Doświadczenie Younga

(1)

Fizyka ogólna 3 – fizyka falowa i optyka W. Drozdowski 1

Poglądy na naturę światła

 natura korpuskularna - światło strumieniem „małych ciałek”, tzw.

korpuskuł (pogląd popularny od czasów Newtona do początku XIX w.)

 natura falowa - światło falą elektromagnetyczną (teoria rozwijana od początku XIX w. w ślad za doświadczeniami dyfrakcyjno- interferencyjnymi Younga i Fresnela)

 dualizm korpuskularno-falowy - przejawianie przez światło natury korpuskularnej lub falowej w zależności od warunków

eksperymentalnych (aktualny pogląd, dotyczący nie tylko światła, lecz również innych obiektów mikroświata)

Poglądy na naturę światła

 ciekawostki

 w 1661 r. Grimaldi zaobserwował odchylenie biegu światła, wpuszczając wiązkę światła do zaciemnionego pokoju przez maleńki otwór kołowy i obserwując cienie przedmiotów ustawionych na jej drodze; widząc naprzemienne jasne i ciemne linie na brzegach cienia napisał: „światło rozchodzi się nie tylko prostoliniowo, przez załamanie i odbicie, lecz również w inny sposób - przez ugięcie” (nie umiał jednak wyjaśnić dostrzeżonego efektu)

 w 1690 r. Huygens ogłosił, iż światło posiada naturę falową, lecz pogląd ten szybko zapomniano

Doświadczenie Younga

 dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie

 zależność od szerokości szczeliny: im węższa szczelina, tym silniejsze ugięcie (główna cecha dyfrakcji fal)

Doświadczenie Younga

 eksperyment właściwy z dwiema szczelinami (1801 r.)

(2)

Doświadczenie Younga

 obraz interferencyjny - układ jasnych i ciemnych prążków (określanych niezbyt ściśle maksimami i minimami)

 powstawanie różnicy faz pomiędzy dwiema falami w wyniku przebycia niejednakowych dróg optycznych

Doświadczenie Younga

 różnica dróg optycznych

 jasne prążki

 ciemne prążki

Spójność światła

 zdolność światła do interferencji

 spójność czasowa - zdolność do interferencji dwóch wiązek światła wychodzących w różnych chwilach z tego samego źródła

 spójność przestrzenna - zdolność do interferencji dwóch wiązek światła wychodzących w tym samym momencie z różnych źródeł lub różnych punktów tego samego źródła rozciągłego

 przykładowe źródła światła

 spójnego: lasery

 częściowo spójnego: Słońce (spójność na bardzo niewielkim obszarze obserwacji)

 niespójnego: świeca, lampy żarowe i wyładowcze

 alternatywne określenie: koherencja

Interferencja w cienkich warstwach

 wrażenie wzrokowe obserwatora zależne od różnicy faz między światłem reprezentowanym przez promienie r₁i r₂

 fazy zgodne - obszar widziany jako jasny

 fazy przeciwne - obszar widziany jako ciemny

 konieczność uwzględnienia efektu zmiany fazy przy odbiciu

 brak zmiany fazy przy odbiciu od ośrodka rzadszego optycznie

 zmiana fazy odpowiadająca połowie długości fali przy odbiciu od ośrodka gęstszego optycznie

(3)

Interferencja w cienkich warstwach

 ciemny obszar (w przypadku n2> n₁i n₂> n₃)

 jasny obszar (j.w.)

Warstwa antyrefleksyjna

 ciemny obszar (n1< n₂< n₃)

 minimalna grubość warstwy MgF2

(λ = 550 nm)

Interferometr Michelsona

 przyrząd pozwalający na precyzyjne pomiary długości (lub zmian długości) poprzez obserwację prążków interferencyjnych

 elementy pierwowzoru autorstwa Michelsona (1881 r.)

 rozciągłe źródło światła (S)

 płytka światłodzieląca (M)

 zwierciadło nieruchome (Z1)

 zwierciadło ruchome (Z2)

 teleskop soczewkowy (T)

Interferometr Michelsona

 różnica dróg optycznych w konfiguracji startowej

 zmiany obrazu interferencyjnego w teleskopie

 odsunięcie lub zbliżenie zwierciadła Z2

o ¼ λ- przesunięcie obrazu „o pół prążka”

(zmiana miejsc ciemnych i jasnych obszarów)

 odsunięcie lub zbliżenie zwierciadła Z2

o ½ λ- przesunięcie obrazu „o cały prążek”

 wstawienie na drodze którejś wiązki przezroczystego przedmiotu - przesunięcie obrazu zależne od grubości przedmiotu

(4)

Dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie

 sposób wyznaczania położeń minimów metodą par promieni

 podział szczeliny o szerokości a na odpowiednią liczbę stref (2, 4, …)

 szkic promieni riwychodzących z najwyższych punktów poszczególnych stref

 założenie dużej odległości ekranu w stosunku do szerokości szczeliny, umożliwiające traktowanie promieni jako równoległych

 wyznaczenie różnicy dróg optycznych pomiędzy sąsiednimi promieniami

 przyrównanie znalezionej różnicy do połowy długości fali

Dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie

 pierwsze minimum

Dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie

 drugie minimum

 warunek ogólny interferencji destruktywnej

Dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie

 parametr pomocniczy α (połowa różnicy faz między skrajnymi promieniami

wychodzącymi ze szczeliny o szerokości a)

 natężenie światła na ekranie

 im szersza szczelina, tym węższe maksimum centralne

(5)

Dyfrakcja światła na dwóch szczelinach

 parametr pomocniczy β

(d - odległość między środkami szczelin)

 natężenie światła na ekranie

 czynnik dyfrakcyjny (sinα /α)²

 czynnik interferencyjny cos²β

× ××

×

↓

Dyfrakcja światła na otworze kołowym

 pierwsze minimum (d - średnica otworu)

 zdolność rozdzielcza - możliwość rozróżnienia odległych przedmiotów (np. punktowych źródeł światła)

o niedużej wzajemnej odległości kątowej Θ

 warunek rozdzielenia - kryterium Rayleigha

Siatka dyfrakcyjna

 element dyspersyjny w postaci układu wielu równoległych, wąskich szczelin odległych od siebie o określoną wartość d (tzw. stałą siatki)

 rodzaje siatek

 odbiciowe

 transmisyjne

 przykłady siatek „naturalnych”

 kryształy

 mięśnie poprzecznie prążkowane

Siatka dyfrakcyjna

 warunek maksimum m-tego rzędu

 szerokość połówkowa linii centralnej

 ogólne wyrażenie na szerokość połówkową

(6)

Siatka dyfrakcyjna

 dyspersja kątowa

Siatka dyfrakcyjna

 zdolność rozdzielcza

 (λ - średnia długość fali dwóch bliskich sobie linii widmowych,

∆λ - różnica długości fal tych linii)