Жарық интерференциясы. Жарықтың дифракциясы. Ньютон сақиналары.

Жарық дифракциясы – жарық толқындарының мөлшері сол толқындардың ұзындығымен қарайлас тосқауылды (тар саңылау, жіңішке сым, т.б.) орап өту құбылысы. Жарық дифракциясы болу үшін жарық түскен дененің айқын шекарасы болуы тиіс. Дифракция жарыққа ғана тән емес, басқа да толқындық процестерде де байқалады. Жарық дифракциясы кезінде жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңы, яғни геометриялық оптиканың негізгі заңдары бұзылады. Жарық толқындарының ұзындығы өте қысқа болғандықтан, қалыпты жағдайда жарық дифракциясы байқалмайды. Жарық дифракциясы – жарықтың толқындық қасиетін дәлелдейтін негізгі құбылыстардың бірі. Бұл құбылысты 17-ғасырда италиялық физик және астроном Франческо Гримальди ашты, ал оны француз физигі Огюстен Жан Френель түсіндірді.

Дифракция құбылысы жарықтың толқындық қасиетiнiң айқын дәлелi болып табылады. Бұл құбылыс геометриялық оптика заңдылықтарының қай кезде бұзылатындығына нұсқайды.

Дифракцияның сандық теориясы, яғни бұл құбылыстың әсерiнен экрандағы жарық интенсивтiлiгiнiң өзгерiп таралуын түсiндiру Гюйгенс-Френель принципiне негiзделген. Бұл принцип былай дейдi:

1. Жарық толқындары келiп жеткен беттiң әрбiр нүктесi өз кезегiнде жаңа толқын көздерi болып табылады

2. Бұл жаңа толқын көздерi бiр-бiрiне когеренттi. Ал кеңiстiктiң кез-келген нүктесiндегi жарықтың интенсивтiлiгi осы когеренттi жаңа көздерден тараған толқындардың интерференциясының салдары болып табылады.

Гюйгенс-Френель принципi дифракциялық бейнелермен қатар жарықтың түзу сызық бойымен таралу себебiн де түсiндiредi. Жарық дифракциясының бiр жарқын мысалы оның тар жолақ саңлау арқылы өткен кездегi дифракциясы. Бiрақ, бұл жағдайдағы дифракциялық суреттiң солғындау болуы оны нақтылы мақсаттарда қолдануда қиындықтар туғызады. Мұндай кемшiлiктер дифракциялық тор деп аталатын қондырғыда жоқ.

Френель дифракциясы. Егер жарық толқыны шектеусіз үлкен болып, жарық еркін таралса жарық толқынының бір нуктеге еткен әсері Френель орталық зонасының жартысының әсеріндей болады Жарық түзу сызық бойымен таралады

Ал егер жарық еркін таралмай, оның алдынан бір нәрсе бөгет кездессе, жарықтың толөындық бетінің бір бөлігі бөгеледі. Сонда жарық сәулелері майысып бөгетті орай бұрылады. Жарықтың тузү сызықтеп таралу заңы бұзылады яғни дифракция құбылысы байқалады.

Фраунгофер дифракциясы Егер бөгет жарық көзінен өте алыс болса

Онда сол бөгетке түсетін жарық шоғы параллель болады өйткені шексіз

қашық толқындық беттік толқындық бет санауға болады Егер осындай жарыө толқыны параллель болып таралсасондағы байқалатын жарық дифракциясы Фраунгофер дифракциясы немесе параллель саулелер дифракциясы деп аталады. Дифракцияның бұл түрі әдетте жинағыш линза қолданылып зерттеледі.

Дифракциялық тор деп бiр-бiрiне жақын, әрi параллель орналасқан тар жолақ саңлаулар жүйесiнен тұратын спектральдық құралды айтады

Егер дифракциялық торға перпендикуляр бағытта параллель жарық сәулелерi түсетiн болса, онда линзаның фокальдық жазықтығында орналасқан экранда қандай да бiр φ бұрышымен дифракциялық максимумдар байқалады.

Дифракциялық торлар жарықты спектрлерге жiктеу үшiн, сонымен қатар жарықтың белгiсiз толқын ұзындығын анықтау үшiн де қолдаылады. Нақтылы зерттеулерде бiр өлшемдi торлармен қатар екi өлшемдi торлар да жиi қолданылады. Екi өлшемдi торлар деп жолақтарын бiр-бiрiне перпендикуляр орналастырып, беттестiрген екi жәй тордан тұратын жүйенi айтады.

Френелдің к -зонасының сыртқы шекара радиусы:

мұндағы - нүктелік жарық көзінен дөңгелек тесігі бар диафрагмаға деінгі қашықтық; -- диафрагмадан дифракциялық суреттеме бақыланатын экранға дейінгі қашықтық; - Френель зонасының нөмірі; - толқын ұзындығы.

• Жазық толқын үшін:

• Саңылаудан болатын Фраунгофер дифракциясы; жарық нормаль түседі.

• Интенсивтіктің минимумдар шарты:

мұндағы - саңылаудың ені; - дифракция бұрышы.

• Жарық интенсивтігінің максимумдар шарты:

мұндағы - дифракция бұрышының жуықталған мәні.

• Дифракциялық тор, жарық нормаль түседі.

• Фраунгофер бас максимумдарының шарты:

мұндағы - тор периоды; - бас максимумдар нөмірі; -тордың бетіне нормаль мен дифракцияланған толқындардың бағыты арасындағы бұрыш.

• Қосымша минимумдар шарты:

• Дифракциялық тордың бұрыштық дисперсиясы:

• Дифракциялық тордың сызықтық дисперсиясы:

• Дифракцияның азғнтай бұрыштары үшін бұрыштық дисперсия:

мұндағы - экранда дифракцияланатын толқындарды жинайтын линзаның бас фокус аралығы.

Фазалар ығысуы тұрақты және жиіліктері бірдей толкындардың қосылуы жарық толқындарының өзара әрекеттесуіндегі көңіл аударатын жағдай. Мұнда кеңістіктің кейбір нүктелерінде толқындардың қабаттасуынан бір-бірін күшейтетін, ал басқа бір нүктелерінде керісінше бір-бірін әлсірететін интерференция құбылысы байқалады. Экранда күңгірт және ашық жолақтар кезектесіп орналасады. Бұл интерференция құбылысы. Жарықтың интерференциясы механикалық толқындардың интерференциясы сияқты өтеді. Жарық интерференциясы – жарық толқындарының қабаттасуы нәтижесінде бірін-бірі күшейтуі немесе әлсіретуі. Егер екі толқынның өркештері мен өркештері, сайлары мен сайлары дәл келсе, онда олар бірін-бірі күшейтеді; ал біреуінің өркештері екіншісінің сайларына дәл келсе бірін-бірі әлсіретеді. Жарық интерференциясы кезінде қабаттасқан жарық шоғының қарқындылығы бастапқы шоқтың қарқындылығына тең болмайды. Механикалық толқындар да интерференцияланады. Жарық интерференциясына қатысты кейбір құбылыстарды Исаак Ньютон бақылаған. Бірақ ол өзінің корпускулалық теориясы тұрғысынан бұл құбылысты түсіндіре алмады. 19-ғасырдың басында ағылшын ғалымы Томас Юнг және француз физигіОгюстен Френель жарық интерференциясын толқындық құбылыс ретінде түсіндірді. Кез келген жарық толқындары қабаттасқанда интерференция құбылысы байқалмайды. Тек когерентті толқындар ғана интерференцияланады. Жарық интерференциясының көмегімен жарық толқындарының ұзындығы өлшенеді, спектр сызықтарының нәзік түзілісі зерттеледі, заттың тығыздығы мен сыну көрсеткіші тәрізді қасиеттері анықталады.

Жарық түскен бет біздің көзімізге біркелкі жарық түскен беттей болып көрінеді. Сондықтан жарық толқынының интерференциясы тек когерентті толқындар қабаттасқанда ғана пайда болады.Когерентті толқындарды интерферометрлердің көмегімен алады. Ең қарапайым түрі — бір жарықты екіге жіктеу.

Есептеу жұмыстарын жүргізіп, толқынның жұқа қабыршақтағы жол айырымын анықтайтын формуланы табайық:

1.өтетін жарықта A = 2dncosβ, мұндағы A — толқын жүрісінің жол айырымы, d — қабыршақтың қалыңдығы, п — қабыршақ затының сыну көрсеткіші, р — жарықтың сыну бұрышы;

2.шағылған жарықта A = 2dncosβ + λ/2 Шағылған жарықта жол айырымына жарты-толқын ұзындығы қосылады, өйткені шағылғанда жарты толқын жоғалады.

• Екі когеренттік жарық көздерінен болатын интерференциялық жолақтың ені (Френелдің бипризмасы мен биайнасы, Юнг әдісі):

мұндағы - жарық толқынының ұзындығы; - көздерден бақылау экранына дейінгі қашықтық; - көздердің ара қашықтығы.

•Интерференция кезіндегі жарық интенсивтігінің максимумдар шарты:

• Интерференция кезіндегі жарық интенсивтігінің минимумдар шарты:

 

• Жазық параллель пластинкаларда шығылған жарықта бақыланатын интерференцияны бақылау кезіндегі жарықтың максимум және минимум шарты:

немесе,

(мин)

мұндағы - пластинканың (қабыршақтың) қалыңдығы; - түсу бұрышы; - сыну бұрышы; - пластинка материалының сыну көрсеткіші;

.

Өтетін жарықтың интерференциясы кезінде максимум және минимум шарттары орындарын алмастырады.

• Тербелістердің фазалар айырымының жарық толқындарының жүріс айырымымен байланысы:

• Шағылған жарықта бақыланатын Ньютонның ашық сақиналарының (немесе өтетін сәулелердегі күңгірт) рдаиустары:

мұндағы - сақинаның нөмірі (); - жазық параллель шыны платинкамен жанасатын линза бетінің қисықтық радиусы.

• Шағылған сәуледегі күңгірт сақиналардың ралиустары:

Ньютон сақиналары Егер жазық, шыны пластинканың үстіне жазық-дөңес линза қойылса, онда олардың арасында сына пішіндес ауа қабаты пайда болады. Енді осындай системаға, пластинка бетіне шамада перпендикуляр бағытта, монохромат жарық түссе, сонда жарық толқындары осы сына пішіндес ауа қабатының үстіңгі және төменгі шекараларында шағылады да өзара интерференцияланады, осының нәтижесінде лннза мен пластинка тиісіп тұрған нүктеде қара коңыр дақ пайда болып, оны концентр жарық және кара коңыр шеңберлер қоршап тұрады, олар центрден қашықтаған сайын жиі тарта береді. Осы шеңберлер бірдей қалындық жолақтары болып табылады. Бұларды бірінші рет Ньютон зерттеген, сондықтан олар Ньютон сақиналары деп аталады.

Ньютон сақиналары жұқа қабыршақтардағы интерференцияның дербес түрі, ол жұқа қабыршақ қалыңдығының біркелкі өзгеретін жағдайында байқалады. 1675 жылы Ньютон астрономиялық рефрактордың дөңес объективі мен жазық шыны арасындағы жұқа ауа қабатының түсін бақылаған. Ньютон тәжірибесінде тығыз сығылған шыны мен объективтің арасындағы ауаның жұқа қабатының қалыңдығы шыны мен объективтің түйіскен жерінен объективтің сыртқы шетіне қарай біркелкі ұлғая бастайды. Қарапайым есептеу аркылы өткен жарықтың радиусын, мәселен, ақшыл сақинаның радиусын анықтауға болады: r = √2Rd

мұндағы r — сақинаның радиусы, R — линза қисығының радиусы, d — жазық шынының бетінен линзаның жарық сынатын бетіне дейінгі арақашықтық.