Розділ 1 Теоретична частина

1.1 Історія відкриття світлових хвиль

1.1.1 Перші поняття про світло

Ще в 60 роки XVII ст. Ньютон зацікавився оптикою та зробив відкриття, яке, як здавалося спочатку, казало в користь корпускулярної теорії світла (теорія яка зародилася на початку XVII ст. в якій йшлося про те, що світло це потік корпускул, тобто дуже дрібних частинок). Цим відкриттям було явище дисперсії світла (Дисперсія світла — залежність показника заломлення (або діелектричної проникності) середовища від частоти) та простих кольорів.

Отже, Ньютон встав на точку зору корпускулярної теорії світла, на основі якої було легко зрозуміти відкрите їм явище дисперсії світла. до цього часу були вже відомі явища з області хвильової оптики – інтерференції і дифракція. займаючись дослідженнями з оптики, ньютон не міг пройти повз них і повинен був зіткнутися із завданням пояснення цих явищ на основі корпускулярної теорії. Що стосується явища дифракції, то він більш-менш легко, як здавалося, впорався з вказаним завданням. коли світло проходе повз екран, то між частинками, з яких складається екран, і світловими променями (атомами світла) діють сили тяжіння. Внаслідок цього промені заходять в область геометричної тіні.

Наведена пояснення було, звичайно, невірним. але в той час воно здавалося переконливим.

Важче було з поясненням явища інтерференції. Ньютон зробив важливий крок у дослідженні інтерференції світла в тонких плівках.

Вчений зібрав спеціальну установку для вивчення цього явища. він взяв лінзу, поклав її на скляні платівку і спостерігав темні і світлі кільця, які видно при освітленні лінзи і платівки монохроматичним світлом. Це так звані кільця Ньютона.

Ньютон пояснив це явище так. Падаючи зверху на лінзу, світлові промені на певних відстанях від центру або відображаються, або заломлюються і проходять через установку. в результаті чого ми бачимо систему світлих і темних кілець.

Корпускулярну теорію Ньютона в кінці XVIII століття признали неправдоподібною та перейшли на хвильову теорію світла.

1.1.2 Праці Юнга, Френеля та Гюйгенса про хвилі та оптику

В кінці XVIII ст. англійський вчений Томас Юнг взявся досліджувати оптичні явища. Він прийшов до важливої ідеї, що кільця Ньютона можна дуже просто пояснити з точки зору хвильової теорії світла, опираючись на принцип інтерференції. Також він вперше ввів назву «інтерференція».

Цілком можливо, що інтерференцію Юнг відкрив, спостерігаючи це на водяних хвиль. В любому випадку, описуючи це явище, він використовував інтерференцію водяних хвиль. Він писав: «Уявимо собі, що деяка кількість однакових водяних хвиль рухаються по поверхні гладкого озера з деякою постійною швидкістю та попадає в вузький канал, який виходить з озера. Також уявимо собі, що під дією другої причини з’явився такий самий ряд хвиль, який, так само як і перший, доходить до цього каналу з такою самою швидкістю. Жоден із цих рядів хвиль не зруйнує іншого, їх дії об’єднуються. Якщо вони вступають в канал так, що гребні одного ряду співпадають з гребнями іншого, то з’являється ряд хвиль із збільшеними гребнями. Але якщо гребні одного ряду будуть співпадати з впадинами іншого, то вони в цілому заповнять ці впадини, і поверхня води залишиться гладкою. Я вважаю, що подібні ефекти мають місце всякий раз, коли подібним чином змішуються дві частини світла. Це явище я називаю законом інтерференції світла.

Юнг, використовуючи явище інтерференції, пояснив кільця Ньютона. Ці кільця у відбитому світлі з’являються в результаті інтерференції двох променів світла, відбитих від верхньої та нижньої поверхні повітряної прошарки, яка виникла через лінзу та скляної пластинки. Від товщини цього прошарку буде залежати різниця кроку між вказаними променями. Вони можуть посилювати або гасити друг друга. В першому випадку ми бачимо кільце, а в другому темноту.

Французький інженер, який потім став знаменитим фізиком, Огюстен Френель (1788-1827) почав займатися дослідженням інтерференції та дифракції з 1814р. Він не знав про праці Юнга, але подібно йому побачив в цих явищах доказ хвильової теорії світла.

У своїх працях по оптиці Френель приділив увагу дослідам по дифракції світла, для якої розробив спеціальну теорію. Ця теорія ґрунтувалася на поліпшеному принципу Гюйгенса, який потім став називатися принципом Гюйгенса-Френеля.

Він розглядав проходження світла через маленький отвір та вичислив, що повинно з’явитися на екрані. По його розрахунках на екрані повинно було видно темні та світлі кільця, якщо світло монохроматичне. При цьому Френель розрахував радіуси цих кілець в залежності від розмірів отвору, від відстані джерела світла до отвору, і відстані від отвору до екрану, на якому спостерігається дифракційна картина.

Френель писав і другі випадки дифракції світла від різних екранів і розрахував розміщення дифракційних полос, виходячи із хвильової теорії світла. При цьому всі розрахунки Френеля співпали з результатами, які він отримав на досліді.