Сьогодні ми розповімо про умови максимуму і мінімуму інтерференції, розкриємо причину виникнення смуг при освітленні вузької щілини і пояснимо природу хвильових властивостей квантів світла.

Квант

Відповідь на це питання в точності змогли дати тільки дослідження початку двадцятого століття. Фізика зробила крок вперед, коли Макс Планк відкрив поняття кванта. Ця величина відноситься і до світла. І перш ніж розглядати, які умови максимуму і мінімуму при інтерференції, треба спочатку досконально зрозуміти, що таке світло.


Отже, квант – це щось єдине, неподільне. Це мінімальна частка якоїсь величини. Світло – це квант електромагнітного поля. Коли він рухається крізь простір, його властивості поміняти неможливо. Енергія, частота, амплітуда одного фотона залишаються незмінними, поки частка не зустріне яку-небудь перешкоду. При цьому пучок може відбитися, розсіятися, переломитися, повністю присвятити свій час, взаємодіяти з іншим квантом. В останньому випадку виникає інтерференція світла. Умова максимуму і мінімуму ми опишемо трохи пізніше.

Частка

З давніх часів люди вважали, що світло – це щось ефемерне, невагоме. Вогонь, землю, воду можна було «помацати», вітер залишав відчуття, але випромінювання сонця було чимось притаманним буття, воно просто існувало, і все. Але цікавість вчених рухало науку все далі, поки не стало ясно: і у світла є властивості, його можна виміряти і зареєструвати. І ось нарешті люди зрозуміли: світло можна зважити! Першим, хто зробив такого роду досліди, був російський вчений Лебедєв. Він довів, що фотони світла дійсно чинять тиск на тонку срібну пластину. А значить, вони мають імпульсом і масою. Висновок переконує вчених у тому, що світло – це потік частинок. Але скільки ж важить фотон? Відповідь на це питання допоможе нам краще пояснити умови максимуму і мінімуму інтерференції хвиль світла.

Рух

Для початку треба дещо уточнити. Фотон існує, поки рухається. Припинити переміщення в просторі він може тільки при зіткненні з перешкодою. Якщо шлях вільний, фотон може рухатися вічно, причому в буквальному сенсі слова. Наприклад, світло далеких зірок і галактик йде до нас дуже довго: тисячі, мільйони, мільярди років. Деякі з них знаходяться настільки далеко, що вони, можливо, вже не існують, а ми все ще бачимо їх випромінювання. І це демонструє, наскільки живучою і міцною є частинка – носій світла-фотон. Але це – поки він рухається. Якщо світло падає на об'єкт, наприклад, на пластиковий совок, який діти забули у дворі, то він як би розчиняється в об'ємі речовини, віддає йому свою енергію. Взагалі, ефектів, пов'язаних із взаємодією світла і речовини, дуже багато. До них відносяться фотоефект, п'єзо - і пироэффекти. Але найчастіше світло просто нагріває предмет, на який падає. Напевно кожен помічав: варто залишити на сонці книгу, освітлена її сторона тут же нагрівається. Повертаючись до теми нашої розмови, скажімо: фотон має масу, тільки поки що переміщається в просторі. Коли він зустрічає перешкоду, він перестає існувати. Маса спокою частинки світла дорівнює нулю.

Поле

Фізичні поля оточують людей: вони пронизують Землю, їх випускає Сонце і деякі планети (наприклад, Юпітер і Сатурн). Але «помацати», як-то сприйняти їх не можна. Поміряти і зафіксувати можна тільки обурення поля, яке звичайно називається коливанням. Світло – це квант електромагнітного поля. Являє собою коливання електричного і магнітного полів, скоррелированние у взаємно перпендикулярних площинах.
По суті, електрика і магнетизм мають одне джерело – заряджене тіло. Як довів своїми дослідами Ерстед, вони існують тільки разом і здатні впливати один на одного. Але історично так склалося, що по мірі їх вивчення дослідники поділяли ці поля. З висновку, що світло – це коливання поля, слідує і інший факт: він ще і хвиля. Останнє твердження допоможе нам сформулювати умови максимуму і мінімуму інтерференції трохи пізніше.

Спектр

Як ми вже говорили вище, світло являє собою коливання електромагнітного поля. Вдумливий читач зрозуміє: коливання бувають різні. Якщо порівнювати з морськими просторами, то бувають як легкі хвилі, які лагідно лижуть прибережний пісок, так і цунамі, здатні знести гори. Для розділення електромагнітних коливань існує спеціальна шкала. Вона розділяє різні діапазони і джерела. В порядку зростання енергії, яку несе фотон, електромагнітна шкала поділяється на:

радіохвилі;

інфрачервоне випромінювання;

видимий спектр;

ультрафіолетові хвилі;

рентгенівські кванти;

гамма-випромінювання.

І світлом зазвичай називають тільки ті фотони, які належать до видимого випромінювання. Іноді області інфрачервоного й ультрафіолетового спектрів, які близькі до видимих квантам, теж називають світлом. Наприклад, випромінювання ультрафіолетових ламп іноді називають «чорним світлом». Треба сказати, що видимий спектр – це дуже маленький шматочок всієї шкали. В цілому таку назву – це глибоко суб'єктивний термін. На нашій планеті є істоти, які здатні бачити або інфрачервоні, ультрафіолетові промені, але людина завжди орієнтується на себе.
Більше того, навіть ті деякі кванти електромагнітного поля, які люди здатні сприйняти, вони бачать неоднаково. У людського ока є спектральна чутливість: найкраще сприймаються зелені кванти, а червоні і фіолетові – вже з трудом. Іншими словами, люди відчувають не всі сині або жовті кванти, які об'єктивно відображає поверхню. Таким чином, світ навколо набагато яскравіше і яскравіше, чим думає людина.

Хвиля

Коливання електромагнітного поля носять упорядкований характер. Якщо вже з'явився квант, то всередині нього існує закон поширення. Найбільш наочно цей процес ілюструє графік косинуса або синуса в декартових координатах. Як і будь-яка хвиля, світло володіє наступними характеристиками:

Довжина хвилі. Це відстань між двома однаковими фазами коливання. Наприклад, між сусідніми максимумами або мінімумами. По-іншому довжину хвилі можна визначити як подвійне відстань, за яку хвиля перетне вісь X. Зазвичай ця величина позначається грецькою буквою ? (лямбда).

Частота. Це кількість коливань, які вкладуться в одну секунду. Позначається в формулах грецькою літерою ? (ню), якщо частота лінійна, ? (омега), якщо циклічна частота, і латинською літерою f якщо частота фігурує як функція.

Амплітуда. Це висота максимумів і мінімумів. В сутності, амплітуда – це сила обурення електромагнітної хвилі або напруженість електромагнітного поля.

Енергія. Довжина хвилі і частота фотона пов'язані наступним співвідношенням: чим менше довжина хвилі, тим вище частота й енергія.

Ці характеристики світла потрібні нам для виведення умови максимуму і мінімуму інтерференції.

Інтерференція

Як ми вже писали вище, хвилі світла здатні взаємодіяти з речовиною і один з одним. І який результат цієї зустрічі, залежить від різниці фаз. Якщо дві однакові хвилі зустрілися в одній точці, і їх «горби» і «балки» збіглися, то в результаті амплітуда подвоїться, і буде спостерігатись максимум інтерференції. Якщо ж так станеться, що одна хвиля прийде в найвищій точці, а інша – у найнижчій, то їх інтенсивності погасять один одного, амплітуда в результаті вийде нульовий, на картині проявиться темна смуга або точка. Це і є умови утворення максимумів і мінімумів при інтерференції.

Деякі формули

Щоб висловити вищевикладене мовою фізичних законів, нам потрібно навести кілька формул. Вийде на виході темна або світла смуга у випадку тонких плівок, залежить від товщини покриття. Для максимуму потрібно, щоб склалося полуцелое число хвиль: ? 2 = (? 1 * n 1 ) /n 2 . У цій формулі n – показники заломлення середовища плівки і повітря. У разі інтерференції паралельного пучка світла на вузькій щілині на виході вийде ряд темних і світлих смуг з кроком I = 2 ? /( k 1 x - k 2 x ). У формулі k – це хвильові вектори двох взаємодіючих світлових хвиль.