- 31 октября 2025
- 7 минут
- 337
Интерференция и Дифракция
Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.
Основные свойства и параметры светового излучения
В области физической оптики под светом понимают тот участок спектра электромагнитных волн, который способен вызывать зрительные ощущения у человека. В более широком смысле, понятие "свет" охватывает весь диапазон оптического излучения, включая ультрафиолетовые и инфракрасные волны, с длинами от нанометров до долей миллиметра.
Одной из важнейших субъективных характеристик света является его цвет. Для монохроматического (одноцветного) излучения он однозначно определяется частотой волны. Для сложного света, такого как солнечный, цвет зависит от его спектрального состава — комбинации волн различных частот.
Свет способен перемещаться в вакууме, но при прохождении через материальную среду его скорость уменьшается. На границе раздела двух сред происходит изменение направления луча — преломление, а также частичное отражение. Внутри среды свет может поглощаться и рассеиваться. Оптические свойства материала описываются показателем преломления, который равен отношению скорости света в вакууме к его фазовой скорости в данной среде.
Для изотропных материалов, свойства которых одинаковы во всех направлениях, показатель преломления является скалярной величиной. В анизотропных кристаллах он становится тензором, и его значение зависит от направления распространения света и его поляризации. Явление зависимости показателя преломления от длины волны называется дисперсией. Именно благодаря дисперсии призма способна разложить пучок белого света на составляющие его цвета радуги.
Как и все электромагнитные волны, свет обладает свойством поляризации. У линейно поляризованного света колебания электрического поля происходят строго в одной плоскости. Если же вектор поля вращается, описывая эллипс, поляризация называется эллиптической. Естественный свет от большинства источников (например, от Солнца или лампы накаливания) является неполяризованным — это совокупность волн со случайной и быстро меняющейся ориентацией поляризации. Для получения поляризованного света используются специальные оптические фильтры — поляризаторы.
Некоторые вещества, называемые оптически активными, могут вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Угол этого поворота пропорционален концентрации вещества, что находит широкое применение в аналитической химии, например, в сахариметрии для определения концентрации сахара в растворе. Для количественной оценки интенсивности света используются фотометрические величины, разделяемые на энергетические (измеряются в единицах энергии или мощности, например, сила излучения) и световые (учитывают чувствительность человеческого глаза, например, световой поток).
Явление интерференции световых волн
Первые наблюдения эффектов, которые мы сегодня называем интерференцией, были сделаны Робертом Бойлем, Робертом Гуком и Франческо Гримальди. Последний из них впервые высказал мысль о связи этих явлений с волновой природой света.
Термин «интерференция» был введен Томасом Юнгом в 1801 году, который на основе принципа суперпозиции дал явлению исчерпывающее объяснение. В 1802 году Юнг провел свой знаменитый опыт с двумя щелями, ставший классической демонстрацией волновых свойств и наглядно показавший, что интерференция и дифракция света являются его неотъемлемыми атрибутами.
Интерференция представляет собой явление пространственного перераспределения энергии при сложении двух или более когерентных волн. Когерентными называются волны с одинаковой частотой и постоянной во времени разностью фаз. При их наложении в одних точках пространства происходит взаимное усиление (конструктивная интерференция), а в других — ослабление (деструктивная интерференция). Максимум интенсивности наблюдается там, где разность хода лучей кратна целому числу длин волн, а минимум — где она кратна полуцелому числу длин волн.
Дифракция как отклонение от прямолинейного распространения
Дифракцией называют совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями, в частности, огибание волнами препятствий. Эти эффекты становятся существенными, когда размеры препятствий или отверстий сравнимы с длиной световой волны. Например, любой ограниченный световой пучок по мере распространения неизбежно расширяется — это явление, известное как дифракционная расходимость, не может быть объяснено законами геометрической оптики.
Интересный пример — дифракция света на ультразвуковой волне. Если в кювете с прозрачной жидкостью возбудить стоячую ультразвуковую волну, то в ней возникнут периодические уплотнения и разрежения. Эти области будут иметь разный показатель преломления, и для проходящего света вся система будет работать как фазовая дифракционная решетка. Она не поглощает свет, а лишь изменяет фазу проходящей волны, что приводит к появлению дифракционной картины.
Классическим опытом, демонстрирующим дифракцию, является прохождение света через одиночную узкую щель. В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля, каждая точка волнового фронта, достигшего щели, становится источником вторичных сферических волн. Эти вторичные волны, распространяясь за щелью, интерферируют между собой, создавая на экране характерную картину из чередующихся светлых и темных полос. В центре наблюдается самый яркий и широкий максимум, а интенсивность боковых максимумов быстро спадает.
Именно явления интерференции и дифракции света лежат в основе принципа действия многих оптических инструментов и методов исследования, таких как дифракционные решетки в спектрометрах, интерферометры для точных измерений и голография. Они также накладывают фундаментальное ограничение на разрешающую способность любых оптических систем, будь то микроскоп, телескоп или человеческий глаз.
