Сегодня мы расскажем о применении интерференции в науке и повседневной жизни, раскроем физический смысл этого явления и поведаем об истории его открытия.
Определения и распределения
Прежде чем говорить о значимости того или иного феномена в природе и технике, для начала необходимо дать определение. Сегодня мы рассматриваем явление, которое школьники изучают на уроках физики. Поэтому до описания практического применения интерференции обратимся к учебнику.
Для начала необходимо отметить, что это явление относится ко всем видам волн: к тем, что возникают на поверхности воды или при исследовании. Итак, интерференция – это увеличение или урезание амплитуды двух и более когерентных волн, которое возникает, если они встречаются в одной точке пространства. Максимумы в таком случае называются пучностями, а минимумы – узлами. В этом определении фигурируют некоторые свойства колебательных процессов, которые мы раскроем чуть позже.
Картина, которая получается в результате наложения волн друг на друга (а их может быть и очень много) зависит только от разности фаз, в которой колебания приходят в одну точку пространства.
Свет – это тоже волна
К такому выводу ученые пришли уже в шестнадцатом веке. Основы оптики как науки заложил всемирно известный английский ученый Исаак Ньютон. Именно он впервые осознал, что свет состоит из неких элементов, от количества которых зависит его цвет. Ученый открыл явление дисперсии и рефракции. И он первым наблюдал интерференцию света на линзах. Ньютон изучал такие свойства лучей, как угол преломления в разных средах, двойное преломление, поляризация. Ему принадлежит заслуга первого применения интерференции волн на благо человечества. И именно Ньютон понял, что не будь свет колебанием, он бы не проявлял все эти характеристики.
Свойства света
К волновым свойствам света относятся:
Применение первое – научное
Сэр Исаак много и упорно трудился над свойствами света. Он наблюдал за тем, как именно пучок лучей ведет себя при встрече с призмой, цилиндром, пластиной и линзой из разных преломляющих прозрачных сред. Однажды Ньютон положил на стеклянную пластинку стеклянную же выпуклую линзу кривой поверхностью вниз и направил на конструкцию поток параллельных лучей. В результате из центра линзы расходились радиально яркие и темные кольца. Ученый сразу догадался, что такое явление может наблюдаться, только если в свете есть какое-то периодическое свойство, которое где-то гасит пучок, а где-то, наоборот, усиливает его. Так как расстояние между кольцами зависело от кривизны линзы, то Ньютон смог приблизительно посчитать длину волны колебания. Таким образом, английский ученый впервые нашел конкретное применение явлению интерференции.
Интерференция на щели
Дальнейшие исследования свойств света требовали постановки и проведения новых опытов. Сначала ученые научились создавать когерентные пучки из достаточно разнородных источников. Для этого поток от лампы, свечи или солнца делился на два с помощью оптических приспособлений. Например, когда луч падает на стеклянную пластинку под углом 45 градусов, то часть его преломляется и проходит дальше, а часть отражается. Если с помощью линз и призм сделать эти потоки параллельными, разность фаз в них будет постоянной. А чтобы в опытах свет не исходил веером из точечного источника, пучок делали параллельным с помощью близкофокусной линзы.
Когда ученые научились всем этим манипуляциям со светом, они стали изучать явление интерференции на разнообразных отверстиях, в том числе на узкой щели или ряде щелей.
Интерференция и дифракция
Описанный выше опыт стал возможен благодаря другому свойству света – дифракции. Преодолевая препятствие достаточно маленькое, чтобы сравниться с длиной волны, колебание способно изменить направление своего распространения. Благодаря этому после узкой щели часть пучка меняет направление распространения и взаимодействует с лучами, которые не меняли угла наклона. Поэтому применения интерференции и дифракции невозможно отделить друг от друга.
Модели и реальность
До этого момента мы пользовались моделью идеального мира, в котором все пучки света параллельны друг другу и когерентны. Также в простейшем описании интерференции подразумевается то, что всегда встречаются излучения с одинаковыми длинами волн. Но в реальности все не так: свет чаще всего белый, он состоит из всех электромагнитных колебаний, которые предоставляет Солнце. А значит, интерференция происходит по более сложным законам.
Тонкие пленки
Самый наглядный пример такого рода взаимодействия света – это падение пучка света на тонкую пленку. Когда в городской луже есть капля бензина, поверхность переливается всеми цветами радуги. И это следствие именно интерференции.
Свет падает на поверхность пленки, преломляется, падает на границу бензина и воды, отражается, и еще раз преломляется. В итоге на выходе волна встречается сама с собой. Таким образом, гасятся все волны, кроме тех, для которых выполняется одно условие: толщина пленки кратна полуцелой длине волны. Тогда на выходе колебание будет встречаться само с собой двумя максимумами. Если же толщина покрытия равна целой длине волны, тогда на выходе произойдет наложение максимума на минимум, и излучение погасит само себя.
Из этого следует, что чем толще пленка, тем больше должна быть длина волны, которая выйдет из нее без потерь. Фактически тонкая пленка способствует выделению отдельных цветов из всего спектра и может использоваться в технике.
Фотосессии и гаджеты
Как ни странно, некоторые применения интерференции знакомы всем модницам мира.
Основная работа красивой девушки-модели – хорошо выглядеть перед камерами. К фотосессии профессионалов женщин готовит целая бригада: стилист, визажист, дизайнер одежды и интерьера, редактор журнала. Надоедливые папарацци могут подстеречь модель на улице, дома, в смешной одежде и нелепой позе, а потом выставить снимки на всеобщее обозрение. Но для всех фотографов важно хорошее оборудование. Некоторые аппараты могут стоить несколько тысяч долларов. Среди основных характеристик такого оборудования обязательно будет значиться просветление оптики. И снимки с такого аппарата будут отличаться весьма высоким качеством. Соответственно, и снятая без подготовки звезда тоже будет выглядеть не так уж и непривлекательно.
Очки, микроскопы, звезды
Основа такого явления – интерференция в тонких пленках. Это интересный и распространенный феномен. И находит интерференция света применение в технике, которую некоторые держат в руках каждый день.
Человеческий глаз лучше всего воспринимает зеленый цвет. Поэтому фотографии красивых девушек не должны содержать погрешности именно в этой области спектра. Если на поверхность камеры нанести пленку с конкретной толщиной, то такое оборудование не будет иметь бликов зеленого цвета. Если внимательный читатель когда-либо замечал такие детали, то его должно было поразить наличие только красных и фиолетовых отсветов. Такая же пленка наносится на стекла очков.
Но если речь идет не о человеческом глазе, а о бесстрастном приборе? Например, микроскоп должен зарегистрировать инфракрасный спектр, а телескоп – изучить ультрафиолетовые составляющие звезд. Тогда наносится просветляющая пленка другой толщины.