значно ширша. Існують інтерферометри для роботи з хвилями різної природи: акустичні, електронні інтерферометри тощо.

Інтерферометри використовуються в індустрії, на виробництві та у наукових дослідженнях. За допомогою інтерферометрів можна робити високоточні вимірювання довжини, контролювати якість поверхонь (зазвичай точність відповідає порядку довжини хвилі світла, що використовується в інтерферометрі), вимірювати показники заломлення прозорих середовищ. Фур’є спектрометри базуються на інтерферометрах та дозволяють вимірювати спектри електромагнітного випромінювання у широкому діапазоні: від дальнього інфрачервоного до ультрафіолету. Це у свою чергу дає можливість робити хімічних аналіз речовин, вимірювати кількість домішок, визначати діелектричну проникність матеріалів.

Інтерферометри відіграють важливу роль у фундаментальних наукових дослідженнях. Експеримент Майкельсона — Морлі з використанням інтерферометра типу Майкельсона дозволив спростувати гіпотезу про існування ефіру та сприяв становленню спеціальної теорії відносності. Інтерферометія зіграла важливу роль для експериментального підтвердження існування гравітаційних хвиль.

В 1887 году два американских физика — Альберт Майкельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.

Майкельсон и Морли использовали интерферометр  — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся когерентных луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей (запаздывании одного луча относительно другого; см. Интерференция).

Опыт Майкельсона—Морли был принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую. Итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные эксперименты подобного рода, проведенные с максимально возможной точностью, включая эксперименты с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты.) Итак: эфирного ветра, а, стало быть, и эфира не существует.

В отсутствие эфирного ветра и эфира, как такового, стал очевиден неразрешимый конфликт между классической механикой Ньютона (подразумевающей некую абсолютную систему отсчета) и уравнениями Максвелла (согласно которым скорость света имеет предельное значение, не зависящее от выбора системы отсчета), что и привело в итоге к появлению теории относительности. Опыт Майкельсона—Морли окончательно показал, что «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. И, сколько бы Эйнштейн впоследствии ни утверждал, что вообще не обращал внимания на результаты экспериментальных исследований при разработке теории относительности, сомневаться в том, что результаты опытов Майкельсона — Морли способствовали быстрому восприятию столь радикальной теории научной общественностью всерьез, вряд ли приходится.