Принципи Гюйгенса-Френеля: інтерференція, дифракція, поляризація світла

Принципи Гюйгенса-Френеля: інтерференція, дифракція, поляризація світла

Принципи Гюйгенса-Френеля стали основою корпускулярно-хвильової теорії світла. На початку XIX століття християн Гюйгенс, досліджуючи світлові хвилі, припустив, що існують частинки, які є переносниками "світлової енергії". Цей процес представлявся йому як послідовна передача енергії від однієї корпускули до наступної шляхом ударіння. Вчені, які підтримували цю теорію, стверджували, що світло рухається ефірі, середовищі з особливими фізичними властивостями, що дозволяють частинкам не втрачати енергію при русі. Цей ефір пронизує весь навколишній простір, а також проходить крізь предмети, дозволяючи світловим хвилям поширюватися в усі боки.

Основи теорії

Те, на чому базувалися принципи Гюйгенса-Френеля, можна сформулювати наступним чином: поширення світла полягає в тому, що світлове збудження, що виходить від джерела світла, передається сусіднім точкам у просторі, які генерують вторинні світлові хвилі і передають їх сусіднім точкам. Поля поширення вторинних хвиль від сусідніх точок накладаються один на одного посилюючись або загасаючи. Підтвердженням цієї теорії є дифракція, інтерференція, дисперсія і відображення, які будуть детальніше розглянуті нижче.

Інтерференція

Коли дві світлові хвилі накладаються один на одного, вони можуть або виступити в ролі підсилюючого фактора, або послабити коливання один одного. Відкриття цього явища відбулося за сімнадцять років до формулювання принципу Гюйгенса, в 1801 році Томасом Юнгом, англійцем, лікарем за освітою. Вчений зауважив, що якщо на картоні проколоти два дуже маленьких отвори поруч один з одним і поставити цей екран на шляху вузькоспрямованого пучка світлових хвиль, наприклад щілини в фіранці, то на стіні позаду екрану замість очікуваних двох світлих плям буде кілька світлих і темних кілець. Для того щоб досвід був успішним, необхідна всього одна умова - світлові хвилі повинні бути узгоджені у своїх коливаннях.

Дифракція

Світлова хвиля, проходячи через аерозолі, рідини або тверді тіла, може відхилятися від прямолінійної вісі руху. Це явище називається дифракцією. Його використовують в оптичних приладах для отримання чіткого зображення навіть найменших предметів, або об 'єктів, що знаходяться на значній відстані.

Одночасно з Гюйгенсом, 1818 року, Френель зробив презентацію доповіді про дифракцію Паризькому науковому товариству. Його досвід і теоретичні викладки були схвалені, а один з членів комісії, фізик Пуассон, на основі цієї теорії зробив висновок, що якщо поставити на шляху дифракційно відхилених променів непрозору круглу перешкоду, то на екрані буде відбиватися світла пляма, а не тінь предмета. Пізніше це припущення було перевірено досвідченим шляхом фізиком Д.Ф. Араго. Дифракція світла (принцип Гюйгенса-Френеля) знайшла своє підтвердження через, здавалося б, гіпотезу, що суперечить. Хвильова теорія світла зайняла своє місце серед інших верифікованих постулатів фізики.

Дисперсія

Крім дифракції та інтерференції принципи Гюйгенса-Френеля включають в себе і явище дисперсії. По суті, це розкладання пучка світла на окремі хвилі після проходження через аерозоль, рідину або тверде тіло. Це явище було відкрито ще Ісааком Ньютоном під час дослідів з призмою. Розщеплення світла можна пояснити тим, що білий промінь складається зі світлових хвиль різної довжини. Проходячи через перешкоду, світло відбивається під різним кутом, оскільки коефіцієнт відображення знаходиться в прямій залежності від довжини хвилі. Через це хвилі однієї довжини формують окремі пучки, які ми сприймаємо в різному колірному спектрі: від червоного до фіолетового.

Поляризація

Пояснити цей фізичний принцип досить складно. Для більше наочності можна використовувати досвід проходження світла між двома призмами. Суть його полягає в тому, що якщо тверді прозорі тіла орієнтовані однаково, то світло проходить через них, не втрачаючи своєї яскравості, якщо ж поставити їх перпендикулярно один одному, то промінь не буде проходити. Це пояснюється тим, який вектор спрямованості мають світлові хвилі. Якщо він збігається з площиною, на якій розташований кристал, то ослаблення не відбувається, а якщо не збігається, то промінь світла стає менш яскравим або взагалі не проходить через предмет, зважаючи на те, що частина хвиль гаситься.

Відображення

Якщо на шляху світлової хвилі виникає тверде або рідке тіло, то вона повністю або частково відбивається він нього. Таким чином, ми можемо бачити навколишні нас предмети. Коли світлова хвиля досягає межі розділу середовищ (наприклад, газ/рідина або газ/тверде тіло), то вона повністю або частково відбивається назад. Кут, який утворює між променем світла і перпендикуляром, опушеним на поверхню (межа фаз), називається кутом падіння, а той, який знаходиться між перпендикуляром і відображеним променем - кутом відображення.

Закони відображення:

  1. Падаючий і відбитий промені і перпендикуляр існують в одній площині.
  2. Кут падіння дорівнює кутові відображення.
  3. Хід світлових променів звернемо.

Дифузне та дзеркальне відображення

Залежно від типу поверхні, від якої відображається промінь, можна виділити дзеркальне та дифузне відображення. Дзеркальним називається відображення, яке спостерігається від дуже гладкої поверхні, коли нерівності не перевищують довжину хвилі. Тоді відбитий промінь буде паралелений падаючому. Це зустрічається в дзеркалах, склах, полірованому металі. Якщо нерівності поверхні більше довжини світлової хвилі, то відображені промені спрямовані під різними кутами щодо кута падіння. Саме через це ми можемо бачити предмети, які самі не є джерелами світла. Вперше прийти до такого умовиводу допоміг принцип Гюйгенса. Закон відображення світла отримав математичне та практичне обґрунтування, спираючись на вже відомі поняття інтерференції та дифракції.

Практичне застосування

Принципи Гюйгенса-Френеля лягли в основу проектування оптичних приладів, а також стали базисом корпускулярно-хвильової теорії світла. Англієць Д.Табор, лауреат Нобелівської премії з фізики, використовуючи цей закон, винайшов голографію. Хоча практичне її втілення стало можливим тільки з впровадженням у масове користування вузькоспрямованих інтенсивних джерел світла - лазерів. По суті, голограма - це зображена на фотопластинці картина інтерференції, що утворюється світловими хвилями, які підсилюють і послаблюють один одного, відбиваючись від предмета під різними кутами.

Методика такого відображення тривимірного зображення знаходить застосування у сфері зберігання інформації, тому що на невеликій поверхні голограми розміщується більша кількість даних, ніж на мікрофотографіях. Як наочний приклад можна навести розташування енциклопедичного словника об 'ємом у тисячу триста сторінок на фотопластинці 3х3 см.

У розробці знаходяться такі прилади, як голографічний електронний мікроскоп, що дозволяє створювати тривимірні зображення найменших структурних одиниць живої матерії, а також голографічне кіно і телебачення, першими версіями якого є 3D-кіносеанси.