Применение интерференции света

Сегодня мы расскажем об основных применениях интерференции в различных областях человеческой деятельности. Раскроем, в чем сущность этого явления и как его объяснить с точки зрения волновой теории света.

Море, ветер, свет

Этот заголовок может навеять воспоминания о хорошо проведенном летнем отпуске или каникулах. От сочетания слов так и веет соленым бризом, ярким солнцем и ощущением свободы. Но помимо природных ассоциаций, все эти явления имеют одно общее свойство: они являются колебаниями какой-то среды. Ветер в этом смысле стоит особняком. Его волны – это попеременно более разреженные и более плотные области воздуха. Такие колебания называются поперечными. Они, конечно, подчиняются колебательным законам, но все же несколько отличаются от других видов волн.

У света и поверхности воды общего больше. Такие волны представляют собой смещение среды вверх и вниз, ее плотность при этом не меняется. Хорошим модельным объектом в данном случае выступает график синуса или косинуса. Если представить, что по поверхности этих ритмических изменений движется точка, то это будет очень похоже на электромагнитную волну.

Вверх, вниз, вперед

Прежде чем рассказывать об интерференции света и ее применение в технике, сначала надо разобраться с электромагнитными волнами. Колебания электромагнитного поля и составляет сущность лучей солнца.

Свет – это поток частиц под названием «фотон». Каждый фотон представляет собой единый неделимый пакет энергии, или квант. Он движется сквозь пространство вперед, пока не встретит препятствие. И как только это произойдет, может случиться следующее:

• вещество поглотит фотон, взяв себе его энергию (явление называется поглощением);
• вещество поглотит фотон одной длины волны, а излучит немного измененный (это явление рассеяния света);
• фотон поменяет направление распространения (либо вследствие преломления, либо вследствие отражения).

Внутри пакета энергии под названием «фотон» происходит постоянное колебание электромагнитного поля. Причем для каждого кванта характерны свои особенности. Пока фотон движется, его свойства остаются неизменными.

Свойства фотонов света

Кванты электромагнитного поля – это волны. Поэтому им присущи такие свойства, как:

• длина волны (λ);
• частота (ν);
• амплитуда (А);
• поляризация (линейная, круговая, эллиптическая);
• направление распространения.

Длина волны и частота связаны соотношением λν=c, где c – скорость света в полном вакууме. То есть эти две величины обратно пропорциональны друг другу: если известна одна, то найти другую очень просто. Также верно следующее высказывание: чем выше частота и меньше длина волны фотона, тем больше энергия, переносимая частицей.

В шкале электромагнитных волн красный свет имеет более низкую частоту, чем синий. То есть красные фотоны более «холодные». При этом горячая вода обозначается в кранах красным цветом, а холодная – более высокоэнергетичным синим. Очевидно, за основу брался цвет человеческой кожи под воздействием температуры, а не электромагнитный спектр.

Встреча на электромагнитных полях

Чуть выше мы рассказывали: если фотон встречает препятствие, он растворяется в веществе, теряет свою индивидуальность. Но что будет при встрече двух фотонов в одной точке пространства?

Если бы в мире элементарных частиц существовала художественная литература, то она выглядела бы примерно так:

«В один прекрасный квантовый переход индуцированный фотон решил выйти из недр звезды и подышать свежими нейтрино. Гулял он по пространству своей галактики со скоростью света и вдруг встретил другой такой же точно фотон…»

На самом деле, что произойдет потом, зависит от фазы, в которой два кванта света встретились.

Если в одной точке сошлись два «горба», то их амплитуда сложится и в этом месте интенсивность света удвоится. Если же встретились «горб» и «ложбина», то их взаимодействие погасит свет, так как в результате выходит нулевая мощность. При другой разности фаз получатся промежуточные уровни освещения.

Интерференция и дифракция

То, что мы уже рассказали – это как бы повествование с конца. Все уже знают, что произойдет, поэтому смело лезут в сущность фотонов. А вот раньше никто и не подозревал, что свет – волна. И продолжалось так до тех пор, пока не были проведены опыты с интерференцией.

Если плоский пучок параллельных лучей направить на щель в стене, то в результате получится не ровная полоска света, а ряд белых и черных лент, расходящихся веером. Это происходит потому, что у света есть способность огибать края препятствия. И в процессе преодоления щели часть лучей поменяли направление распространения. Значит, в какой-то точке пространства они перекрестились с другими лучами, и на выходе сложились разными фазами. Именно поэтому применения интерференции и дифракции света часто совпадают.

Теоретический смысл интерференции

Разные виды отверстий дают непохожие картинки. В описанном выше опыте можно поменять ширину щели, добавить еще одну дырку, сделать ее круглой, квадратной и т. д. Итоговая картина расскажет о том, где какие волны встретились, и о том, на какой угол они отклонились от первоначального направления распространения. Определение волновых свойств света и есть первое применение интерференции в технике и природе.

Простое в сложном

Как создать ровную поверхность? Этот вопрос задавали себе еще инженеры древних фараонов. Но и сейчас это не такая простая задача. В некоторых приборах используются стеклянные пластинки. И они должны быть очень ровными. Чтобы проверить качество готового изделия, на него кладут другую такую же пластину и помещают конструкцию в поток параллельных световых лучей. Если интерференционные полосы выстроились ровными рядами – значит поверхности плоские. Если полосы где-то изгибаются или прерываются, то изделие не годится для выполнения своей задачи.

Интерферометры

Для измерения точности заданных расстояний и определения плоскостей создан прибор. Он называется «интерферометр». Принцип действия очень прост: монохроматическое излучение делится рядом оптических приспособлений на два параллельных пучка. На пути одного из них ставится измеряемый объект, второй проходит беспрепятственно. Картина минимумов и максимумов освещенности выявит неточности и определит разность хода лучей.

Цвет и свет

Но до данного момента во всех описанных выше опытах подразумевалось, что встречаются одинаковые волны. Это значит, что частота и амплитуда у них совпадают, различаются лишь фазы. Но в природе не бывает абсолютно чистого монохроматического излучения. Любой реальный источник света дает целый спектр длин волн, и амплитуды у них тоже могут быть разными. Но и при наличии естественного света происходит интерференция. Только вместо яркой и темной областей будут чередоваться разные цвета.

Бензин и природа

Применение интерференции в природе можно встретить в основном на тонких покрытиях. Наверняка каждый видел, что пленка бензина на поверхности лужи переливается радугой в солнечный день. Это следствие интерференции и дифракции белого света. Солнечные лучи содержат в себе все длины волн. Но они поступают в глаза человека хаотично, без всякого порядка. Когда на поверхности воды появляется тонкая, в несколько атомов, пленка легкого вещества, то она растекается неравномерно. Где-то высота покрытия будет больше, где-то – меньше. При этом со светом происходят следующие изменения:

• они отражаются от верхней поверхности пленки;
• они отражаются от нижней поверхности пленки;
• они встречаются на выходе из пленки.

Естественно, что при конкретной толщине покрытия для волн с разными длинами создастся непохожая картина разницы фаз. И встретятся максимумами только определенные кванты света. При этом человеческий глаз увидит волны одного цвета.

Это явление сочетает в себе отражение, интерференцию и дифракцию.

Перья, перепонки, раковины

Природа любит разнообразие. В том числе и в расцветках своих подопечных. Но сочетания пигментов ограничено, а вот пленочные переливы дают широкое поле для экспериментов. Интерференция в пленках придает цвет:

• крыльям бабочек и жуков;
• глазам пауков;
• перьям птиц;
• внутренним поверхностям раковин и жемчугу;
• чешуе некоторых змей, лягушек, ящериц;
• перепонкам семян некоторых растений.

Известен даже курьезный случай, когда один предприниматель захотел добывать изумительную синюю краску из крыльев недавно открытых тропических бабочек. Но порошок всегда оставался коричнево-серым. В итоге предприниматель разорился, но так и не понял, что крылья редких красавиц покрывали особые призмы, которые отражали только один цвет, синий. И разрушая эти хрупкие конструкции, он лишался чудесной краски.