الشريحة 2

الأفكار الأولى عن الضوء

الأفكار الأولى حول ماهية الضوء تنتمي أيضًا إلى العصور القديمة. في العصور القديمة ، كانت الأفكار حول طبيعة الضوء بدائية للغاية ورائعة ، علاوة على ذلك متنوعة للغاية. ومع ذلك ، على الرغم من تنوع آراء القدماء حول طبيعة الضوء ، فقد كانت هناك بالفعل في ذلك الوقت ثلاثة مناهج رئيسية لحل مشكلة طبيعة الضوء. تشكلت هذه الأساليب الثلاثة لاحقًا في نظريتين متنافستين - النظريات الجسدية والنظرية الموجية للضوء. اعتبرت الغالبية العظمى من الفلاسفة والعلماء القدماء أن الضوء نوع من الأشعة التي تربط بين الجسم المضيء والعين البشرية. في الوقت نفسه ، تم تمييز ثلاث وجهات نظر رئيسية حول طبيعة الضوء. العين-> عنصر العنصر-> حركة العين

الشريحة 3

النظرية الأولى

يعتقد بعض العلماء القدماء أن الأشعة تأتي من عيون الشخص ، ويبدو أنهم يشعرون بالشيء المعني. كانت وجهة النظر هذه أولاً رقم ضخممتابعون. التزم بها علماء وفلاسفة بارزون مثل إقليدس وبطليموس وغيرهم الكثير. ومع ذلك ، في وقت لاحق ، بالفعل في العصور الوسطى ، تفقد فكرة طبيعة الضوء معناها. عدد أقل وأقل من العلماء يتبعون هذه الآراء. وبحلول بداية القرن السابع عشر. يمكن اعتبار وجهة النظر هذه منسية بالفعل. إقليدس بطليموس

الشريحة 4

النظرية الثانية

على العكس من ذلك ، اعتقد فلاسفة آخرون أن الأشعة تنبعث من جسم مضيء ، وعند وصولها إلى العين البشرية ، تحمل بصمة كائن مضيء. تم عقد وجهة النظر هذه من قبل الذريين Democritus و Epicurus و Lucretius. تشكلت وجهة النظر هذه حول طبيعة الضوء لاحقًا ، في القرن السابع عشر ، في النظرية الجسيمية للضوء ، والتي بموجبها يكون الضوء عبارة عن تيار من بعض الجسيمات المنبعثة من جسم مضيء. ديموقريطوس ابيقور لوكريتيوس

الشريحة 5

النظرية الثالثة

أعرب أرسطو عن وجهة النظر الثالثة حول طبيعة الضوء. لقد اعتبر الضوء ليس تدفقًا لشيء ما من جسم مضيء إلى العين ، وحتى أكثر من ذلك ليس كنوع من الأشعة المنبعثة من العين والشعور بالشيء ، ولكن كعمل أو حركة تنتشر في الفضاء (في البيئة) . قلة من الناس شاركوا رأي أرسطو في وقته. لكن في وقت لاحق ، مرة أخرى في القرن السابع عشر ، تم تطوير وجهة نظره ووضعت الأساس لنظرية الموجة للضوء. أرسطو

الشريحة 6

العصور الوسطى

معظم عمل مثير للاهتمامفي علم البصريات ، الذي نزل إلينا من العصور الوسطى ، هو عمل العالم العربي ابن الهيثم. درس انعكاس الضوء من المرايا وظاهرة الانكسار ومرور الضوء عبر العدسات. التزم العالم بنظرية ديموقريطوس ولأول مرة أعرب عن فكرة أن الضوء له سرعة انتشار محدودة. كانت هذه الفرضية خطوة رئيسية في فهم طبيعة الضوء. ابن الهيثم

شريحة 7

القرن ال 17

استنادًا إلى العديد من الحقائق التجريبية في منتصف السابع عشرفي القرن الماضي ، ظهرت فرضيتان حول طبيعة ظواهر الضوء: نظرية نيوتن الجسيمية ، التي افترضت أن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات تنبعث بسرعة عالية من الأجسام المضيئة. نظرية موجة Huygens ، التي تنص على أن الضوء طولي حركات تذبذبيةوسط مضيئ خاص (الأثير) متحمس بواسطة اهتزازات جزيئات الجسم المضيء.

شريحة 8

الأحكام الرئيسية لنظرية الجسيمات

يتكون الضوء من جزيئات صغيرة من المادة تنبعث في جميع الاتجاهات في خطوط مستقيمة ، أو أشعة ، مضيئة من قبل الجسم ، مثل شمعة مشتعلة. إذا دخلت هذه الأشعة ، المكونة من كريات ، إلى أعيننا ، فإننا نرى مصدرها. الكريات الخفيفة لها أحجام مختلفة. أكبر الجسيمات ، التي تدخل العين ، تعطي إحساسًا باللون الأحمر ، والأصغر - الأرجواني. اللون الأبيض مزيج من جميع الألوان: الأحمر ، البرتقالي ، الأصفر ، الأخضر ، الأزرق ، النيلي ، البنفسجي. يحدث انعكاس الضوء من السطح بسبب انعكاس الجسيمات من الجدار وفقًا لقانون التأثير المرن المطلق.

شريحة 9

تفسر ظاهرة انكسار الضوء بحقيقة أن الجسيمات تنجذب إلى جزيئات الوسط. كلما كان الوسط أكثر كثافة ، زاوية الانكسار أقل من زاويةيقع. وأوضح ظاهرة تشتت الضوء التي اكتشفها نيوتن عام 1666 على النحو التالي. "كل لون موجود بالفعل في الضوء الأبيض. تنتقل جميع الألوان عبر الفضاء بين الكواكب والغلاف الجوي معًا وتعطي تأثير الضوء الأبيض. ينكسر الضوء الأبيض - مزيج من الجسيمات المختلفة - عند المرور عبر منشور. حدد نيوتن طرقًا لشرح الانكسار المزدوج من خلال افتراض أن أشعة الضوء لها " مختلف الأطراف"- خاصية خاصة تحدد انكسارها المختلف أثناء مرور جسم مزدوج الانكسار.

شريحة 10

أوضحت نظرية الجسيمات لنيوتن بشكل مرضٍ العديد من الظواهر الضوئية المعروفة في ذلك الوقت. تمتع مؤلفها بمكانة هائلة في العالم العلمي ، وسرعان ما اكتسبت نظرية نيوتن العديد من المؤيدين في جميع البلدان. أكبر العلماء الملتزمون بهذه النظرية: أراغو ، بواسون ، بيوت ، جاي لوساك. على أساس نظرية الجسيمات ، كان من الصعب تفسير سبب عدم تأثير حزم الضوء ، المتقاطعة في الفضاء ، على بعضها البعض بأي شكل من الأشكال. بعد كل شيء ، يجب أن تتصادم جزيئات الضوء وتتشتت (تمر الموجات عبر بعضها البعض دون تأثير متبادل) نيوتن أراغو جاي لوساك

الشريحة 11

الأحكام الرئيسية لنظرية الموجة

الضوء هو توزيع النبضات الدورية المرنة في الأثير. هذه النبضات طولية وتشبه النبضات الصوتية في الهواء. الأثير هو وسيط افتراضي يملأ الفضاء السماوي والفجوات بين جسيمات الأجسام. إنها عديمة الوزن ولا تخضع للقانون الجاذبية، لديه مرونة كبيرة. مبدأ انتشار تذبذبات الأثير هو أن كل نقطة من نقاطها ، التي تصل إليها الإثارة ، هي مركز الموجات الثانوية. هذه الموجات ضعيفة ، ولا يُلاحظ التأثير إلا عند مرور سطح غلافها - مقدمة الموجة (مبدأ Huygens). كلما كانت واجهة الموجة بعيدة عن المصدر ، أصبحت أكثر انبساطًا. موجات الضوء القادمة مباشرة من المصدر تسبب الإحساس بالرؤية. كانت نقطة مهمة جدًا في نظرية Huygens هي افتراض أن سرعة انتشار الضوء محدودة.

الشريحة 12

نظرية الموجة

بمساعدة النظرية ، تم شرح العديد من ظواهر البصريات الهندسية: - ظاهرة انعكاس الضوء وقوانينها. - ظاهرة انكسار الضوء وقوانينها. - ظاهرة كاملة انعكاس داخلي؛ - ظاهرة الانكسار المزدوج. - مبدأ استقلالية أشعة الضوء. أعطت نظرية Huygens التعبير التالي لمعامل الانكسار للوسط: من الصيغة يمكن ملاحظة أن سرعة الضوء يجب أن تعتمد عكسيًا على المؤشر المطلق للوسط. كان هذا الاستنتاج عكس الاستنتاج التالي من نظرية نيوتن.

الشريحة 13

شكك الكثيرون في نظرية الموجة Huygens ، ولكن من بين مؤيدي وجهات النظر الموجية حول طبيعة الضوء كان M. Lomonosov و L.Euler. من هذه الدراسات نظرية العلماءبدأ Huygens يتشكل كنظرية للموجات ، وليس مجرد التذبذبات غير الدورية المنتشرة في الأثير. كان من الصعب تفسير الانتشار المستقيم للضوء ، مما أدى إلى تكوين ظلال حادة خلف الأجسام (وفقًا لنظرية الجسيمات) الحركة المستقيمةالضوء هو نتيجة لقانون القصور الذاتي) لا يمكن تفسير ظاهرة الانعراج (تطويق العوائق بالضوء) والتداخل (تضخيم الضوء أو إضعافه عندما يتم تثبيت حزم الضوء على بعضها البعض) من وجهة نظر نظرية الموجة. هويجنز لومونوسوف أويلر

شريحة 14

القرنين الحادي عشر والعشرين

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، أظهر ماكسويل أن هناك ضوءًا حالة خاصةموجات كهرومغناطيسية. وضع عمل ماكسويل أسس النظرية الكهرومغناطيسية للضوء. بعد الاكتشاف التجريبي للموجات الكهرومغناطيسية بواسطة Hertz ، لم يكن هناك شك في أن الضوء يتصرف مثل الموجة أثناء الانتشار. لا يوجد حتى الآن. ومع ذلك ، في بداية القرن العشرين ، بدأت الأفكار حول طبيعة الضوء تتغير بشكل جذري. وفجأة اتضح أن الرفض نظرية الجسيماتلا يزال وثيق الصلة بالواقع. اتضح أنه أثناء الانبعاث والامتصاص ، يتصرف الضوء مثل تيار من الجسيمات. ماكسويل هيرتز

الشريحة 15

تم اكتشاف الخصائص المتقطعة (الكمومية) للضوء. نشأ موقف غير معتاد: لا يزال من الممكن تفسير ظاهرة التداخل والحيود من خلال اعتبار الضوء موجة ، وظاهرة الإشعاع والامتصاص ، من خلال اعتبار الضوء تيارًا من الجسيمات. لذلك ، اتفق العلماء على الرأي حول ثنائية الموجة الجسدية (الثنائية) لخصائص الضوء. اليوم ، تستمر نظرية الضوء في التطور.

اعرض كل الشرائح

الموضوع: تطوير وجهات النظر حول طبيعة الضوء. سرعة الضوء. GR. 161 يؤديها: لوبوخوف يفغيني جفوزديتسكيخ إيفان كوندراتييف ديمتري

في نهاية القرن السابع عشر تقريبًا ، ظهرت نظريتان حصريتان بشكل متبادل حول الضوء. لقد اعتمدوا على طريقتين محتملتين لنقل إجراء من مصدر إلى جهاز استقبال. اقترح نيوتن نظرية الجسيم للضوء ، والتي بموجبها الضوء هو تيار من الجسيمات القادمة من مصدر في جميع الاتجاهات (نقل المادة). طور H. Huygens نظرية موجية اعتبر فيها الضوء بمثابة موجات تنتشر في وسط خاص - الأثير ، الذي يملأ كل الفضاء ويخترق جميع الأجسام (تغيير في حالة الوسط).

نيوتن هيغنز 1. من الصعب تفسير سبب عدم تأثير أشعة الضوء ، المتقاطعة في الفضاء ، على بعضها البعض (يجب أن تتصادم الجسيمات وتتشتت). 1. تمر الأمواج بحرية عبر بعضها البعض دون تأثير متبادل. 2. الانتشار المستقيم للضوء هو نتيجة لقانون القصور الذاتي. 2. لا يشرح. 3. من السهل شرح الانعراج والتداخل. 4. أثناء الانبعاث والامتصاص ، يتصرف الضوء مثل تيار من الجسيمات. 4. الضوء هو حالة خاصة من الموجات الكهرومغناطيسية

ما هو الضوء؟ وفقًا لأفكار الفيزياء الحديثة ، يتمتع الضوء في نفس الوقت بخصائص الموجات الكهرومغناطيسية المستمرة وخصائص الجسيمات المنفصلة ، والتي تسمى الفوتونات أو الكميات الضوئية. تسمى ازدواجية خصائص الضوء ثنائية الموجة الجسدية.

ما هي الطرق التي كانت تقيس سرعة الضوء؟ يوضح الشكل مخططًا للتجربة التي اقترح بها جاليليو قياس سرعة الضوء. عند فتح مصراع الفانوس ، كان من الضروري تحديد المدة التي سيستغرقها الضوء للعودة ، المنعكس من المرآة.

كانت هذه أول محاولة معروفة لتحديد سرعة الضوء بشكل تجريبي بواسطة جاليليو جاليلي. ومع ذلك ، فإن تأخير الإشارة لا ينجح في الكشف عنه بسبب السرعة العالية للضوء. تم إجراء أول تحديد تجريبي لسرعة الضوء بواسطة عالم الفلك الدنماركي أولاف رومر في عام 1675.

يقوم مدار القمر الصناعي Io Io بعمل ثورة واحدة حول المشتري في 42.5 ساعة ، وبينما تتحرك الأرض بعيدًا عن المشتري ، يأتي كل خسوف لاحق لـ Io متأخرًا عن اللحظة المتوقعة. كان التأخير الكلي لبداية الخسوف عندما ابتعدت الأرض عن المشتري بقطر مدار الأرض في وقت متأخر عن الوقت المتوقع 22 دقيقة. الأرض 3 مدار الأرض I C S 2 II تجربة رومر كوكب المشتري مدار S 1

بقسمة قطر مدار الأرض على زمن التأخير ، تم الحصول على قيمة سرعة الضوء: s = 3 * 1011 m / 1320 s s = 2.27 * 10 8 m / s ، والنتيجة التي تم الحصول عليها بها خطأ كبير.

تم إجراء أول قياس معمل لسرعة الضوء في عام 1849 بواسطة الفيزيائي الفرنسي أرماند فيزو. في تجربته ، مر الضوء من المصدر S عبر القاطع K (أسنان العجلة الدوارة) وانعكس من المرآة Z ، وعاد مرة أخرى إلى عجلة التروس.

معلمات التثبيت الجسدي هي هذه. تم وضع مصدر الضوء والمرآة في منزل الأب فيزو بالقرب من باريس ، وكانت المرآة في مونتمارتر. كانت المسافة بين المرايا ℓ ~ 8.66 كم ، وكان للعجلة 720 أسنانًا. لقد كان يدورًا تحت تأثير آلية ساعة مضبوطة على الحركة بحمل خاسر. باستخدام عداد ثورة ومقياس كرونومتر ، اكتشف FIZO أن أول لون أسود يتم ملاحظته عند سرعة دوران العجلة V = 12.6 دورة في الدقيقة / ثانية. وقت السفر الخفيف = 2ℓ / C ، وبالتالي يعطي C = 3.14 10 8 M / S

c = 3.14 10 8 m / s القيمة التي تم الحصول عليها من الملاحظات الفلكية ، ولكن قريبة منها. على الرغم من خطأ القياس الكبير ، كانت خبرة FIZO ذات أهمية كبيرة - فقد تم إثبات إمكانية تحديد سرعة الضوء بواسطة الوسائل "الأرضية".

يتم إثبات دقة سرعة الضوء بشكل تجريبي بالطرق المباشرة وغير المباشرة. في الوقت الحالي ، بمساعدة تقنية الليزر ، يتم تحديد سرعة الضوء عن طريق قياس الطول الموجي وتردد انبعاث الراديو بطرق مستقلة عن بعضها البعض ويتم حسابها بالصيغة التالية: c \ u003d λv تعطي الحسابات c \ u003d 299792456.2 ± 1.1 آنسة

"ما هي سرعة الضوء؟ »ج حتى الآن ، لا توجد مؤشرات على التغيير بمرور الوقت ، لكن الفيزياء لا يمكنها رفض مثل هذا الاحتمال دون قيد أو شرط. حسنًا ، يبقى انتظار رسائل حول القياسات الجديدة لسرعة الضوء. يمكن أن تعطي هذه القياسات الكثير لمعرفة الطبيعة ، والتي لا تنضب في تنوعها.

الاستنتاجات: 1. طبيعة الضوء لها ثنائية الموجة الجسدية (الازدواجية). 2. يجب الاعتراف به حقيقة علمية، تم إنشاؤه تجريبيًا - محدودية وثبات (ثبات) سرعة الضوء في الفراغ. 3. تأكيد أي نظرية فيزيائية هو حقائق تجريبية.

إشعاع بصري(أو الضوء بالمعنى الواسع للكلمة) هي موجات كهرومغناطيسية ، تتراوح أطوالها من 10-11 إلى 10-2 م (من وحدات إلى أعشار مم) أو يكون نطاق ترددها متساويًا تقريبًا إلى 3 * 10 11 ... 3 * 10 17 هرتز.

أما بالنسبة لأي إشعاع آخر ، فهناك مصدر الإشعاع الضوئيو مستقبل الإشعاع البصري. يمكن أن يكون مستقبل الإشعاع الضوئي ، على سبيل المثال ، العين البشرية. إن العين البشرية قادرة على إدراك الإشعاع الضوئي بطول موجي من 400 إلى 760 نانومتر. هذه إشعاع مرئي. بالإضافة إلى الإشعاع المرئي ، يشمل الإشعاع البصري أيضًا الأشعة تحت الحمراء(بطول موجة يتراوح من 0.75 إلى 2000 ميكرومتر) و الأشعة فوق البنفسجية(بطول موجي من 10 إلى 400 نانومتر). تدرس الموجات الضوئية باستخدام الأساليب البصرية التي تطورت تاريخيًا في تحليل قوانين الضوء المرئي.

في القرن السابع عشر ، ظهرت أولى الفرضيات العلمية حول طبيعة الضوء. للضوء طاقة ويحملها عبر الفضاء. يمكن للأجسام أو الأمواج نقل الطاقة ، لذلك تم طرح نظريتين حول طبيعة الضوء.

النظرية الجسدية للضوء(من الجسيم اللاتيني - الجسيم) اقترحه العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن (1643 - 1727) عام 1672. وفقًا لهذه النظرية ، فإن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات ينبعث في جميع الاتجاهات مصدر ضوء. بمساعدة هذه النظرية ، تم شرح الظواهر البصرية ، على سبيل المثال ، ألوان مختلفة من الإشعاع.

العالم الهولندي كريستيان هيغنز (1629 - 1695) خلق أيضًا في القرن السابع عشر نظرية موجة الضوء، وفقًا للضوء له طبيعة موجية. تشرح هذه النظرية أشياء مثل التشوش, حيود الضوءإلخ.

كلتا النظريتين موجودتان بالتوازي لفترة طويلة ، حيث لا يمكن لأي منهما بشكل منفصل شرح جميع الظواهر البصرية بشكل كامل. بحلول بداية القرن التاسع عشر ، بعد دراسات الفيزيائي الفرنسي أوغستين جان فرينل (1788 - 1827) ، والفيزيائي الإنجليزي روبرت هوك (1635 - 1703) وعلماء آخرين ، أصبح من الواضح أن نظرية الموجة للضوء لها ميزة فوق الجسيم. في عام 1801 ، صاغ الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ (1773-1829) مبدأ التداخل (زيادة أو نقصان الإضاءة عند تراكب موجات الضوء على بعضها البعض) ، مما سمح له بشرح ألوان الأغشية الرقيقة. أوضح فرينل ما هو حيود الضوء (انحناء الضوء حول العوائق) واستقامة انتشار الضوء.

ومع ذلك ، كان للنظرية الموجية للضوء عيبًا واحدًا مهمًا. افترض أن إشعاع الضوء عبارة عن موجة ميكانيكية عرضية ، والتي يمكن أن تحدث فقط في وسط مرن. لذلك ، تم إنشاء فرضية حول العالم غير المرئي الأثير ، وهو وسيط افتراضي يملأ الكون بأكمله (المساحة الكاملة بين الأجسام والجزيئات). يجب أن يكون للأثير العالمي عدد من الخصائص المتناقضة: يجب أن يكون له خصائص مرنة المواد الصلبةوتكون عديمة الوزن في نفس الوقت. تم حل هذه الصعوبات في النصف الثاني من القرن التاسع عشر مع التطور المستمر لتعاليم الفيزيائي الإنجليزي جيمس كليرك ماكسويل (1831 - 1879) حول المجال الكهرومغناطيسي. توصل ماكسويل إلى استنتاج مفاده أن الضوء هو حالة خاصة من الموجات الكهرومغناطيسية.

ومع ذلك ، في بداية القرن العشرين ، كانت متقطعة ، أو كمومية خصائص الضوء. تم شرح هذه الخصائص من خلال نظرية الجسيمات. وهكذا ، فإن للضوء ثنائية الموجة الجسدية (ازدواجية الخصائص). في عملية الانتشار ، يُظهر الضوء خصائص الموجة (أي أنه يتصرف مثل الموجة) ، وأثناء الإشعاع والامتصاص - الخصائص الجسدية(أي أنه يتصرف مثل تيار من الجسيمات).

يتم النظر في قوانين انتشار الضوء في الوسائط الشفافة القائمة على مفاهيم الحزمة الضوئية في قسم البصريات المسمى. من المفهوم أن مائة شعاع ضوئي عبارة عن خط تنتشر فيه طاقة الموجات الكهرومغناطيسية الضوئية.

قانون الانتشار المستقيم للضوء

في الممارسة العملية ، ينتشر الضوء في خط مستقيم داخل مخروط محدود ، وهو شعاع ضوئي. يتجاوز قطر شعاع الضوء هذا الطول الموجي للضوء.

إذا معامل الانكسارالبيئة هي نفسها في كل مكان ، ثم تسمى هذه البيئة وسط متجانس بصريا.

في وسط متجانس وشفاف ، ينتشر الضوء في خط مستقيم. هذا هو ما قانون الانتشار المستقيم للضوء.

تم تأكيد استقامة انتشار الضوء من خلال العديد من الظواهر ، على سبيل المثال ، ظهور الظل من الأجسام المعتمة. إذا كان S مصدرًا صغيرًا جدًا للضوء ، وكان M جسمًا معتمًا يحجب مسار الضوء S الذي يسقط عليه ، فإن مخروط الظل يتشكل خلف الجسم M. يتأخر الجسم M في الضوء القادم من المصدر ، وعلى الشاشة الموضوعة بزاوية قائمة على محور المخروط ، يتم الحصول على ظل محدد جيدًا للجسم M (انظر الشكل 1.1).

أرز. 1.1 استقامة انتشار الضوء.

تشكل مصادر الضوء ذات الأبعاد الكبيرة (مقارنة بالمسافة من مصادر الضوء إلى العائق) شبه ظل. يمكن اعتبار تشكيل شبه الظل باستخدام مصدرين صغيرين يقعان على مسافة من بعضهما البعض مساوية لحجم مصدر ضوء كبير. على التين. يوضح الشكل 1.2 قسمًا من أقماع الظل يتكون من الضوء خلف الجسم M. يتكون الظل الكلي خلف الجسم المعتم M في المنطقة التي لا يضرب فيها الضوء من أي مصدر ضوء.

بينومبرا(مساحة مضاءة جزئيًا) تتشكل في المنطقة التي تمر فيها الأشعة من أحد مصادر الضوء فقط. على سبيل المثال ، في منطقة تمر فيها أشعة المصدر S1 فقط ، ويتم حجب مصدر الضوء الآخر S2 بواسطة الجسم M. إذا كان مصدر الضوء كبيرًا ، فيمكن اعتبار كل نقطة من نقاطه كمصدر نقطة للضوء . في هذه الحالة ، ستتم إضافة إشعاع من أجزاء فردية من السطح المشع. كما يتم تشكيل مناطق الظل وشبه الظل.

أرز. 1.2 تشكلت Penumbra بواسطة مصدر ضوء كبير.

يفسر تكوين الظل عند سقوط أشعة من مصدر ضوء على جسم معتم ظواهر مثل خسوف الشمس وخسوف القمر.

هذه الخاصية مثل استقامة انتشار الضوء، يستخدم في تحديد المسافات في البر والبحر والجو ، وكذلك في الإنتاج عند مراقبة استقامة المنتجات والأدوات عن طريق خط الرؤية.

يوضح استقامة انتشار الضوء إمكانية الحصول على صور باستخدام فتحة صغيرة. يُطلق على أبسط جهاز يسمح لك بمراقبة الصورة المقلوبة للكائنات الكاميرا ذات الثقبوهي عبارة عن صندوق به فتحة صغيرة في الجدار الأمامي. شعاع من الضوء ينتشر في خط مستقيم يصطدم بالجدار الخلفي لحجب الكاميرا ، حيث تظهر بقعة ضوئية بكثافة مناسبة. يؤدي مجموع نقاط الضوء من جميع نقاط الكائن إلى إنشاء صورة لهذا الكائن على الجدار الخلفي لحجب الكاميرا.

درس حول موضوع "تاريخ تطور وجهات النظر حول طبيعة الضوء. سرعة الضوء." الصف الحادي عشر خراموفا آنا فلاديميروفنا

"الجميع الطرق الممكنةمن الضروري أن تثير لدى الأطفال الرغبة الشديدة في المعرفة والمهارة.

يا كامينسكي

درس فيزياء للصف الحادي عشر حول هذا الموضوع

نوع الدرس : درس تعلم مادة جديدة.

شكل الدرس : درس - دراسة نظرية.

أهداف الدرس: لتعريف الطلاب بتاريخ تطور الأفكار حول طبيعة الضوء وطرق اكتشاف سرعة الضوء.

أهداف الدرس:

دروس:

تكرار الخصائص الأساسية للضوء ، تكوين المهارات لشرح الظواهر الفيزيائية بناءً على استخدام نظرية الكم أو الموجة للضوء ، تطبيق فكرة ازدواجية الموجة والجسيم.

النامية:

تعميم وتنظيم المادة المدروسة وتوضيح دور الخبرة والنظرية في التكوين فيزياء الكم، شرح حدود تطبيق النظريات ، الكشف عن ثنائية الموجة الجسدية.

التعليمية:

تظهر اللانهاية لعملية الإدراك ، مفتوحة العالم الروحيوالصفات البشرية للعلماء ، للتعرف على تاريخ تطور العلم ، للنظر في مساهمة العلماء في تطوير نظرية الضوء.

ادوات : تركيب الوسائط المتعددة ، النشرات.

أنشطة: مجموعة عمل، العمل الفردي، عمل أمامي ، عمل مستقل ،العمل مع الأدب أو مصادر المعلومات الإلكترونية ، وتحليل نتائج العمل بالنص ، والمحادثة ، والعمل الكتابي.

هيكل الدرس التفاعلي حول الموضوع

تطوير وجهات النظر حول طبيعة الضوء. سرعة الضوء."

العنصر الهيكليدرس	يستخدم أساليبي	أدوار المعلم	مواقف الطلاب	نتيجة	زمن
غمر	أعرف / أريد أن أعرف / اكتشفت	مصمم ومنظم موقف إبداعي إشكالي	موضوع النشاط الإبداعي	جدول بأعمدة مملوءة "أعرف" ، "أريد أن أعرف"	5 دقائق
الكتلة النظرية	يوميات من جزأين	وسيط التربوية و أنشطة البحثالطلاب	موضوع التدريس المستقل وأنشطة البحث	جدول "تطوير وجهات النظر حول طبيعة الضوء"	15 دقيقة
الكتلة النظرية	العمل الجماعي (باستخدام استراتيجية السجل)	مستشار الاستعلام التربوي الطلابي	موضوع أنشطة التعلم الجماعي	جدول "تحديد سرعة الضوء"	20 دقيقة
انعكاس	أعرف / أريد أن أعرف / اكتشفت	خبير	موضوع النشاط المستقل	جدول بأعمدة مملوءة "أعرف" ، "أريد أن أعرف" ، "ما تعلمته"	5 دقائق

خلال الفصول.

1. تنظيم الوقت. تحياتي التحقق من جاهزية الطلاب للدرس.
2. إعلان عن موضوع الدرس وتحديث المعرفة بهذا الموضوع.

معلم:

يا رفاق ، دعونا نتذكر ما نعرفه عن هذا الموضوع؟

أعط أمثلة على مصادر الضوء الطبيعية والاصطناعية.

ما هو الشعاع؟

قانون الانتشار المستقيم للضوء.

ما هو الظل؟

ما هو Penumbra؟

قانون انعكاس الضوء.

التلاميذ مدعوون لملء العمود الأول "أعرف" من الجدول ZHU (الملحق 1).

في الحديث اليومي ، نستخدم كلمة "ضوء" في أغلب الأحيان معان مختلفة: نوري ، شمسي ، أخبرني ... التعلم نور ، والجهل ظلمة ... في الفيزياء ، مصطلح "ضوء" له معنى أكثر تحديدًا. إذن ما هو الضوء؟ وماذا تريد أن تعرف عن ظاهرة الضوء؟ يرجى ملء العمود الثاني من جدول ZHU بنفسك.

1. تحديد هدف وأهداف الدرس (بناءً على نتيجة تحليل مشترك لجدول ZHU).
2. الكتلة النظرية "تطوير وجهات النظر حول طبيعة الضوء".

يتم إعطاء الطلاب نص "تطوير وجهات النظر حول طبيعة الضوء" (الملحق 2). وتتمثل المهمة في التعرف على النص وتحليله وتجميع مذكرات من جزأين (الملحق 3).

1. مناقشة نتيجة العمل مع النص.
2. الصياغة حالة المشكلة"كيف تقيس سرعة الضوء؟"

قضى العالم الأمريكي الشهير ألبرت ميكلسون معظم حياته في قياس سرعة الضوء.

بمجرد أن فحص أحد العلماء المسار المزعوم لشعاع ضوئي على طول اللوحة سكة حديدية. لقد أراد إنشاء إعداد أفضل لطريقة أكثر دقة لقياس سرعة الضوء. قبل ذلك ، كان قد عمل بالفعل على هذه المشكلة.

عدة سنوات وحققت أدق القيم في ذلك الوقت. أصبح مراسلو الصحف مهتمين بسلوك العالم وسألوه في حيرة من أمره عما يفعله هنا. أوضح ميكلسون أنه كان يقيس سرعة الضوء.

لاجل ماذا؟ - اتبع السؤال.

أجاب ميكلسون ، لأنه مثير للاهتمام بشكل شيطاني.

ولا يمكن لأحد أن يتخيل أن تجارب ميشيلسون ستصبح الأساس الذي سيُبنى عليه الصرح المهيب لنظرية النسبية ، مما يعطي فكرة جديدة تمامًا عن الصورة المادية للعالم.

بعد خمسين عامًا ، كان ميكلسون لا يزال يواصل قياساته لسرعة الضوء.

بمجرد أن سأله أينشتاين العظيم نفس السؤال ،

لأنه مثير للاهتمام! أجاب ميكلسون وآينشتاين بعد نصف قرن.

يسأل المعلم السؤال: "هل من المهم معرفة سرعة الضوء ، بخلاف أنها مجرد" مثيرة للاهتمام بشكل شيطاني "؟

يتم سماع آراء الطلاب ، حيث يتم تطبيق المعرفة حول سرعة الضوء.

1. الكتلة النظرية "قياس سرعة الضوء".

يقسم المعلم الفصل مقدمًا إلى مجموعات إبداعية لدراسة طرق مختلفة لقياس سرعة الضوء:

1. مجموعة طريقة رومر
2. مجموعة طريقة فيزو
3. مجموعة طريقة فوكو
4. برادلي طريقة جروب
5. مجموعة طريقة Michelson

تقدم كل مجموعة تقريرًا + عرضًا تقديميًا عن المادة المدروسة وفقًا للخطة:

1. تاريخ التجربة
2. مجرب
3. جوهر التجربة
4. القيمة التي تم العثور عليها لسرعة الضوء.

يقوم باقي الطلاب بملء الجدول بأنفسهم أثناء أداء المجموعات (الملحق 4). تم إعداد مخطط الجدول مسبقًا.

المعلم يلخص.

ما هي الصعوبة الرئيسية في قياس سرعة الضوء؟

ما هي السرعة التقريبية للضوء في الفراغ؟

تؤكد الفيزياء الحديثة بشكل حاسم أن تاريخ سرعة الضوء لم ينته بعد. والدليل على ذلك هو العمل على قياس سرعة الضوء الذي تم في السنوات الأخيرة.

نتيجة معينة لقياس سرعة الضوء في نطاق الميكروويف كان عمل العالم الأمريكي ك.فروم ، ونشرت نتائجه في عام 1958. حصل العالم على نتيجة 299792.50 كيلومترًا في الثانية. لفترة طويلة ، كانت هذه القيمة تعتبر الأكثر دقة.

من أجل تحسين دقة تحديد سرعة الضوء ، كان من الضروري إنشاء طرق جديدة بشكل أساسي من شأنها أن تسمح بالقياسات في منطقة الترددات العالية ، وبالتالي أطوال موجية أقصر. ظهرت إمكانية تطوير مثل هذه الأساليب بعد إنشاء مولدات الكم الضوئية - الليزر. زادت دقة تحديد سرعة الضوء مقارنة بتجارب فروم بما يقرب من 100 مرة. تعطي طريقة تحديد الترددات باستخدام إشعاع الليزر قيمة سرعة الضوء تساوي 299792.462 كيلومترًا في الثانية.

يواصل الفيزيائيون التحقيق في مسألة ثبات سرعة الضوء بمرور الوقت. يمكن لدراسات سرعة الضوء أن تعطي المزيد من المعرفة بالطبيعة التي لا تنضب في تنوعها. 300 عام من تاريخ الثابت الأساسيمن تظهر بوضوح علاقتها مع القضايا الحرجةالفيزياء.

المعلم: - ما الخلاصة التي يمكن أن نستخلصها حول أهمية قيمة سرعة الضوء؟

الطلاب: - مكّن قياس سرعة الضوء من تطوير الفيزياء كعلم.

1. انعكاس. ملء العمود "تعلم" في جدول ZHU.

واجب منزلي.القسم 59 (G.Ya.Myakishev، B.B. Bukhovtsev "الفيزياء. 11")

حل المشاكل

1. من الأسطورة اليونانية القديمة لفرساوس:

"لم يكن أبعد من تحليق سهم وحش عندما طار بيرسيوس عالياً في الهواء. سقط ظله في البحر ، واندفع الوحش بغضب نحو ظل البطل. اندفع Perseus بجرأة من ارتفاع إلى الوحش وسقط سيفًا منحنيًا بعمق في ظهره ... "

سؤال: ما هو الظل وما هي الظاهرة الفيزيائية التي يتكون منها؟

2. من القصة الخيالية الأفريقية "انتخاب القائد":

قال اللقلق "رفقاء" وهو يخطو بهدوء في منتصف الدائرة. لقد كنا نتجادل منذ الصباح. انظروا ، لقد تم تقصير ظلالنا بالفعل وستختفي تمامًا قريبًا ، لأن الظهر يقترب. لذلك دعونا نتخذ قرارًا قبل أن تمر الشمس أوجها ... "

سؤال: لماذا أصبحت أطوال الظلال التي ألقاها الناس أقصر؟ اشرح إجابتك برسم. هل يوجد مكان على الأرض يكون فيه التغيير في طول الظل ضئيلًا؟

3. من الحكاية الخيالية الإيطالية "الرجل الذي كان يبحث عن الخلود":

"وبعد ذلك رأى جرانتيستا شيئًا بدا له أكثر فظاعة من العاصفة. كان هناك وحش يقترب من الوادي ، ويطير أسرع من شعاع من الضوء. لها أجنحة من الجلد وبطن ناعم ثؤلولي وفم ضخم بأسنان بارزة ... "

سؤال: ما الخطأ من وجهة نظر الفيزياء في هذا المقطع؟

4. من الأسطورة اليونانية القديمة لفرساوس:

"سرعان ما ابتعد Perseus عن Gorgons. إنه يخشى رؤية وجوههم الهائلة: بعد كل شيء ، نظرة واحدة وسوف يتحول إلى حجر. أخذ Perseus درع Pallas Athena - حيث انعكست Gorgons في المرآة. أيهما ميدوسا؟

عندما يسقط نسر من السماء على الضحية المقصودة ، هرع بيرسيوس إلى ميدوسا النائمة. إنه ينظر إلى درع واضح ليضرب بشكل أكثر دقة ... "

سؤال: ماذا ظاهرة فيزيائيةاعتاد فرساوس على قطع رأس ميدوسا؟

المرفقات 1.

جدول "تعرف / تريد أن تعرف / تعلم"

الملحق 2

تاريخ تطور وجهات النظر حول طبيعة الضوء

تم طرح الأفكار الأولى حول طبيعة الضوء في العصور القديمة. ابتكر الفيلسوف اليوناني أفلاطون (427-327 قبل الميلاد) إحدى أولى نظريات الضوء.

أنشأ إقليدس وأرسطو (300-250 قبل الميلاد) بشكل تجريبي قوانين أساسية للظواهر البصرية مثل الانتشار المستقيم للضوء واستقلالية حزم الضوء والانعكاس والانكسار. شرح أرسطو أولاً جوهر الرؤية.

على الرغم من حقيقة أن المواقف النظرية للفلاسفة القدماء ، ولاحقًا علماء العصور الوسطى ، كانت غير كافية ومتناقضة ، فقد ساهموا في تكوين وجهات نظر صحيحة حول جوهر ظاهرة الضوء ووضعوا الأساس لمزيد من تطوير نظرية الضوء وابتكار أدوات بصرية مختلفة. مع تراكم الأبحاث الجديدة حول خصائص ظاهرة الضوء ، تغيرت وجهة النظر حول طبيعة الضوء. يعتقد العلماء أن تاريخ دراسة طبيعة الضوء يجب أن يبدأ من القرن السابع عشر.

في القرن السابع عشر ، قام عالم الفلك الدنماركي ريمر (1644-1710) بقياس سرعة انتشار الضوء ، اكتشف الفيزيائي الإيطالي جريمالدي (1618-1663) ظاهرة الانعراج ، وطور العالم الإنجليزي اللامع آي نيوتن (1642-1727) النظرية الجسيمية للضوء ، اكتشفت ظواهر التشتت والتداخل ، اكتشف إ. بارثولين (1625–1698) الانكسار المزدوج في الصاري الأيسلندي ، وبالتالي وضع أسس البصريات البلورية. وضع Huygens (1629-1695) الأساس لنظرية موجة الضوء.

في القرن السابع عشر ، بذلت المحاولات الأولى لإثبات ظاهرة الضوء المرصودة نظريًا. النظرية الجسيمية للضوء ، التي طورها نيوتن ، هي أن الإشعاع الضوئي يعتبر تيارًا مستمرًا من الجسيمات الدقيقة - الجسيمات ، التي تنبعث من مصدر الضوء وتطير بسرعة عالية في وسط متجانس في خط مستقيم وموحد.

من وجهة نظر نظرية موجات الضوء ، مؤسسها هو H. Huygens ، فإن إشعاع الضوء هو حركة موجية. اعتبر Huygens أن الموجات الضوئية هي موجات مرنة عالية التردد تنتشر في وسط مرن وكثيف خاص - الأثير ، الذي يملأ جميع الأجسام المادية ، والفجوات بينها وبين الفراغات بين الكواكب.

تم إنشاء النظرية الكهرومغناطيسية للضوء في منتصف القرن التاسع عشر بواسطة ماكسويل (1831-1879). وفقًا لهذه النظرية ، فإن الموجات الضوئية ذات طبيعة كهرومغناطيسية ، ويمكن اعتبار الإشعاع الضوئي حالة خاصة الظواهر الكهرومغناطيسية. أكدت الأبحاث التي أجراها هيرتز ولاحقًا من قبل بي إن ليبيديف أن جميع الخصائص الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية تتوافق مع خصائص موجات الضوء.

أنشأ Lorentz (1896) العلاقة بين الإشعاع وبنية المادة وطور النظرية الإلكترونية للضوء ، والتي بموجبها يمكن للإلكترونات التي تتكون منها الذرات أن تتأرجح مع فترة معروفة ، وفي ظل ظروف معينة ، تمتص الضوء أو تنبعث منه.

شرحت نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية ، جنبًا إلى جنب مع نظرية لورانس الإلكترونية ، جميع الظواهر الضوئية المعروفة آنذاك ويبدو أنها تكشف تمامًا مشكلة طبيعة الضوء.

تم اعتبار انبعاثات الضوء بمثابة تذبذبات دورية للقوى الكهربائية والمغناطيسية المنتشرة في الفضاء بسرعة 300000 كيلومتر في الثانية. اعتقد لورنس أن حامل هذه الاهتزازات ، الأثير الكهرومغناطيسي ، له خصائص عدم الحركة المطلقة. ومع ذلك ، سرعان ما ثبت أن النظرية الكهرومغناطيسية التي تم إنشاؤها لا يمكن الدفاع عنها. بادئ ذي بدء ، لم تأخذ هذه النظرية بعين الاعتبار خصائص البيئة الحقيقية التي فيها التذبذبات الكهرومغناطيسية. بالإضافة إلى ذلك ، لم تستطع هذه النظرية تفسير عدد من الظواهر البصرية التي واجهتها الفيزياء في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين. وتشمل هذه الظواهر عمليات انبعاث وامتصاص الضوء ، وإشعاع الجسم الأسود ، والتأثير الكهروضوئي ، وغيرها.

نشأت نظرية الكم للضوء في بداية القرن العشرين. تمت صياغته في عام 1900 وتم إثباته في عام 1905. مؤسسا نظرية الكم للضوء هما بلانك وأينشتاين. وفقًا لهذه النظرية ، يتم إصدار الإشعاع الضوئي وامتصاصه بواسطة جسيمات المادة ليس بشكل مستمر ، ولكن بشكل منفصل ، أي في أجزاء منفصلة - كوانتا الضوء.

نظرية الكم مثل صيغة جديدةأحيت النظرية الجسيمية للضوء ، ولكن في جوهرها كان تطوير وحدة الظواهر الموجية والجسيمية.

نتيجة ل التطور التاريخيتمتلك البصريات الحديثة نظرية مثبتة عن ظاهرة الضوء ، والتي يمكن أن تشرح الخصائص المختلفة للإشعاع وتسمح لنا بالإجابة على سؤال حول الظروف التي يمكن أن تظهر فيها خصائص معينة للإشعاع الضوئي. النظرية الحديثةيؤكد الضوء طبيعته المزدوجة: الموجة والجسيمية.

النتيجة (كم / ث)

1676

رومر

أقمار كوكب المشتري

214000

1726

برادلي

انحراف نجمي

301000

1849

فيزو

هيأ

315000

1862

فوكو

مرآة دوارة

298000

1883

ميكلسون

مرآة دوارة

299910

1983

القيمة المقبولة

299 792,458

صفحة

تطوير وجهات النظر حول طبيعة الضوء

طريقتان لتمرير التفاعلات

نظريات الجسيمات والموجات للضوء

ظاهرة تداخل الضوء

إضافة موجتين أحاديتين اللون

شروط الحد الأقصى والحد الأدنى لنمط التداخل

نمط التدخل

لماذا لا تكون موجات الضوء من مصدرين متماسكة

فكرة أوغستين فريسنل

فرينل بريبريسم

أبعاد مصادر الضوء

الطول الموجي الخفيف

الطول الموجي ولون الضوء الذي تدركه العين

ظاهرة التداخل في الأفلام الرقيقة

فكرة توماس يونغ

توطين أطراف التداخل

خواتم نيوتن

تغير الطول الموجي في المادة

لماذا يجب أن تكون الأفلام رقيقة

بعض تطبيقات التدخل

تجربة ميكلسون

فحص جودة السطح

تنوير البصريات

مجهر التدخل

مقياس التداخل النجمي

مقياس التداخل الراديوي

فهرس

تطوير وجهات النظر حول طبيعة الضوء

كانت الأفكار الأولى للعلماء القدماء حول ماهية الضوء ساذجة للغاية. كان يعتقد أن مخالب رقيقة خاصة تخرج من العين وتنشأ انطباعات بصرية عندما يشعرون بالأشياء. بالطبع ، ليست هناك حاجة للخوض في مثل هذه الآراء بالتفصيل ، ولكن من الضروري تتبع تطور الأفكار العلمية بإيجاز حول ماهية الضوء.

طريقتان لتمرير التفاعلات

ينتشر الضوء من المصدر في جميع الاتجاهات ويسقط على الأشياء المحيطة ، مما يتسبب بشكل خاص في تسخينها. عندما يدخل الضوء إلى العين ، فإنه يسبب أحاسيس بصرية - نحن نرى. يمكن القول أنه أثناء انتشار الضوء ، هناك انتقال للتأثيرات من جسم (مصدر الضوء) إلى جسم آخر (مستقبل الضوء).

بشكل عام ، يمكن أن يقوم شخصان بعمل جسم على آخر طرق مختلفة: إما من خلال نقل المادة من المصدر إلى المستقبل ، أو من خلال تغيير الحالة بيئةالتي تقع فيها الجثث ، أي. لا نقل المواد.

يمكنك ، على سبيل المثال ، عمل جرس ، يقع على مسافة معينة ، عن طريق ضربه بكرة بنجاح. نحن هنا نتعامل مع نقل المادة. ولكن يمكنك القيام بخلاف ذلك: اربط الحبل بلسان الجرس واجعل الجرس يرن ، وإرسال موجات على طول الحبل ، وأرجح لسانه. في هذه الحالة ، لا يحدث نقل للمواد. تنتشر الأمواج على طول الحبل ، أي. يتغير شكل الخط. وبالتالي ، يمكن أن ينتقل الفعل من جسم إلى آخر عن طريق الموجات.

نظريات الجسيمات والموجات للضوء

وفقًا للطريقتين المحتملتين لنقل الإجراء من المصدر إلى المستقبل ، نشأت نظريتان مختلفتان تمامًا وبدأت تتطور حول ماهية الضوء وما هي طبيعته. علاوة على ذلك ، فقد نشأت في وقت واحد تقريبًا في القرن السابع عشر. ترتبط إحدى هذه النظريات باسم الفيزيائي الإنجليزي إسحاق نيوتن ، والأخرى مرتبطة باسم الفيزيائي الهولندي كريستيان هيغنز.

التزم نيوتن بما يسمى نظرية الجسيمات (من الكلمة اللاتينية korpusculum - الجسيم) للضوء ، والتي وفقًا لها الضوء هو تيار من الجسيمات تنتشر من مصدر في جميع الاتجاهات (أي ، نقل المادة). وفقًا لأفكار Huygens ، فإن الضوء عبارة عن موجات تنتشر في وسط افتراضي خاص - الأثير ، يملأ كل الفراغ ويتغلغل في باطن كل الأجسام.

كلتا النظريتين موجودتان بالتوازي لفترة طويلة. لم يتمكن أي منهم من تحقيق نصر حاسم. فقط سلطة نيوتن أجبرت غالبية العلماء على إعطاء الأفضلية لنظرية الجسيمات. تم تفسير قوانين انتشار الضوء المكتشفة تجريبياً والمعروفة في ذلك الوقت بنجاح إلى حد ما من خلال كلتا النظريتين. على أساس نظرية الجسيمات ، كان من الصعب تفسير سبب عدم تأثير حزم الضوء ، المتقاطعة في الفضاء ، على بعضها البعض بأي شكل من الأشكال. بعد كل شيء ، يجب أن تصطدم جزيئات الضوء وتشتت.

أوضحت نظرية الموجة ذلك بسهولة. الأمواج ، على سبيل المثال ، على سطح الماء ، تمر بحرية عبر بعضها البعض دون تأثير متبادل. ومع ذلك ، يصعب تفسير الانتشار المستقيم للضوء ، الذي يؤدي إلى تكوين ظلال حادة خلف الأشياء ، بناءً على نظرية الموجة. وفقًا لنظرية الجسيمات ، فإن الانتشار المستقيم للضوء هو ببساطة نتيجة لقانون القصور الذاتي. استمر هذا الموقف غير المحدد فيما يتعلق بطبيعة الضوء حتى التاسع عشر في وقت مبكرالقرن ، عندما تم اكتشاف ظاهرة حيود الضوء (التفاف الضوء حول العوائق) وتداخل الضوء (تكثيف الضوء أو إضعافه عند تثبيت حزم الضوء على بعضها البعض). هذه الظواهر متأصلة حصريًا في حركة الموجة. من المستحيل شرحها بمساعدة نظرية الجسيمات. لذلك ، بدا أن نظرية الموجة قد فازت بنصر نهائي وكامل.

تعززت هذه الثقة بشكل خاص عندما أثبت الفيزيائي الإنجليزي جيمس كليرك ماكسويل في النصف الثاني من القرن التاسع عشر أن الضوء هو حالة خاصة من الموجات الكهرومغناطيسية. وضع عمل ماكسويل أسس النظرية الكهرومغناطيسية للضوء.

بعد الاكتشاف التجريبي للموجات الكهرومغناطيسية في نهاية القرن التاسع عشر بواسطة الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز ، لم يكن هناك شك في أن الضوء يتصرف مثل الموجة أثناء الانتشار. ومع ذلك ، في بداية القرن العشرين ، بدأت الأفكار حول طبيعة الضوء تتغير بشكل جذري. اتضح فجأة أن نظرية الجسيمات المرفوضة لا تزال ذات صلة بالواقع.

اتضح أنه أثناء الانبعاث والامتصاص ، يتصرف الضوء مثل تيار من الجسيمات. تم اكتشاف خصائص الضوء غير المستمرة ، أو كما يقول الفيزيائيون. نشأ موقف غير معتاد: لا يزال من الممكن تفسير ظاهرة التداخل والحيود من خلال اعتبار الضوء كموجة ، ويمكن تفسير ظاهرة الإشعاع والامتصاص من خلال الاتفاق على أن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات. تم الجمع بين هاتين الفكرتين اللتين بدتا متعارضتين حول طبيعة الضوء في الثلاثينيات من القرن العشرين بنجاح في نظرية فيزيائية جديدة - الديناميكا الكهربية الكمومية. بمرور الوقت ، أصبح من الواضح أن ازدواجية الخصائص متأصلة ليس فقط في الضوء ، ولكن أيضًا في أي شكل آخر من أشكال المادة. لذلك ، من أجل التأكد من أن الضوء له طبيعة موجية ، من الضروري إيجاد دليل تجريبي على تداخل الضوء وانعراجه.

ظاهرة تداخل الضوء

من المعروف أنه لملاحظات التداخل المستعرض موجات ميكانيكيةتم استخدام مصدرين للموجات على سطح الماء (على سبيل المثال ، كرتان مثبتتان على هزاز متأرجح). من المستحيل الحصول على نمط تداخل (بالتناوب بين الحد الأدنى والحد الأقصى للإضاءة) باستخدام مصدرين مستقلين طبيعيين للضوء ، على سبيل المثال ، مصباحان كهربائيان. يؤدي تضمين مصباح كهربائي آخر إلى زيادة إضاءة السطح المضيء فقط. دعنا نتعرف على سبب ذلك.

إضافة موجتين أحاديتين اللون

دعونا نرى ما يحدث نتيجة إضافة موجتين متحركتين لهما نفس ترددات التذبذب. من المعروف أن موجات الضوء التوافقي تسمى أحادية اللون. دع هذه الموجات تنتشر من مصدرين نقطيين S1 و S2 يقعان على مسافة من بعضهما البعض. سيتم النظر في نتيجة إضافة الموجة على مسافة من المصادر أكبر بكثير (أي). يتم وضع الشاشة التي تسقط عليها موجات الضوء موازية للخط الذي يربط بين المصادر (انظر الشكل 1).

الموجة الضوئية ، وفقًا للنظرية الكهرومغناطيسية للضوء ، هي موجة كهرومغناطيسية. في موجة كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ ، التوتر الحقل الكهربائي modulo ، في نظام Gauss ، يساوي الحث المغناطيسي. سننظر في إضافة موجات شدة المجال الكهربائي. ومع ذلك ، فإن معادلة الموجة المتنقلة لها نفس الشكل للموجات من أي طبيعة فيزيائية.

لذلك ، تصدر المصادر S1 و S2 موجتين كرويتين أحادية اللون. اتساع هذه الموجات يتناقص مع المسافة. ومع ذلك ، إذا أخذنا في الاعتبار تجميع الموجات على مسافات r1 و r2 من المصادر ، فإن العديد منها مسافات طويلةبين المصادر (أي ، و) ، يمكن اعتبار السعات من كلا المصدرين متساوية.

الموجات التي جاءت من المصادر S1 و S2 إلى النقطة A من الشاشة لها نفس الاتساع تقريبًا ونفس الترددات للتذبذبات. في الحالة العامةقد تختلف المراحل الأولية للتذبذبات في مصادر الموجة. تشغيل المعادلة موجة كرويةبشكل عام يمكن كتابتها على النحو التالي:

حيث φ0 هي المرحلة الأولية للتذبذبات في المصدر ().

عند إضافة موجتين عند النقطة A ، ينتج عن ذلك التذبذب التوافقيتوتر:

هنا نعتبر أن تقلبات الشدة تحدث على طول خط مستقيم واحد. للدلالة به:

المرحلة الأولية من تذبذبات الموجة الأولى عند النقطة A وبعدها: - المرحلة الأولىتذبذبات الموجة الثانية عند نفس النقطة. ثم:

بالنسبة لاختلاف المرحلة نحصل على التعبير:

سعة تقلبات التوتر الناتجة عند النقطة A تساوي:

من المعروف أن كثافة الإشعاع I تتناسب طرديًا مع مربع اتساع تقلبات الشدة ، مما يعني لموجة واحدة: I ~ E ، وللتقلبات الناتجة: I ~ E. لذلك ، بالنسبة لشدة الموجة عند النقطة أ ، لدينا:

شروط الحد الأقصى والحد الأدنى لنمط التداخل

يتم تحديد شدة الضوء في نقطة معينة في الفضاء من خلال اختلاف طور التذبذبات φ 1 - φ 2. إذا كانت تذبذبات المصادر في طور ، إذن φ 01 - φ 02 = 0 و:

يتم تحديد فرق الطور من خلال الاختلاف في المسافات من المصادر إلى نقطة المراقبة. تذكر أن الاختلاف في المسافات يسمى الاختلاف في مسار الموجات المتداخلة من مصادرها. في تلك النقاط في الفضاء الذي الشرط التالي:

ك = 0 ، 1 ، 2 ... (3)

تلغي الأمواج بعضها البعض (أنا = 0).

نتيجة لذلك ، يظهر نمط تداخل في الفضاء ، وهو تناوب بين الحد الأقصى والحد الأدنى من شدة الضوء ، وبالتالي إضاءة الشاشة. شروط الحد الأقصى للتداخل (انظر الصيغة 3) والحد الأدنى (انظر الصيغة 4) هي نفسها تمامًا كما في حالة تداخل الموجة الميكانيكية.

نمط التدخل

إذا تم رسم أي مستوى من خلال المصادر ، فسيتم ملاحظة الحد الأقصى للشدة عند نقاط المستوى التي تفي بالشرط:

تقع هذه النقاط على منحنى يسمى القطع الزائد. بالنسبة للقطع الزائد ، يتم استيفاء الشرط: الفرق في المسافات من أي نقطة على المنحنى إلى نقطتين ، تسمى بؤر القطع الزائد ، هو قيمة ثابتة. يتم الحصول على عائلة من القطع الزائد ، والتي تتوافق مع قيم مختلفة لـ k ، عندما تكون مصادر الضوء هي بؤر القطع الزائد.

عندما يدور القطع الزائد حول المحور الذي يمر عبر المصادر S1 و S2 ، يتم الحصول على سطحين يشكلان تجويفًا زائدًا للثورة (انظر الشكل 2) ، عندما تتوافق قيم مختلفة لـ k مع أسطح زائدة مختلفة. يعتمد نمط التداخل على الشاشة على موقع الشاشة. يتم إعطاء شكل هامش التداخل من خلال خطوط تقاطع مستوى الشاشة مع هذه الأشكال الزائدة. إذا كانت الشاشة A عمودية على الخط l الذي يربط بين مصدري الضوء S1 و S2 (انظر الشكل 2) ، فإن هامش التداخل يكون في شكل دوائر. إذا كانت الشاشة B موازية للخط الذي يربط بين مصدري الضوء S1 و S2 ، فستكون أطراف التداخل عبارة عن أعمدة زائدة. لكن هذه القطع الزائدة على مسافة كبيرة D بين مصادر الضوء والشاشة القريبة من النقطة O يمكن اعتبارها تقريبًا شرائح من الخطوط المتوازية.

لنجد توزيع شدة الضوء على الشاشة (انظر الشكل 1) على طول الخط المستقيم MN الموازي للخط S1S2. للقيام بذلك ، نجد اعتماد اختلاف الطور (انظر الصيغة 2) على المسافة: h = OA. بتطبيق نظرية فيثاغورس على المثلثات ونحصل على:

بطرح مصطلح بمصطلح من المساواة الأولى والثاني ، نجد:

النظر ل<

تتغير شدة الضوء (انظر الصيغة 1) مع h:

يتم عرض مخطط لهذه الوظيفة (انظر الشكل 3). تتغير الشدة بشكل دوري وتصل إلى الحد الأقصى تحت الشرط:

ك = 0 ، 1 ، 2 ، ... (6)

تحدد القيمة hk موضع الحد الأقصى للعدد k.

المسافة بين القمم المجاورة:

يتناسب طرديًا مع الطول الموجي للضوء λ وكلما زاد ، كلما كانت المسافة l بين مصادر الضوء أصغر مقارنة بالمسافة D إلى الشاشة.

في الواقع ، لن تكون الشدة ثابتة من ذروة تداخل إلى ذروة تداخل أخرى ، ولن تظل ثابتة على طول أحد أطراف التداخل. الحقيقة هي أن سعات موجات الضوء من مصادر الضوء S1 و S2 متساوية تمامًا ، فقط عند النقطة O. في نقاط أخرى تكون متساوية تقريبًا.

كما في حالة الموجات الميكانيكية ، فإن تشكيل نمط التداخل لا يعني تحويل الضوء إلى أي أشكال أخرى. يتم إعادة توزيعها فقط في الفضاء. متوسط ​​قيمة شدة الضوء الإجمالية يساوي مجموع الشدة من مصدري الضوء. في الواقع ، متوسط ​​قيمة شدة الضوء على كامل طول نمط التداخل (انظر الصيغة 5) يساوي 2I0 ، حيث أن متوسط ​​قيمة جيب التمام لجميع القيم الممكنة للوسيطة اعتمادًا على h هو صفر.

لماذا لا تكون موجات الضوء من مصدرين متماسكة

ينشأ نمط التداخل من مصدرين ، والذي وصفناه ، فقط عند إضافة موجات أحادية اللون من نفس التردد. بالنسبة للموجات أحادية اللون ، يكون اختلاف طور التذبذبات في أي نقطة في الفضاء ثابتًا. تسمى الموجات التي لها نفس التردد وفرق الطور الثابت متماسكة. فقط الموجات المتماسكة ، المتراكبة على بعضها البعض ، تعطي نمط تداخل ثابت مع ترتيب ثابت في الفضاء من الذبذبات القصوى والدنيا. موجات الضوء من مصدرين مستقلين ليست متماسكة.

تشع ذرات المصادر الضوء بشكل مستقل عن بعضها البعض كـ "قطع" منفصلة (أي قطارات) من الموجات الجيبية. مدة الإشعاع المستمر للذرة حوالي 10 -8ثواني. خلال هذا الوقت ، ينتقل الضوء في مسار يبلغ طوله حوالي 3 أمتار (انظر الشكل 4).

قطارات الأمواج هذه من كلا المصدرين متراكبة على بعضها البعض. يتغير اختلاف طور التذبذبات في أي نقطة في الفضاء بشكل عشوائي مع مرور الوقت اعتمادًا على كيفية نقل القطارات من مصادر مختلفة بالنسبة إلى بعضها البعض في وقت معين. الموجات من مصادر الضوء المختلفة ليست متماسكة بسبب حقيقة أن الاختلاف في المراحل الأولية لا يظل ثابتًا (الاستثناء هو مولدات الضوء الكمومية - الليزر الذي تم إنشاؤه في عام 1960). المراحل φ 01و φ 02يتغير بشكل عشوائي ، ولهذا السبب ، يتغير فرق الطور للتذبذبات الناتجة في أي نقطة في الفضاء بشكل عشوائي.

مع "الفواصل" العشوائية و "حدوث" التذبذبات ، يتغير فرق الطور عشوائيًا ، مع أخذ جميع القيم الممكنة من 0 إلى 2 أثناء وقت المراقبة π . نتيجة لذلك ، بمرور الوقت τ ، أطول بكثير من وقت تغيرات الطور غير المنتظم (بترتيب 10 -8ثواني) ، متوسط ​​القيمة cos ( φ 1-φ 2) في معادلة الكثافة (انظر الصيغة 1) تساوي صفرًا. تبين أن شدة الضوء تساوي مجموع الشدة من المصادر الفردية ، ولن يتم ملاحظة أي نمط تداخل.

عدم تماسك موجات الضوء هو السبب الرئيسي لعدم إعطاء الضوء من مصدرين نمط تداخل. هذا هو السبب الرئيسي ، ولكن ليس السبب الوحيد. سبب آخر هو أن الطول الموجي للضوء ، كما سنرى قريبًا ، قصير جدًا جدًا. هذا يعقد بشكل كبير مراقبة التداخل ، حتى لو كان لدى المرء مصادر موجة متماسكة. لذلك ، من أجل ملاحظة نمط التداخل المستقر عند فرض موجات الضوء ، من الضروري أن تكون موجات الضوء متماسكة ، أي لها نفس الطول الموجي وفرق الطور الثابت.

فكرة أوغستين فريسنل

للحصول على مصادر ضوء متماسكة ، وجد الفيزيائي الفرنسي أوغستين فريسنل في عام 1815 طريقة بسيطة ومبتكرة. من الضروري تقسيم الضوء من مصدر واحد إلى شعاعين ، وإجبارهم على السير في مسارات مختلفة ، وتجميعهم معًا. ثم يتم تقسيم قطار الأمواج المنبعث من ذرة فردية إلى قطارين متماسكين. سيكون هذا هو الحال بالنسبة لقطارات الأمواج المنبعثة من كل ذرة من المصدر. يعطي الضوء المنبعث من ذرة واحدة نمط تداخل معين. عندما يتم تثبيت هذه الصور على بعضها البعض ، يتم الحصول على توزيع مكثف للإضاءة على الشاشة: يمكن ملاحظة نمط التداخل.

هناك العديد من الطرق للحصول على مصادر ضوء متماسكة ، ولكن جوهرها هو نفسه. من خلال تقسيم الحزمة إلى جزأين ، يتم الحصول على مصدرين خياليين للضوء ، مما يعطي موجات متماسكة. للقيام بذلك ، استخدم مرآتين (مرايا فرينل ثنائية) ، وثنائية فرينل (موشوران مطويان عند القاعدة) ، و bilens (عدسة مقطوعة إلى نصفين متباعدين إلى نصفين) وأكثر من ذلك بكثير. والآن سنلقي نظرة فاحصة على أحد الأجهزة.

فرينل بريبريسم

تتكون ثنائية فرينل من منشورين بزوايا انكسار صغيرة مكدسة معًا (انظر الشكل 5). يسقط الضوء من المصدر S على الوجوه العلوية للثنائي ، وبعد الانكسار ، يظهر شعاعتان ضوئيتان.

تتقاطع استمرار الأشعة المنكسرة بواسطة المنشور العلوي والسفلي في الاتجاه المعاكس عند نقطتين S 1و S. 2وهي صور تخيلية للمصدر S. لزوايا انكسار صغيرة θ المنشورات والمصدر وصورتهما التخيليتان تكمن عمليًا في نفس المستوى. الموجات في كلا الشعاعين متماسكة ، لأنها في الواقع تنبعث من نفس المصدر.

كلا العوارض متراكبة على بعضها البعض وتتداخل. يوجد نمط تداخل موصوف سابقًا.

الدليل الواضح جدًا على أننا نتعامل مع التداخل هو تغيير بسيط في التجربة. إذا كان نصف الثنائيات مغطى بشاشة معتمة ، فإن نمط التداخل يختفي ، حيث لا يحدث تراكب للموجات. تعتمد المسافة بين أطراف التداخل (انظر الصيغة 7) على طول الموجات المتداخلة λ ، المسافات b من biprism إلى الشاشة، المسافات l بين مصادر الضوء الوهمية. دعونا نحسب هذه المسافة.

لحساب l ، من الأسهل النظر في مسار حادث شعاع على منشور بشكل طبيعي (أي بشكل عمودي على سطحه). لا يوجد مثل هذا الشعاع في الواقع ، ولكن يمكن بناؤه من خلال الاستمرار الذهني للوجه الانكساري للمنشور (انظر الشكل 6). تتقاطع عمليات استمرار كل الأشعة الواقعة على وجه المنشور عند النقطة S1 - المصدر الخيالي. كما يتضح من الشكل ، وأين هي المسافة من المصدر إلى biprism. وفقًا لقانون الانكسار للزوايا الصغيرة:. (تكون الزوايا صغيرة عندما تكون زاوية انكسار المنشور صغيرة وعندما تكون a أكبر بكثير من حجم biprism.)

مسافه: بعد:

المسافة بين الأطراف المتداخلة (انظر الصيغة 8) هي:

حيث b هي المسافة من biprism إلى الشاشة.

وبالتالي ، كلما كانت زاوية انكسار المنشور أصغر ، زادت المسافة بين الحد الأقصى للتداخل. وفقًا لذلك ، يسهل ملاحظة نمط التداخل. هذا هو السبب في أن ثنائية البيبريزم يجب أن يكون لها زوايا انكسار صغيرة.

أبعاد مصادر الضوء

لمراقبة التداخل باستخدام biprism والأجهزة المماثلة ، يجب أن تكون الأبعاد الهندسية لمصدر الضوء صغيرة. الحقيقة هي أن مجموعات الذرات على اليسار ، على سبيل المثال ، جزء من المصدر ، تعطي نمط التداخل الخاص بها ، ويمنح اليمين نمط التداخل الخاص بهم. يتم إزاحة هذه الصور عن بعضها البعض (انظر الشكل 7).

مع مصدر ضوء كبير ، فإن الحد الأقصى لنمط تداخل واحد سوف يتزامن مع الحدود الدنيا لنمط تداخل آخر ، ونتيجة لذلك ، فإن نمط التداخل سيكون "ملطخًا" (أي ستصبح إضاءة الشاشة موحدة).

الطول الموجي الخفيف

يسمح لك نمط التداخل بتحديد الطول الموجي للضوء. يمكن القيام بذلك ، على وجه الخصوص ، في تجارب مع biprism. معرفة مسافتَي a و b وزاوية انكسار biprism θ ومعامل انكساره n ، بقياس المسافات بين الحد الأقصى للتداخل Δ ح ، يمكنك حساب الطول الموجي للضوء (انظر الصيغة 8). عندما يضيء biprism بضوء أبيض ، يبقى الحد الأقصى المركزي فقط أبيض ، وكل الحدود القصوى الأخرى لها لون "قوس قزح". بالقرب من مركز نمط التداخل ، يظهر لون أرجواني ، وبعيدًا عن مركز نمط التداخل ، يظهر لون أحمر. هذا يعني (انظر الصيغة 6) أن الطول الموجي للضوء الذي تدركه العين كالأحمر هو الحد الأقصى ، والطول الموجي للضوء الذي تدركه العين مثل البنفسجي هو الحد الأدنى. مسافة الحد الأقصى للتداخل من المركز:

فقط عند k = 0 ، hk = 0 لجميع الأطوال الموجية ، لذا فإن الحد الأقصى "صفر" ليس "قوس قزح" ، ولكنه أبيض. من السهل اكتشاف اعتماد لون الضوء الذي تدركه العين على الطول الموجي للضوء عن طريق وضع مرشحات ضوئية مختلفة في مسار الضوء الأبيض الساقط على biprism. المسافات بين قمم أشعة الضوء الأحمر أكبر من تلك الخاصة بأشعة الضوء الأصفر ، مقارنة بأشعة الضوء الأخضر وجميع ألوان الأشعة الأخرى. تم إعطاء قياسات لعدادات الضوء الأحمر وعدادات الضوء الأرجواني. الأطوال الموجية المقابلة لألوان الطيف الأخرى لها قيم وسيطة لأطوال موجات الضوء المذكورة أعلاه.

بالنسبة لأي لون ، يكون الطول الموجي للضوء صغيرًا جدًا جدًا. يمكن الحصول على بعض التمثيل المرئي لطول موجة الضوء من المقارنة التالية. إذا كانت موجة البحر ، التي يبلغ طولها بضعة أمتار ، ستزيد أضعاف عدد المرات التي سيكون من الضروري فيها زيادة طول الموجة الضوئية حتى تتساوى مع عرض هذا التقرير على ورقة المصطلح الخاص بي ، فعندئذٍ المحيط الأطلسي بأكمله (من نيويورك في الولايات المتحدة إلى لشبونة في البرتغال) لن يصلح إلا موجة بحرية واحدة. ومع ذلك ، فإن طول أشعة الضوء أكبر بحوالي ألف مرة من قطر ذرة واحدة ، وهو ما يساوي تقريبًا م.

الطول الموجي ولون الضوء الذي تدركه العين

لا تثبت ظاهرة التداخل أن للضوء خصائص موجية فحسب ، بل تتيح لك أيضًا قياس الطول الموجي للضوء. في الوقت نفسه ، اتضح أنه مثلما يتم تحديد درجة الصوت التي تدركها الأذن من خلال تردد الاهتزازات الميكانيكية المنتشرة ، يتم تحديد لون الضوء الذي تدركه العين بواسطة تردد انتشار التذبذبات الكهرومغناطيسية التي تنتمي إلى " نطاق الضوء المرئي. معرفة الخصائص الفيزيائية لموجة الضوء التي يعتمد عليها إدراك اللون للضوء ، من الممكن إعطاء تعريف أعمق لظاهرة تشتت الضوء. يجب أن يسمى التشتت اعتماد معامل الانكسار لوسط شفاف بصريًا ليس على لون ضوء الانتشار ، ولكن على تواتر انتشار التذبذبات الكهرومغناطيسية.

لا توجد ألوان خارجنا في الطبيعة ، لا يوجد سوى تذبذبات كهرومغناطيسية ذات ترددات مختلفة ، تنتشر في شكل موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال مختلفة. العين جهاز مادي معقد قادر على التمييز بين الصغيرة (حوالي 10 -6سم) الفرق في طول موجات الضوء. ومن المثير للاهتمام أن معظم الحيوانات ، بما في ذلك الكلاب ، غير قادرة على تمييز الألوان ، ولكنها تميز فقط شدة الضوء ، أي يرون صورة بالأبيض والأسود ، كما هو الحال في فيلم غير ملون أو على شاشة تلفزيون غير ملونة. كما أن الأشخاص المصابين بعمى الألوان لا يميزون الألوان.

ظاهرة التداخل في الأفلام الرقيقة

لذلك ، توصل فرينل إلى طريقة للحصول على موجات متماسكة لمراقبة ظاهرة تداخل الضوء. ومع ذلك ، لم يكن أول من لاحظ ظاهرة التداخل ، ولم يكن من اكتشف ظاهرة تداخل الضوء للبشرية. كان بعض الفضول هو أن ظاهرة تداخل الضوء قد لوحظت منذ وقت طويل جدًا ، لكنهم لم يدركوا ذلك. اضطر الكثيرون إلى ملاحظة نمط التداخل عدة مرات ، عندما كانوا في مرحلة الطفولة ، يستمتعون بنفخ فقاعات الصابون ، أو رأوا فيضانات قزحية اللون مع كل ألوان قوس قزح ، أو لديهم صورة مماثلة مرارًا وتكرارًا على سطح الماء المغطى بطبقة رقيقة من منتجات الزيوت.

فكرة توماس يونغ

كان الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ هو أول من توصل إلى فكرة رائعة في عام 1802 حول إمكانية شرح ألوان الأغشية الرقيقة عن طريق تركيب موجات ضوئية ، ينعكس إحداها عن السطح الخارجي للفيلم ، والثانية من واحد داخلي. (في الإنصاف ، تجدر الإشارة إلى أنه عند نشر عمله حول ظاهرة التداخل ، لم يكن Fresnel يعرف شيئًا عن عمل Jung) موجات الضوء ، لأنها تنبعث من ذرة واحدة S من مصدر ضوء ممتد (انظر الشكل 8) ). تقوم موجات الضوء 1 و 2 بتضخيم أو إضعاف بعضها البعض اعتمادًا على اختلاف المسار. ينشأ هذا الاختلاف في المسار Δr من حقيقة أن الموجة الضوئية 2 تسافر في مسار إضافي AB + BC داخل الفيلم ، بينما تنتقل الموجة الضوئية 1 مسافة إضافية فقط DC. من السهل حساب اختلاف المسار مع إهمال انكسار الضوء (أي):

حيث h هي سماكة الفيلم ، α هي زاوية سقوط الضوء. يحدث تضخيم الضوء إذا كان اختلاف المسار Δr لموجات الضوء 1 و 2 يساوي عددًا صحيحًا من أطوال الموجات ، ويحدث توهين الضوء عندما يكون اختلاف المسار Δr يساوي عددًا فرديًا من نصف أطوال الموجات.

موجات الضوء المقابلة للألوان المختلفة لها أطوال موجية مختلفة. من أجل التخميد المتبادل لموجات الضوء الأطول ، "يلزم" سمك فيلم أكبر من التخميد المتبادل لموجات الضوء الأقصر. لذلك ، إذا كان للفيلم سماكة مختلفة في أماكن مختلفة ، فيجب أن تظهر ألوان مختلفة عندما يضيء الفيلم بالضوء الأبيض.

تُلاحظ ظاهرة التداخل في الأغشية الرقيقة عندما يضيء سطحها بمصادر ضوئية ممتدة للغاية ، حتى عندما تضاء السماء الملبدة بالغيوم بواسطة الضوء المتناثر. ليست هناك حاجة لقيود صارمة على حجم المصدر ، كما هو الحال في تجارب Fresnel مع biprism والأجهزة الأخرى. لكن من ناحية أخرى ، في تجارب فرينل ، لم يتم تحديد نمط التداخل. يمكن وضع الشاشة خلف biprism (انظر الشكل 5) في أي مكان حيث تتداخل أشعة الضوء من المصادر الوهمية. تم تحديد نمط التداخل في الأفلام الرقيقة بالفعل بطريقة معينة ، لأنه من أجل مشاهدته على الشاشة ، من الضروري الحصول على صورة لسطح الفيلم عليه باستخدام العدسة ، لأنه أثناء الملاحظة المرئية ، تكون صورة يتم الحصول على سطح الفيلم على شبكية العين.

في هذه الحالة ، يتم جمع أشعة الضوء من أجزاء مختلفة من المصدر ، التي تسقط في نفس المكان على الفيلم ، على الشاشة (أو على شبكية العين) معًا (انظر الشكل 9). بالنسبة لأي زوج من الأشعة الضوئية ، يكون اختلاف المسار متماثلًا تقريبًا ، نظرًا لأن سمك الفيلم هو نفسه بالنسبة لهما ، وزوايا السقوط تختلف قليلاً جدًا. لن تسقط الأشعة ذات الزوايا المختلفة جدًا في العدسة ، بل ستسقط في حدقة العين ذات الأبعاد الصغيرة جدًا.

نظرًا لأنه بالنسبة لجميع أقسام الفيلم ذات السماكة المتساوية ، يكون الاختلاف في مسار الأشعة المتداخلة هو نفسه ، وبالتالي ، فإن إضاءة الشاشة التي يتم الحصول على صورة هذه المقاطع عليها هي نفسها أيضًا. نتيجة لذلك ، تظهر خطوط على الشاشة ، يتوافق كل منها مع نفس سماكة الفيلم. لذلك ، يطلق عليهم (العصابات) - شرائح ذات سماكة فيلم متساوية.

إذا كان سطح مصدر الضوء مركّزًا على الشاشة ، فإن أشعة الضوء من هذه المنطقة من سطح مصدر الضوء تسقط في نفس النقطة على الشاشة بعد الانعكاس من مناطق مختلفة من سطح الفيلم التي لها اختلاف سمك (انظر الشكل 10). لذلك ، يتضح أن نمط التداخل على الشاشة ضبابي ، حيث يختلف اختلاف المسار بالنسبة لأزواج مختلفة من أشعة الضوء بسبب سماكة الفيلم المختلفة.

خواتم نيوتن

يحدث نمط تداخل بسيط في طبقة رقيقة من الهواء بين لوحة زجاجية وعدسة مستوية محدبة مع نصف قطر انحناء كبير موضوعة عليها. نمط التداخل لخطوط متساوية السماكة له شكل حلقات متحدة المركز تسمى حلقات نيوتن.

لنأخذ عدسة ذات طول بؤري كبير F (وبالتالي مع انحناء صغير لسطحها المحدب) ونضع جانبها المحدب على لوح زجاجي مسطح. عند فحص سطح العدسة بعناية (ويفضل من خلال عدسة مكبرة) ، سنجد بقعة داكنة عند نقطة التلامس بين العدسة واللوحة وحلقات قزحية صغيرة حولها. تتناقص المسافة بين الحلقات المتجاورة بسرعة مع زيادة نصف قطرها (انظر الصورة 1). هذه هي حلقات نيوتن. تم اكتشافها لأول مرة من قبل الفيزيائي الإنجليزي روبرت هوك ، ودرسها نيوتن ليس فقط في الضوء الأبيض ، ولكن أيضًا عندما كانت العدسة مضاءة بضوء أحادي اللون (أي أحادي اللون). اتضح أن نصف قطر الحلقات ينمو بما يتناسب مع الجذر التربيعي للرقم التسلسلي للحلقة ، ويزداد نصف قطر الحلقات لنفس الرقم التسلسلي عند الانتقال من الطرف البنفسجي لطيف الضوء المرئي إلى اللون الأحمر ( انظر الصورتين 2 و 3). لم يستطع نيوتن تفسير سبب ظهور الحلقات ، لأنه كان مؤيدًا قويًا لنظرية الجسيمات للضوء. نجح Jung في القيام بذلك لأول مرة على أساس ظاهرة التدخل. دعونا نحسب نصف قطر حلقات نيوتن المظلمة. للقيام بذلك ، تحتاج إلى حساب اختلاف المسار بين شعاعين ينعكسان من السطح المحدب للعدسة في واجهة "الهواء الزجاجي" ومن سطح اللوحة في واجهة "الهواء الزجاجي" (انظر الشكل 11) .

نصف القطر ص ك رقم الحلقة k مرتبط بسمك فجوة الهواء بعلاقة بسيطة. وفقًا لنظرية فيثاغورس (انظر الشكل 12):

حيث R هو نصف قطر انحناء العدسة. نظرًا لأن نصف قطر انحناء العدسة كبير مقارنةً بـ h ، ثم h<

تنتقل الموجة الضوئية الثانية في مسار أطول بمقدار 2hk من الأولى. ومع ذلك ، تبين أن فرق المسار أكبر من 2hk. عند عكس موجة ضوئية ، وكذلك عند عكس موجة ميكانيكية ، يمكن أن يحدث تغيير في مرحلة التذبذبات بمقدار ، مما يعني زيادة الفرق بمقدار إضافي. اتضح أنه عندما تنعكس موجة ضوئية على حدود وسط ذي معامل انكسار عالٍ ، تتغير مرحلة التذبذب بمقدار π. (يحدث الشيء نفسه مع موجة ميكانيكية تتحرك على طول سلك مطاطي ، ويكون الطرف الآخر ثابتًا بشكل صارم). عندما ينعكس من وسط أقل كثافة بصريًا ، فإن مرحلة التذبذبات لا تتغير. في هذه الحالة ، يتغير طور موجة الضوء فقط عند الانعكاس من اللوح الزجاجي.

مع الأخذ في الاعتبار الزيادة الإضافية في اختلاف المسار ، ستُكتب حالة الحدود الدنيا لمخطط التداخل على النحو التالي:

ك = 0 ، 1 ، 2 ، ... (10)

باستبدال التعبير (8) لـ hk في هذه الصيغة ، نحدد نصف قطر الحلقة المظلمة k اعتمادًا على λ و R:

الحلقة المظلمة في المركز (k = 0 ، hk = 0) ترجع إلى تغير الطور بمقدار عند الانعكاس من اللوحة الزجاجية.

يتم تحديد نصف قطر الحلقات الضوئية من خلال التعبير:

ك = 0 ، 1 ، 2 ، ... (12)

تغير الطول الموجي في المادة

من المعروف أنه عندما يمر الضوء من وسيط إلى آخر ، يتغير الطول الموجي. يمكن العثور عليها مثل هذا. دعونا نملأ فجوة الهواء بين العدسة واللوحة بالماء أو سائل شفاف آخر بمعامل انكسار n. سينخفض ​​نصف قطر حلقات التداخل. لماذا يحدث هذا؟

نعلم أنه عندما يمر الضوء من الفراغ إلى أي وسيط ، فإن سرعة الضوء تتناقص بمقدار n مرة. منذ ذلك الحين ، يجب أن ينخفض ​​تردد الموجة الضوئية أو طولها. لكن نصف قطر الحلقات يعتمد على الطول الموجي للضوء. لذلك ، عندما يدخل الضوء إلى وسيط ، فإن الطول الموجي هو الذي يتغير n مرة ، وليس التردد.

لماذا يجب أن تكون الأفلام رقيقة

عند ملاحظة التداخل في الأغشية الرقيقة ، لا توجد قيود على حجم مصدر الضوء ، ولكن هناك قيود على سمك الفيلم. في زجاج النوافذ ، لن نرى نمط تداخل مشابه للنمط المعطى بواسطة أغشية رقيقة من الكيروسين والسوائل الأخرى على سطح الماء. انظر مرة أخرى إلى الصورة 1 من حلقات نيوتن في الضوء الأبيض. كلما ابتعدت عن المركز ، تزداد سماكة فجوة الهواء. في هذه الحالة ، تقل المسافات بين الحد الأقصى للتداخل ، ومع وجود سمك كبير بدرجة كافية للطبقة البينية ، يتم تلطيخ مخطط التداخل بالكامل ، ولا تكون الحلقات مرئية على الإطلاق.

حقيقة أن الفرق بين أنصاف أقطار الحلقات المجاورة يتناقص مع زيادة ترتيب الطيف k يتبع الصيغتين 9 و 10. ولكن ليس من الواضح سبب اختفاء مخطط التداخل على الإطلاق عند k الكبيرة ، أي بسماكات كبيرة من فجوة الهواء h.

النقطة المهمة هي أن الضوء ليس أحادي اللون أبدًا. إنها ليست موجة أحادية اللون لا نهائية تسقط على الفيلم (أو فجوة هوائية) ، ولكنها عبارة عن قطار محدود من الأمواج. كلما قل الضوء أحادي اللون ، كان القطار أقصر. إذا كان طول القطار أقل من ضعف سمك الفيلم ، فلن تلتقي الموجات الضوئية 1 و 2 المنعكسة من أسطح الفيلم (انظر الشكل 13).

دعونا نحدد سمك الفيلم الذي لا يزال من الممكن ملاحظة التداخل فيه. يتكون الضوء غير أحادي اللون من موجات ذات أطوال موجية مختلفة. لنفترض أن الفاصل الطيفي يساوي Δλ ، أي جميع الأطوال الموجية من λ إلى λ + موجودة.

ثم كل قيمة من k لا تتوافق مع خط تداخل واحد ، ولكن مع شريط متعدد الألوان. من أجل عدم تلطيخ نمط التداخل ، من الضروري ألا تتداخل الحواف المقابلة للقيم المجاورة لـ k. في حالة حلقات نيوتن ، من الضروري ذلك. باستبدال نصف قطر الحلقات من الصيغة 13 ، نحصل على:

ينتج عن هذا الشرط:

إذا ، يجب أن يكون k كبيرًا و:

لذلك ، يجب أن يكون عرض الفاصل الطيفي أقل بكثير من الطول الموجي للضوء λ مقسومًا على ترتيب الطيف k. هذه العلاقة صالحة ليس فقط لحلقات نيوتن ، ولكن أيضًا للتداخل في أي أغشية رقيقة.

بعض تطبيقات التدخل

تطبيقات التداخل مهمة للغاية وواسعة النطاق.

هناك أجهزة خاصة - مقاييس التداخل ، والتي يعتمد تشغيلها على ظاهرة التداخل. قد يكون الغرض منها مختلفًا: القياسات الدقيقة لأطوال موجات الضوء ، وقياس معامل انكسار الغازات ، وغيرها. تتوفر مقاييس التداخل للأغراض الخاصة. حوالي واحد منهم ، صممه Michelson لالتقاط تغييرات صغيرة جدًا في سرعة الضوء.

تجربة ميكلسون

في عام 1881 ، أجرى الفيزيائي الأمريكي ألبرت أبراهام ميكلسون تجربة لاختبار فرضية الفيزيائي الهولندي النظري هندريك أنطون لورنتز ، والتي وفقًا لها يجب أن يكون هناك إطار مرجعي مختار مرتبط بإيثر العالم ، وهو في حالة راحة مطلقة. يمكن فهم جوهر هذه التجربة بمساعدة المثال التالي.

من المدينة A ، تطير الطائرة إلى المدن B و C (انظر الشكل 14 ، أ). المسافات بين المدن هي نفسها وتساوي l = 300 km ، والطريق AB عمودي على طريق AC. سرعة الطائرة بالنسبة للهواء ج = 200 كم / ساعة. دع الرياح تهب في الاتجاه AB بسرعة υ = 10 كم / ساعة. السؤال هو: أي رحلة تستغرق وقتًا أطول: من A إلى B والعودة ، أم من A إلى C والعودة؟

في الحالة الأولى ، يكون زمن الرحلة:

في الحالة الثانية ، يجب أن تستمر الطائرة في التوجه ليس إلى المدينة C نفسها ، ولكن لبعض النقطة D ، مستلقية ضد الريح (انظر الشكل 14 ، ب). ستطير الطائرة مسافة ميلادي بالنسبة إلى الهواء. ينفخ تدفق الهواء على الطائرة مسافة DC. نسبة هذه المسافات تساوي نسبة السرعات:

بالنسبة إلى الأرض ، ستطير الطائرة على مسافة AC.

منذ ذلك الحين (انظر الشكل 14 ب) ، إذن.

لكن: إذن.

لذلك ، يتم تحديد الوقت الذي تستغرقه الطائرة t2 لتغطية هذا المسار ذهابًا وإيابًا بسرعة c على النحو التالي:

هناك فارق زمني. من خلال معرفة ذلك ، بالإضافة إلى المسافة AC والسرعة c ، من الممكن تحديد سرعة الرياح بالنسبة إلى الأرض.

يظهر رسم تخطيطي مبسط لتجربة ميشيلسون في الشكل 15. في هذه التجربة ، تلعب موجة ضوئية دور الطائرة بسرعة 300000 كم / ثانية بالنسبة للأثير. (لم يكن هناك شك في وجود الأثير في نهاية القرن التاسع عشر.) لعبت الريح العادية دور "الريح الأثير" المزعومة التي تهب حول الأرض. بالنسبة إلى الأثير غير المتحرك ، لا يمكن للأرض أن تكون في حالة سكون طوال الوقت ، لأنها تتحرك حول الشمس بسرعة حوالي 30 كم / ثانية ، وهذه السرعة تغير اتجاهها باستمرار. تم لعب دور المدينة A بواسطة لوحة شفافة P ، حيث قسمت تدفق الضوء من المصدر S إلى حزمتين متعامدين بشكل متبادل. يتم استبدال المدينتين B و C بالمرايا M. 1هم 2، وتوجيه أشعة الضوء إلى الوراء.

علاوة على ذلك ، تم توصيل كلا الشعاعين وسقطتا في هدف التلسكوب. في هذه الحالة ، ظهر نمط تداخل ، يتكون من خطوط فاتحة وداكنة متناوبة (انظر الشكل 16). يعتمد موقع الممرات على فارق التوقيت ، في أحدهما وعلى المسار الآخر.

تم تركيب مقياس التداخل على بلاطة حجرية مربعة يبلغ طول جوانبها 1.5 متر وسمكها أكثر من 30 سم ، وكانت اللوح تطفو في وعاء به زئبق بحيث يمكن تدويره حول محور رأسي دون اهتزاز (انظر الشكل 17).

اتجاه "الريح الأثيرية" غير معروف. ولكن عندما يدور مقياس التداخل ، يكون اتجاه مسارات الضوء في OM 1و OM 2(انظر الشكل 15) بالنسبة إلى "الريح الأثيري" يجب أن تتغير. لذلك ، يجب أن يتغير الاختلاف في أوقات مرور مسارات OM 1و OM 2، وبالتالي يجب أيضًا أن تكون أطراف التداخل في مجال رؤية الأنبوب قد تغيرت. كان من المأمول تحديد سرعة "الريح الأثيري" واتجاهها من هذا التحول.

ومع ذلك ، ولدهشة العلماء ، أظهرت التجربة أنه لا يحدث أي تحول في هامش التداخل عند تدوير مقياس التداخل. أجريت التجارب في أوقات مختلفة من اليوم وفي أوقات مختلفة من العام ، لكنها كانت تنتهي دائمًا بنفس النتيجة السلبية: لا يمكن اكتشاف حركة الأرض بالنسبة إلى "الأثير". كانت دقة التجارب الأخيرة من شأنها أن تجعل من الممكن اكتشاف تغيير في سرعة انتشار الضوء (عندما تم تدوير مقياس التداخل) حتى بمقدار 2 م / ث.

كان كل هذا وكأنك ، بعد أن أخرجت رأسك من نافذة السيارة بسرعة 100 كم / ساعة ، لم تكن لتلاحظ ضغط تدفق الهواء تجاه القطار.

وبالتالي ، لم يتم تأكيد فرضية لورنتز حول وجود نظام مرجعي سائد في عملية التحقق التجريبي. وهذا بدوره يعني أنه لا يوجد وسيط خاص - "الأثير المضيء" - يمكن أن يرتبط به مثل هذا الإطار المرجعي السائد.

فحص جودة السطح

تطبيق هام آخر لظاهرة التداخل هو التحقق من جودة التشطيبات السطحية. بمساعدة التداخل ، من الممكن تقييم جودة طحن المنتج بخطأ يصل إلى 0.01 ميكرون. للقيام بذلك ، قم بإنشاء طبقة رقيقة من الهواء بين سطح العينة ولوحة مرجعية ناعمة جدًا (انظر الشكل 18).

بعد ذلك ، ستسبب المخالفات على سطح المنتج المطحون ، والتي تتجاوز 0.01 ميكرون ، انحناءًا ملحوظًا لأطراف التداخل التي تتشكل عندما ينعكس الضوء من السطح قيد الاختبار والوجه السفلي للوحة المرجعية.

على وجه الخصوص ، يمكن التحقق من جودة تشطيب سطح العدسة المصنعة من خلال مراقبة حلقات نيوتن. ستكون الحلقات عبارة عن دوائر منتظمة فقط إذا كان سطح العدسة كرويًا تمامًا. أي انحراف عن كروية أكبر من 0.1 من طول موجات الضوء المتداخلة سيؤثر بشكل ملحوظ على شكل الحلقات. في المكان الذي يوجد فيه تشويه للكروية الصحيحة هندسيًا على سطح العدسة المصنعة ، لن يكون لحلقات نيوتن شكل الدائرة الصحيحة هندسيًا.

من الغريب أنه في وقت مبكر من منتصف القرن السابع عشر ، تمكن الفيزيائي الإيطالي إيفانجليستا توريشيلي من طحن العدسات بخطأ يصل إلى 0.01 ميكرون. يتم الاحتفاظ بعدساته في المتحف ، وقد تم التحقق من جودة المعالجة السطحية لها بالطرق الحديثة. كيف تمكن من فعل ذلك؟ لا يمكن لأحد أن يجيب على هذا السؤال بشكل لا لبس فيه ، لأنه في ذلك الوقت لم يتم الكشف عن أسرار الإتقان عادة. على ما يبدو ، اكتشف Torricelli حلقات التداخل قبل وقت طويل من نيوتن وخمن أنه يمكن استخدامها للتحقق من جودة الطحن. لكن ، بالطبع ، لم يكن لدى توريشيلي أي فكرة عن سبب ظهور الحلقات.

نلاحظ أيضًا أنه باستخدام ضوء أحادي اللون تقريبًا ، يمكن للمرء أن يلاحظ نمط التداخل عندما ينعكس من طائرات تقع على مسافة كبيرة من بعضها البعض (بترتيب عدة أمتار). هذا يجعل من الممكن قياس مسافات مئات السنتيمترات بخطأ يصل إلى 0.01 ميكرومتر.

تنوير البصريات

تطبيق مهم آخر لظاهرة التدخل في الممارسة هو تنوير البصريات. تتكون العدسات البصرية للكاميرات الحديثة وأجهزة عرض الأفلام والمناظير البحرية والعديد من الأجهزة البصرية الأخرى من عدد كبير من النظارات البصرية - العدسات والمنشورات وما إلى ذلك. بالمرور عبر هذه الأجهزة ، ينعكس الضوء جزئيًا عن طريق الواجهة بين وسيطين شفافين بصريًا ، ولكل عدسة سطحان على الأقل من هذا القبيل. يتجاوز عدد الأسطح الشفافة العاكسة ضوئيًا في عدسات التصوير الحديثة العشرات ، ويصل هذا العدد في مناظير الغواصات إلى أربعين. عندما يسقط الضوء بشكل عمودي على سطح شفاف بصريًا ، فإن كل سطح يعكس من 5٪ إلى 9٪ من الطاقة الضوئية. لذلك ، فقط من 10٪ إلى 20٪ من الطاقة الضوئية "تساقط" على السطح الأول من الأسطح الشفافة بصريًا غالبًا ما تمر عبر النظام البصري للعدسات. نتيجة لذلك ، تكون إضاءة الصورة الناتجة ضعيفة للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، تتدهور جودة الصورة. جزء من شعاع الضوء ، بعد الانعكاسات المتعددة من الأسطح الداخلية الشفافة بصريًا ، لا يزال يمر عبر النظام البصري ، وتشتت ، ولم يعد يشارك في تكوين صورة واضحة. في الصور الفوتوغرافية ، على سبيل المثال ، يظهر "حجاب" لهذا السبب.

للقضاء على هذه النتائج غير السارة للانعكاسات المتعددة للضوء من الأسطح الشفافة بصريًا ، من الضروري تقليل نسبة طاقة الضوء المنعكسة من كل من هذه الأسطح. تصبح الصورة التي يقدمها النظام البصري أكثر إشراقًا ، أي ، كما يقول الفيزيائيون ، "تنير". من هنا يأتي مصطلح "تنوير البصريات".

التنوير للبصريات يقوم على ظاهرة التداخل. على سطح شفاف بصريًا ، مثل العدسات ، يتم تطبيق غشاء رقيق بمعامل انكسار n أقل من مؤشر العدسة n. للتبسيط ، ضع في اعتبارك حالة حدوث الضوء الطبيعي على الفيلم (انظر الشكل 19).

يمكن كتابة الشرط الذي تنعكس فيه موجات الضوء من الأسطح العلوية والسفلية للفيلم (للفيلم ذو السماكة الدنيا) على النحو التالي:

أين هو طول موجة الضوء في الفيلم ، و 2 h هو اختلاف مسار الموجات المتداخلة. في الحالة التي يكون فيها معامل انكسار الهواء أقل من معامل انكسار الفيلم ، ويكون معامل انكسار الفيلم أقل من معامل انكسار الزجاج ، تتغير المرحلة بمقدار. نتيجة لذلك ، لا تؤثر هذه الانعكاسات على فرق الطور بين الموجتين 1 و 2 ؛ يتم تحديده فقط من خلال سماكة الفيلم.

إذا كانت سعات كلتا الموجتين المنعكستين هي نفسها أو قريبة جدًا من بعضها البعض ، فسيكون انقراض الضوء كاملاً. لتحقيق ذلك ، يتم اختيار معامل الانكسار للفيلم بشكل مناسب ، حيث يتم تحديد شدة الضوء المنعكس من خلال نسبة مؤشرات الانكسار للوسائط المتجاورة الشفافة بصريًا. يسقط ضوء أبيض على العدسة في الظروف العادية. يوضح التعبير (انظر الصيغة 13) أن سمك الفيلم المطلوب يعتمد على الطول الموجي للضوء. لذلك ، من المستحيل قمع موجات الضوء المنعكسة لجميع الترددات. يتم تحديد سماكة الفيلم بحيث يحدث التبريد الكامل عند حدوث الضوء الطبيعي للأطوال الموجية للضوء في الجزء الأوسط من طيف الضوء المرئي (أي بالنسبة للضوء الأخضر ، الذي يبلغ طوله الموجي λ3 = 550 نانومتر) ، يجب أن يكون يساوي ربع الطول الموجي للضوء في الفيلم:

تجدر الإشارة إلى أنه في الممارسة العملية يتم تطبيق طبقة يكون سمكها عددًا صحيحًا من أطوال موجات الضوء أكبر ، لأن هذا أكثر ملاءمة. تم تطوير طريقة صناعية لتطبيق أغشية رقيقة شفافة على الأسطح الشفافة بواسطة الفيزيائيين الروس I.V.

تم تخفيف انعكاس الضوء من الأجزاء القصوى من طيف الضوء المرئي - الأحمر والبنفسجي - قليلاً. لذلك ، فإن العدسة البصرية ذات البصريات المطلية في الضوء المنعكس لها صبغة أرجوانية. الآن حتى أبسط الكاميرات لديها بصريات مطلية.

مجهر التدخل

تم إنشاء أول مجهر تداخل في سانت بطرسبرغ من قبل الفيزيائي الروسي ألكسندر ليبيديف في عام 1931. في هذا المجهر ، تتداخل شعاعتان من الضوء ، أحدهما يمر عبر الكائن ، والآخر - من خلال الكائن (على التوالي ، يمكن تسميتهما بالحزم المرجعية والعمل). بالطبع ، للحصول على نمط تداخل ثابت ، يجب أن تكون الموجات متماسكة ، أي لديها فرق طور ثابت. يتجلى توزيع هذا الاختلاف في الفضاء ، الذي تم إنشاؤه بواسطة الكائن المرصود ، في تباين التداخل في الصورة (من كونتراست الفرنسية - العكس).

يتميز تباين التداخل (على تباين الطور) بأنه يتجلى بوضوح ليس فقط مع الحادة ، ولكن أيضًا مع التغييرات السلسة في معامل الانكسار وسمك الأقسام الفردية للكائن. ونتيجة لذلك ، فإن توزيع الإضاءة في الصورة يعتمد فقط على إزاحة الطور التي تقدمها هذه المناطق ، ولكن ليس على شكلها أو حجمها ، ولا تحتوي الصورة على هالات متأصلة في صور تباين الطور. علاوة على ذلك ، يمكن لمجهر التداخل إنتاج صور بالأبيض والأسود وصور ملونة عند تشغيله في الضوء الأبيض. الحقيقة هي أنه نتيجة للتداخل ، يمكن لموجات ذات أطوال معينة أن تلغي بعضها البعض ، ومن ثم يتم رسم الصورة بألوان مكملة. نظرًا لأن العين حساسة جدًا لتباين الألوان ، فهذه ميزة رائعة على مجهر تباين الطور ، الذي لا يرى سوى التباين بين ظلال من نفس اللون.

لكن الميزة الرئيسية لمجهر التداخل هي أنه لا يسمح فقط بتحديد اختلافات الطور من أجزاء مختلفة من الكائن ، ولكن أيضًا لقياس الاختلافات المقابلة في مسار أشعة الضوء ، أي أو الاختلاف في مؤشرات الانكسار بنفس السماكة ، أو الاختلاف في السُمك عند نفس معامل الانكسار. يمكن تحويل اختلافات المسار المقاسة إلى تركيز وكتلة المادة الجافة في التحضير وتلقي معلومات كمية أخرى قيمة. لهذا السبب ، يتم استخدام مجهر التداخل بشكل أساسي للدراسات الكمية ، بينما يتم استخدام مجهر تباين الطور للمراقبة البصرية للأشياء التي لا تقدم تباينًا في السعة ، أي عمليا لا يوجد امتصاص للضوء. يعد استخدام مجهر التداخل (انظر الشكل 20) أكثر صعوبة من مجهر تباين الطور. بادئ ذي بدء ، نظرًا لأنه يجب تقسيم شعاع الضوء إلى قسمين قبل أن يصطدم بجسم ما ، بشكل عام ، هناك حاجة إلى نظامين بصريين - واحد لكل حزمة - وبدرجة عالية جدًا متطابقة مع بعضهما البعض. عندها فقط ، بعد تقارب الأشعة ، سيكون من الممكن ضمان أن نمط التداخل يرجع بالكامل فقط إلى الكائن الموضوع في مسار هذه الأشعة.

نظرًا لأن الموجات المتماسكة يجب أن تتداخل ، فإن أي اختلاف في مسار الأشعة في كلا فرعي مجهر التداخل يجب ألا يتجاوز بشكل ملحوظ ما يسمى بطول التماسك. يبلغ طول هذا الضوء الأبيض حوالي متر فقط ويزيد مع تضييق نطاق الطول الموجي للضوء المستخدم ، أي مع زيادة درجة أحادي اللون. تقدم العناصر المختلفة للموضوع تغيرات طور مختلفة ، وتظهر في الصورة بتباين غير متساو. عادةً ما يكون إزاحة الطور صغيرًا جدًا مقارنة بـ 180 (بمعنى آخر ، يكون اختلاف المسار بين الحزم العاملة والمرجعية أقل بكثير من نصف طول الموجة) ، وعندما يكون أطوال كلا فرعي مجهر التداخل متماثلين أو تختلف بعدد صحيح من الأطوال الموجية ، تبدو صورة الكائن داكنة على خلفية فاتحة. إذا كانت أطوال فروع مقياس التداخل تختلف بعدد فردي من نصف الموجات ، فإن الصورة ، على العكس من ذلك ، تبدو مشرقة على خلفية مظلمة. ليس من قبيل المصادفة استخدام كلمة "مقياس التداخل" هنا. مجهر التداخل هو ، في جوهره ، مقياس تداخل دقيق - جهاز لقياس اختلافات المسار الصغيرة ، مما يجعل من الممكن مراقبة تفاصيل الأشياء المجهرية.

مقياس التداخل النجمي

بطبيعة الحال ، يمكن تطبيق مبدأ التداخل ليس فقط على ملاحظات البكتيريا ، ولكن أيضًا على ملاحظات النجوم. هذا واضح لدرجة أن فكرة تلسكوب التداخل نشأت قبل نصف قرن من ظهور مجهر التداخل. لكن الظاهرة نفسها في هذين التطبيقين خدمت أغراضًا مختلفة تمامًا. إذا تم استخدام التداخل في مجهر التداخل لمراقبة بنية غير مرئية مباشرة للأجسام التي لا تعطي تباينًا في السعة ، فعندئذٍ في التلسكوب بمساعدته ، حاولوا تجاوز حد الدقة ، الذي يمليه الانعراج معادلة:

تملي الحاجة إلى زيادة دقة التلسكوب من خلال حقيقة أنه كان من الضروري الحصول على فكرة عن حجم النجوم. أحد أكبر النجوم ، Alpha Orion ، المعروف باسم Betelgeuse ، يبلغ قطره الزاوي 0.047 ثانية قوسية فقط. من أجل تحديد مثل هذه الأبعاد الزاويّة المهملة ، تم استخدام مبدأ اختلاف المنظر لأول مرة: لقد قارنوا النتائج التي تم الحصول عليها من ملاحظتين في نقطتين تقعان ، على سبيل المثال ، على طرفي نقيض من قطر مدار الأرض ، أي. نتائج قياسات الشتاء والصيف لموقع النجوم في السماء. ثم بدأوا في بناء تلسكوبات أكبر. ولكن حتى أكبر تلسكوب حديث (مثبت في شمال القوقاز) بقطر مرآة يبلغ 6 أمتار تبلغ دقته 0.02 ثانية قوسية ، في حين أن الغالبية العظمى من الأجسام الفلكية لها أبعاد زاويّة أصغر بعشرات ومئات المرات.

في الثلث الأخير من القرن التاسع عشر ، اقترح الفيزيائي الفرنسي أرماند هيبوليت لويس فيزو وميشيلسون تحسين هذا الوضع بحيلة تبدو بسيطة. نغلق عدسة التلسكوب بغشاء يتم فيه عمل فتحتين صغيرتين. ضع في اعتبارك ما يحدث عندما تلاحظ مصدرين نقطيين في السماء. سيخلق كل منهم نمط التداخل الخاص به في التلسكوب ، والذي يتكون من إضافة موجات من فتحتين صغيرتين في الحجاب الحاجز ، وسيتم إزاحة الأنماط بالنسبة لبعضها البعض بمقدار يحدده الاختلاف في مسار موجات الضوء من المصادر إلى التلسكوب. إذا كان اختلاف المسار هذا يساوي عددًا زوجيًا من نصف الموجات ، فستتطابق الصور وستصبح الصورة الإجمالية أوضح. إذا كان فرق المسار يساوي عددًا فرديًا من نصف الموجات ، فإن الحد الأقصى لنمط التداخل سوف يقع على الحد الأدنى للنمط الآخر ، وسيتم تلطيخ النمط العام بشدة. يمكنك تغيير اختلاف المسار هذا عن طريق تغيير المسافة d بين الثقوب الموجودة في الحجاب الحاجز ، وفي نفس الوقت مراقبة كيف ستصبح هامش التداخل (إذا كانت الثقوب الموجودة في الحجاب الحاجز مثل الشقوق الضيقة) إما أكثر أو أقل تمييزًا. سيحدث الحد الأدنى الأول لتميز العصابات في:

أين هي المسافة الزاوية بين المصادر في السماء. من هنا يمكن تحديد المعرفة ود. وبالمثل ، إذا اعتبرنا مصدرًا واحدًا ممتدًا ذي أبعاد زاوية ، بدلاً من مصدرين ، نجد:

حيث k = 1.22 لمصدر دائري ذو سطوع منتظم و k> 1.22 لنفس المصدر الذي ينخفض ​​سطوعه من مركز القرص إلى حوافه.

لكن هل ينتج عن هذا أي مكسب في القرار؟ دعونا نقارن ، على سبيل المثال ، الصيغتين (14) و (15). لنضع د = 1 م ، ثم وفقًا للصيغة (14) ثانية قوسية. دع المسافة بين الشقوق في فتحة التلسكوب هي أيضًا الحد - 1 متر. بأخذ قيمة m في منتصف النطاق المرئي ، نحصل على ثانية قوسية. هل يعني أنه لا يوجد ربح؟ بالتأكيد. لا يمكن أن يكون ، تمامًا كما هو الحال في مجهر التداخل. لكن القيمة نفسها يمكن قياسها الآن. هذه ميزة مهمة للغاية.

لكن الأمر لا ينتهي عند هذا الحد ، بل يبدأ فقط. فكر ميكلسون في "دفع" الثقوب الموجودة في الحجاب الحاجز بعيدًا عن عدسة التلسكوب. هذا بالطبع لا يجب أن يؤخذ بشكل حرفي: الثقوب نفسها بقيت في أماكنها الأصلية ، لكن الضوء من النجوم لم يسقط عليها بشكل مباشر ، ولكن أولاً على مرآتين بعيدتين ساكنتين (انظر الشكل 21) ، والتي كان الضوء منها. انعكست بالفعل بواسطة مرآتين أخريين على فتحات في الحجاب الحاجز. واتضح أن هذا يعادل ، كما لو أن قطر عدسة التلسكوب قد نما إلى المسافة بين المرايا بعيدًا عن بعضها البعض ، وبالتالي زادت الدقة بنفس العامل. باستخدام مقياس التداخل النجمي هذا ، أجرى ميكلسون أول قياسات موثوقة لأقطار النجوم العملاقة.

ومع ذلك ، فمن الواضح أنه حتى مسافة 6 أمتار بين المرايا في مقياس التداخل النجمي الأول غير كافية. من الصيغة (14) يمكن ملاحظة أنه عند D = 6m = 0.02 ثانية قوسية. وفي الوقت نفسه ، فإن الغالبية العظمى من النجوم ليست عملاقة ، ولكن حجمها "شمسي" تقريبًا. إذا وُضعت الشمس على مسافة من أقرب نجم (نجم في كوكبة قنطورس) ، فسيُنظر إليها على أنها قرص بأبعاد زاويّة تبلغ 0.007 ثانية قوسية وستتطلب تلسكوبًا به مرايا متباعدة 20 مترًا جيدًا لقياس حجمها إن إنشاء مثل هذا التلسكوب أمر بالغ الصعوبة ، حيث يلزم وجود هيكل ميكانيكي شديد الصلابة.

في عملية المراقبة ، لا يمكن أن تتغير المسافات بين المرآة والعدسة إلا بأجزاء من الطول الموجي للضوء ، في حين أن هذه المسافات نفسها أكبر بمليار مرة من الطول الموجي للضوء! ومع ذلك ، حتى أول تلسكوب متداخل لميشيلسون كان له ميزة بارزة أخرى على التلسكوب التقليدي غير الغشائي. كقاعدة عامة ، تتم ملاحظات النجوم من سطح الأرض (علم الفلك الفضائي في مهده فقط). في الطريق إلى التلسكوبات ، يمر ضوء "النجم" عبر الغلاف الجوي المضطرب للأرض ، حيث توجد تيارات هوائية مضطربة باستمرار. نظرًا للتغيرات الفوضوية في كثافة الهواء ومعامل انكساره ، لوحظ وميض النجوم ، وتشوهت صورها في التلسكوب غير الغشائي إلى حد كبير. في تلسكوب التداخل ، يكون تأثير الاضطرابات الجوية أضعف بكثير بسبب الفتحات الصغيرة في الحجاب الحاجز. تؤدي التقلبات البطيئة في معامل الانكسار للهواء إلى حقيقة أن نمط التداخل "يزحف" فوق مجال الرؤية ، لكنه لا يغير مظهره تقريبًا ، أي لا يتغير الموضع النسبي وتباين أطراف التداخل (انظر الشكل 22).

مقياس التداخل الراديوي

في الأربعينيات من القرن التاسع عشر ، بدأ استخدام مجموعة جديدة من الموجات الكهرومغناطيسية في الأبحاث الفلكية - الانبعاثات الراديوية للأجسام الفضائية. ظهرت التلسكوبات الراديوية ومقاييس التداخل الراديوية. أكبر التلسكوبات الراديوية لها قطر مرآة هوائي يبلغ حوالي 100 متر. وهذا أكبر بكثير من قطر مرآة أكبر تلسكوب بصري ، لكن لا تنس أن الأطوال الموجية لموجات الراديو أطول بعشرات الآلاف من الأطوال الموجية من موجات الضوء ، لذا فإن دقة التلسكوب الراديوي أسوأ بآلاف المرات من دقة النظير البصري. لذلك ، بالنسبة للتلسكوب البصري الذي يبلغ طوله 6 أمتار ، كما ذكرنا سابقًا ، يكون حوالي 0.02 ثانية قوسية ، بينما بالنسبة للتلسكوب الراديوي الذي يبلغ طوله 100 متر ، على سبيل المثال ، بطول 0.1 متر ، يكون حوالي 4 ثوان قوسية.ثواني.

لتحقيق دقة أفضل ، بدأ "دمج" التلسكوبات الراديوية الفردية في مقاييس التداخل الراديوية ، معتبرين الهوائيات الخاصة بهم بمثابة مرايا في مقياس التداخل النجمي Michelson. الآن ، يمكن اعتبار قطر الكرة الأرضية تقريبًا كقاعدة لمقياس التداخل. من السهل حساب أن الدقة قد تحسنت بعدة أوامر من حيث الحجم. في الوقت الحاضر ، تصل إلى حوالي 0.001 جزء من الثانية القوسية ، أي ما لا يقل عن 20 ألف مرة أعلى من أكبر تلسكوب بصري.

لكن مقاييس التداخل الراديوية ذات الخط الأساسي الطويل جدًا تطرح مشاكلها الكبيرة. في التلسكوب البصري ، يتم تجميع الحزم المتداخلة معًا باستخدام مرايا وعدسة. ولكن كيف نجمع موجات الراديو التي يستقبلها تلسكوبات راديوية بعيدة جدًا لجعلهما يتداخلان؟ سيكون هناك على الفور العديد من المضاعفات ، معظمها يعتمد على المشكلة المادية الرئيسية: كيفية الحفاظ على تماسك الموجات الراديوية التي يستقبلها تلسكوبات راديوية. حتى لو افترضنا أن موجة راديوية من مصدر كوني واحد ، دون التعرض لأي تشوه في الغلاف الجوي ، جاءت إلى تلسكوبين راديويين واحتفظت بالتماسك التام فيهما ، فيمكن القضاء على هذا بسهولة أكثر. من غير الواقعي سحب الكابلات من التلسكوبات الراديوية إلى مركز واحد ، حيث تتم إضافة تيارات عالية التردد من أجهزة الاستقبال المقابلة لموجات الراديو المستقبلة. نحن لا نتحدث عن الضوضاء في أجهزة الاستقبال والكابلات نفسها ، والتي تؤدي إلى تغيير فوضوي في الطور في الإشارات وانتهاك تماسكها.

نتيجة لذلك ، من الضروري تسجيل إشارات من موجات الراديو ، كل على تلسكوب لاسلكي خاص به ، وبدلاً من موجات الراديو ، "تقليل" تسجيلاتها على الأشرطة المغناطيسية. لمقارنة اثنين أو أكثر من التسجيلات المسجلة (حيث أن أكثر من تلسكوبين راديويين يمكن أن يشاركوا في المراقبة ، علاوة على ذلك ، هناك أيضًا مقاييس تداخل متعددة الحزم في البصريات) ، للوهلة الأولى ، هناك حاجة قليلة: لربط لحظات بداية هذه التسجيلات بـ بعضها البعض ، أي ه. استخدم نفس الساعة. ومع ذلك ، هذا ليس بسيطا بأي حال من الأحوال. تستقبل الهوائيات موجات ليس من تردد واحد ، ولكن في نطاق كامل من الترددات ، يحددها عرض النطاق الترددي. لنفترض أن تلسكوبًا لاسلكيًا يعمل بطول موجة 1 متر ، أي بتردد 300 ميجاهرتز ، ودع انتقائية استقباله تكون 0.003 ، أي نطاق التردد الذي يدركه الهوائي هو 1 ميغاهرتز. دقة التزامن المطلوبة تساوي مقلوب عرض النطاق الترددي للإشارة الراديوية التي يستقبلها الهوائي ، أي في هذه الحالة 1 ميكرو ثانية. بمعنى آخر ، يجب أن تحتوي هذه الدقة على علامات لمرة واحدة عند التسجيل على شريط مغناطيسي. من الواضح أنه من الصعب القيام بذلك من مركز واحد. يجب أن يكون لكل تلسكوب لاسلكي ساعة خاصة به ، يتم التحقق منها في وقت ما بساعات أخرى في تلسكوبات راديوية أخرى وتعمل بدقة ليست أسوأ مما هو مذكور.

لكن حتى هذا لا يكفي. لا يمكن تسجيل سجلات التيارات التي تسببها الموجات الراديوية في المستقبل مباشرة على الورق ولا على الشريط المغناطيسي: تردد الموجة مرتفع للغاية بالنسبة لمثل هذه المسجلات التي تعمل بالقصور الذاتي. علينا أن نتصرف كما هو الحال في البث التقليدي: مزج ، غير متجانسة الإشارة الواردة مع إشارة مولد التردد الثابت المحلي (عند التشغيل بتردد راديو 300 ميجاهرتز ، يجب أن يكون تردد المولد المحلي قريبًا منه) ، وبالفعل يمكن تسجيل تردد اختلاف بترتيب 1 ميغا هرتز على شريط مغناطيسي. لكن هذا يعني أنه يجب أيضًا مزامنة مولدات التردد المحلية ، بمعنى آخر ، يجب أن تكون التذبذبات التي تولدها في تلسكوبات راديوية مختلفة متماسكة بشكل متبادل أثناء وقت تسجيل موجات الراديو. عند تسجيل إشارة ، على سبيل المثال ، بتردد 300 ميجاهرتز لعدة دقائق ، يجب ألا يقل ثبات تردد المولد المحلي عن جزء من المليار في المائة!

لا يمكن تصور مزامنة الساعة وتثبيت تردد المولد ، اللذين يتطلبان مثل هذه الدقة الرائعة ، بدون استخدام الترددات القياسية الذرية - المولدات الكمومية. في منطقة الترددات الراديوية ، غالبًا ما تسمى المولدات الكمومية masers ، وفي منطقة ترددات الضوء المرئي والقريبة منها تسمى الليزر. كان استخدام مثل هذه الأجهزة هو الذي جعل تجارب قياس التداخل الأكثر تعقيدًا ممكنة وتطلب تطوير نظرية التماسك الإشعاعي المذكورة أعلاه ، ومع ذلك ، فقد بدأت في التطور حتى قبل ظهور الهندسة الضوئية والراديوية الجديدة.

لذلك ، فإن مثل هذه المقارنة بين السجلات التي تم إعدادها بشكل مستقل (المتزامنة بالطبع) هي التي جعلت من الممكن قياس التداخل الحديث لانبعاثات الراديو الكوني ، مما جعل من الممكن تحديد وقياس مثل هذه المصادر الكونية التي يتعذر الوصول إليها لعلم الفلك البصري. طريقة البحث هذه (التي اقترحها الفيزيائيان الأمريكيان براون وتويس) كانت تسمى قياس التداخل الشدة ، لأنها تحسب بشكل مباشر الارتباط بين أرقام الفوتون (شدة الضوء) ، ولا تأخذ في الاعتبار تباين نمط التداخل.

في الختام ، نؤكد مرة أخرى أن انقراض الضوء بالضوء لا يعني تحويل الطاقة الضوئية إلى أنواع أخرى من الطاقة. كما هو الحال مع ظاهرة تداخل الموجات الميكانيكية ، فإن تخميد الموجات من قبل بعضها البعض في منطقة معينة من الفضاء يعني أن الطاقة الضوئية ببساطة لا تدخل هذه المنطقة. يعني توهين الموجات المنعكسة في العدسة البصرية ذات البصريات المطلية أن كل الضوء تقريبًا يمر عبر هذه العدسة.

ضوء موجة تدخل أحادي اللون

فهرس

1.بورن م. ، وولف إي ، أساسيات البصريات ، مترجم من الإنجليزية ، الطبعة الثانية ، 1973 ؛

.Kaliteevsky N. I. ، Wave optics ، 2nd edition ، 1978 ؛

.وولف E. ، ماندل ل. ، الخصائص المتماسكة للمجالات البصرية ، 1965 ؛

.كلودر جيه ، سودارشان إي ، أساسيات البصريات الكمية ، مترجم من الإنجليزية ، 1970 ؛

.ريدنيك ، لرؤية غير المرئي ، 1981 ؛