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Erste Ideen zum Thema Licht

Auch die ersten Vorstellungen darüber, was Licht ist, reichen bis in die Antike zurück. In der Antike waren die Vorstellungen über die Natur des Lichts sehr primitiv, phantastisch und auch sehr vielfältig. Doch trotz der Vielfalt der antiken Ansichten über die Natur des Lichts gab es bereits damals drei Hauptansätze zur Lösung der Frage nach der Natur des Lichts. Diese drei Ansätze nahmen anschließend in zwei konkurrierenden Theorien Gestalt an – der Korpuskular- und der Wellentheorie des Lichts. Die überwiegende Mehrheit der antiken Philosophen und Wissenschaftler betrachteten Licht als bestimmte Strahlen, die einen leuchtenden Körper und das menschliche Auge verbinden. Gleichzeitig gab es drei Hauptauffassungen über die Natur des Lichts. Auge->Element-Element->Augenbewegung

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Erste Theorie

Einige der alten Wissenschaftler glaubten, dass die Strahlen von den Augen eines Menschen ausgehen, sie scheinen das betreffende Objekt zu spüren. Dieser Standpunkt war der erste große Nummer Anhänger. Daran hielten bedeutende Wissenschaftler und Philosophen wie Euklid, Ptolemaios und viele andere fest. Später, bereits im Mittelalter, verliert diese Vorstellung von der Natur des Lichts jedoch ihre Bedeutung. Es gibt immer weniger Wissenschaftler, die diesen Ansichten folgen. Und dazu Anfang des XVII V. Dieser Standpunkt kann als bereits vergessen gelten. Euklid Ptolemäus

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Zweite Theorie

Andere Philosophen hingegen glaubten, dass Strahlen von einem leuchtenden Körper ausgehen und beim Erreichen des menschlichen Auges den Abdruck des leuchtenden Objekts tragen. Diesen Standpunkt vertraten die Atomisten Demokrit, Epikur und Lucretius. Diese Sichtweise auf die Natur des Lichts nahm später, im 17. Jahrhundert, Gestalt in der Korpuskulartheorie des Lichts an, nach der Licht ein Strom einiger Teilchen ist, die von einem leuchtenden Körper emittiert werden. Demokrit Epikur Lucretius

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Dritte Theorie

Der dritte Standpunkt zur Natur des Lichts wurde von Aristoteles vertreten. Er betrachtete Licht nicht als den Ausfluss von etwas aus einem leuchtenden Objekt in das Auge und schon gar nicht als einige Strahlen, die vom Auge ausgehen und das Objekt spüren, sondern als eine Aktion oder Bewegung, die sich im Raum (in der Umgebung) ausbreitet. Zu seiner Zeit teilten nur wenige Menschen die Meinung des Aristoteles. Doch später, wiederum im 17. Jahrhundert, entwickelte sich sein Standpunkt weiter und legte den Grundstein für die Wellentheorie des Lichts. Aristoteles

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Mittelalter

Am meisten interessante Arbeitüber die Optik, die uns aus dem Mittelalter überliefert ist, ist das Werk des arabischen Wissenschaftlers Algazen. Er untersuchte die Reflexion von Licht an Spiegeln, das Phänomen der Lichtbrechung und -übertragung in Linsen. Der Wissenschaftler hielt an der Theorie von Demokrit fest und vertrat als erster die Idee, dass Licht eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit hat. Diese Hypothese war ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Natur des Lichts. Algazen

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17. Jahrhundert

Basierend auf zahlreichen experimentellen Fakten in Mitte des 17. Jahrhunderts Jahrhundert entstanden zwei Hypothesen über die Natur von Lichtphänomenen: Newtons Korpuskulartheorie, die davon ausging, dass Licht ein Strom von Teilchen ist, die von leuchtenden Körpern mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden. Die Wellentheorie von Huygens besagt, dass Licht longitudinal ist oszillierende Bewegungen ein spezielles leuchtendes Medium (Äther), angeregt durch Schwingungen von Teilchen eines leuchtenden Körpers.

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Grundbestimmungen der Korpuskulartheorie

Licht besteht aus kleinen Materieteilchen, die von einem leuchtenden Körper, beispielsweise einer brennenden Kerze, in geraden Linien oder Strahlen in alle Richtungen abgestrahlt werden. Wenn diese aus Teilchen bestehenden Strahlen in unser Auge fallen, dann sehen wir ihre Quelle. Lichtkörperchen haben unterschiedliche Größen. Die größten Partikel erzeugen beim Eintritt in das Auge ein Gefühl von roter Farbe, die kleinsten – violett. Weiße Farbe ist eine Mischung aller Farben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett. Die Lichtreflexion von der Oberfläche erfolgt aufgrund der Reflexion von Teilchen an der Wand nach dem Gesetz der absoluten elastischen Stoßwirkung.

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Das Phänomen der Lichtbrechung wird dadurch erklärt, dass Körperchen von Partikeln des Mediums angezogen werden. Je dichter das Medium, desto größer der Brechungswinkel weniger Winkel Stürze. Das 1666 von Newton entdeckte Phänomen der Lichtstreuung erklärte er wie folgt. „Jede Farbe ist bereits im weißen Licht vorhanden. Alle Farben werden gemeinsam durch den interplanetaren Raum und die Atmosphäre übertragen und erzeugen die Wirkung von weißem Licht. Weißes Licht, eine Mischung aus verschiedenen Teilchen, wird beim Durchgang durch ein Prisma gebrochen.“ Newton skizzierte Möglichkeiten zur Erklärung der Doppelbrechung und stellte die Hypothese auf, dass Lichtstrahlen „ von verschiedenen Parteien„ – eine besondere Eigenschaft, die ihre unterschiedliche Brechbarkeit beim Durchgang durch einen doppelbrechenden Körper bestimmt.

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Newtons Korpuskulartheorie erklärte viele damals bekannte optische Phänomene zufriedenstellend. Sein Autor verwendet wissenschaftliche Welt enorme Autorität, und bald gewann Newtons Theorie viele Anhänger in allen Ländern. Die größten Wissenschaftler, die an dieser Theorie festhalten: Arago, Poisson, Biot, Gay-Lussac. Basierend auf der Korpuskulartheorie war es schwierig zu erklären, warum Lichtstrahlen, die sich im Raum kreuzen, nicht aufeinander einwirken. Schließlich müssen Lichtteilchen kollidieren und streuen (Wellen durchlaufen einander, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen) Newton Arago Gay-Lussac

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Grundprinzipien der Wellentheorie

Licht ist die Ausbreitung elastischer periodischer Impulse im Äther. Diese Impulse sind longitudinal und ähneln Schallimpulsen in der Luft. Äther ist ein hypothetisches Medium, das den Himmelsraum und die Lücken zwischen Körperteilchen füllt. Sie ist schwerelos, gehorcht nicht dem Gesetz universelle Schwerkraft, hat eine große Elastizität. Das Ausbreitungsprinzip der Ätherschwingungen besteht darin, dass jeder ihrer Punkte, die die Erregung erreicht, das Zentrum der Sekundärwellen ist. Diese Wellen sind schwach und der Effekt wird nur dort beobachtet, wo ihre Hüllfläche, die Wellenfront, passiert (Huygens-Prinzip). Je weiter die Wellenfront von der Quelle entfernt ist, desto flacher wird sie. Lichtwellen, die direkt von der Quelle kommen, verursachen das Gefühl des Sehens. Ein sehr wichtiger Punkt in Huygens‘ Theorie war die Annahme, dass die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung endlich ist.

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Wellentheorie

Die Theorie erklärt viele Phänomene geometrische Optik: – das Phänomen der Lichtreflexion und seine Gesetze; – das Phänomen der Lichtbrechung und seine Gesetze; – das Phänomen der Vollständigkeit innere Reflexion; – das Phänomen der Doppelbrechung; – das Prinzip der Unabhängigkeit der Lichtstrahlen. Die Theorie von Huygens lieferte den folgenden Ausdruck für den Brechungsindex des Mediums: Aus der Formel geht hervor, dass die Lichtgeschwindigkeit umgekehrt vom absoluten Index des Mediums abhängen sollte. Diese Schlussfolgerung war das Gegenteil der Schlussfolgerung, die sich aus Newtons Theorie ergab.

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Viele bezweifelten die Wellentheorie von Huygens, aber zu den wenigen Befürwortern der Wellenansichten über die Natur des Lichts gehörten M. Lomonosov und L. Euler. Aus diesen Studien Theorie der Wissenschaftler Huygens begann als Theorie der Wellen Gestalt anzunehmen und nicht nur als Theorie aperiodischer Schwingungen, die sich im Äther ausbreiteten. Es war schwierig, die geradlinige Ausbreitung des Lichts zu erklären, die zur Bildung scharfer Schatten hinter Objekten führte (gemäß der Korpuskulartheorie). geradlinige Bewegung Licht ist eine Folge des Trägheitsgesetzes) Das Phänomen der Beugung (Lichtbeugung um Hindernisse herum) und der Interferenz (Verstärkung oder Schwächung des Lichts bei Überlagerung von Lichtstrahlen) kann nur aus der Sicht der Wellentheorie erklärt werden. Huygens Lomonosov Euler

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XI-XX Jahrhunderte

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zeigte Maxwell, dass es Licht gibt besonderer Fall Elektromagnetische Wellen. Maxwells Arbeit legte den Grundstein für die elektromagnetische Lichttheorie. Nach der experimentellen Entdeckung elektromagnetischer Wellen durch Hertz bestand kein Zweifel daran, dass sich Licht bei seiner Ausbreitung wie eine Welle verhält. Sie existieren jetzt nicht. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begannen sich die Vorstellungen über die Natur des Lichts jedoch radikal zu ändern. Unerwarteterweise stellte sich heraus, dass die abgelehnte Korpuskulartheorie immer noch einen Bezug zur Realität hatte. Es stellte sich heraus, dass sich Licht, wenn es emittiert und absorbiert wird, wie ein Teilchenstrom verhält. Maxwell Hertz

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Die diskontinuierlichen (Quanten-)Eigenschaften von Licht wurden entdeckt. Es entstand eine ungewöhnliche Situation: Die Phänomene der Interferenz und Beugung ließen sich immer noch erklären, indem man Licht als Welle betrachtete, und die Phänomene der Strahlung und Absorption, indem man Licht als einen Teilchenstrom betrachtete. Daher haben sich Wissenschaftler auf die Welle-Teilchen-Dualität (Dualität) der Eigenschaften des Lichts geeinigt. Heutzutage entwickelt sich die Lichttheorie weiter.

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THEMA: Entwicklung von Ansichten über die Natur des Lichts. Lichtgeschwindigkeit. GR. 161 Vervollständigt von: Lopukhov Evgeny Gvozditskikh Ivan Kondratyev Dmitry

AM ENDE DES 17. JAHRHUNDERTS schienen sich zwei sich gegenseitig ausschließende Theorien über das Licht fast gleichzeitig zu entwickeln. Sie verließen sich auf zwei Möglichkeiten, die Aktion von der Quelle zum Empfänger zu übertragen. I. Newton schlug die Korpuskulartheorie des Lichts vor, nach der Licht ein Teilchenstrom ist, der von einer Quelle in alle Richtungen kommt (Materieübertragung). H. Huygens entwickelte eine Wellentheorie, in der Licht als Wellen betrachtet wurde, die sich in einem speziellen Medium – dem Äther – ausbreiten, den gesamten Raum füllen und in alle Körper eindringen (Änderungen im Zustand des Mediums).

NEWTON HUYGENS 1. Es ist schwer zu erklären, warum Lichtstrahlen, die sich im Raum kreuzen, nicht aufeinander einwirken (Teilchen müssen kollidieren und zerstreuen). 1. Wellen passieren einander frei, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. 2. Die geradlinige Ausbreitung des Lichts ist eine Folge des Trägheitsgesetzes. 2. Erklärt nicht. 3. Beugung und Interferenz sind leicht zu erklären. 4. Wenn Licht emittiert und absorbiert wird, verhält es sich wie ein Teilchenstrom. 4. Licht ist ein Sonderfall elektromagnetischer Wellen

WAS IST LICHT? Nach den Vorstellungen der modernen Physik besitzt Licht gleichzeitig die Eigenschaften kontinuierlicher elektromagnetischer Wellen und die Eigenschaften diskreter Teilchen, die Photonen oder Lichtquanten genannt werden. Die Dualität der Lichteigenschaften wird Korpuskularwellendualismus genannt.

Mit welchen Methoden wurde die Lichtgeschwindigkeit gemessen? Die Abbildung zeigt ein Diagramm des Experiments, mit dem Galileo vorschlug, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Durch Öffnen des Laternenverschlusses musste ermittelt werden, wie lange es dauern würde, bis das Licht nach der Reflexion am Spiegel zurückkehrt.

Dies war der erste bekannte Versuch, die Lichtgeschwindigkeit experimentell zu bestimmen, der von Galileo Galilei durchgeführt wurde. Aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit konnte die Signalverzögerung jedoch nicht erkannt werden. Die erste experimentelle Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit erfolgte 1675 durch den dänischen Astronomen Olaf Roemer.

Die Umlaufbahn von Ios Satellit Io umkreist den Jupiter einmal in 42,5 Stunden. Während sich die Erde vom Jupiter entfernt, erfolgt jede weitere Sonnenfinsternis von Io später als erwartet. Die Gesamtverzögerung des Beginns der Sonnenfinsternis, als sich die Erde um den Durchmesser der Erdumlaufbahn später als erwartet vom Jupiter entfernte, betrug 22 Minuten. Erde 3 Erdbahn I C S 2 II Römers Experiment Jupiterbahn S 1

Durch Teilen des Durchmessers der Erdumlaufbahn durch die Verzögerungszeit erhielt man den Wert der Lichtgeschwindigkeit: c = 3 * 1011 m / 1320 s c = 2,27 * 10 8 m/s Das erhaltene Ergebnis wies einen großen Fehler auf.

Die erste Labormessung der Lichtgeschwindigkeit wurde 1849 vom französischen Physiker ARMAN FIZOT durchgeführt. In seinem Experiment passierte Licht von Quelle S den Zerhacker K (die Zähne eines rotierenden Rades) und kehrte, vom Spiegel Z reflektiert, wieder zum Zahnrad zurück.

Die PHYSO-Installationsparameter lauten wie folgt. Die Lichtquelle und der Spiegel befanden sich im Haus von Fizots Vater in der Nähe von Paris, und der Spiegel befand sich in Montmartre. Der Abstand zwischen den Spiegeln betrug ℓ ~ 8,66 km, das Rad hatte 720 Zähne. Es drehte sich unter der Wirkung eines Uhrwerks, angetrieben durch das abnehmende Gewicht. Mithilfe eines Umdrehungszählers und eines Chronometers stellte PHYSO fest, dass die erste Schwärzung bei einer Raddrehgeschwindigkeit von V = 12,6 U/s beobachtet wurde. ZEIT DER LICHTBEWEGUNG T=2ℓ/C, DAHER ERGIBT C = 3,14 · 10 8 M/S

c = 3,14 · 10 8 m/s Wert größer als der aus erhaltene Wert astronomische Beobachtungen, aber nah dran. Trotz des erheblichen Messfehlers war die körperliche Erfahrung von großer Bedeutung – die Möglichkeit, die Lichtgeschwindigkeit mit „irdischen“ Mitteln zu bestimmen, wurde nachgewiesen.

Die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit wird experimentell durch direkte und indirekte Methoden bewiesen. Derzeit wird die Lichtgeschwindigkeit mithilfe der Lasertechnologie durch unabhängige Messung der Wellenlänge und Frequenz der Radioemission bestimmt und anhand der Formel berechnet: c = λv. Berechnungen ergeben c = 299792456,2 ± 1,1 m/s

„WIE VIEL GESCHWINDIGKEITEN HAT LICHT? » c Bisher gibt es keine Hinweise auf eine Veränderung im Laufe der Zeit, die Physik kann eine solche Möglichkeit jedoch nicht bedingungslos ausschließen. Nun müssen wir nur noch auf Berichte über neue Messungen der Lichtgeschwindigkeit warten. Diese Messungen können noch viel mehr neue Informationen für das Verständnis der Natur liefern, die in ihrer Vielfalt unerschöpflich ist.

SCHLUSSFOLGERUNGEN: 1. Die Natur des Lichts weist einen Teilchen-Wellen-Dualismus (Dualität) auf. 2. Es sollte als wissenschaftliche, experimentell nachgewiesene Tatsache anerkannt werden – die Endlichkeit und Absolutheit (Invarianz) der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. 3. Jede physikalische Theorie wird durch experimentelle Fakten bestätigt.

Optische Strahlung(oder Licht im weitesten Sinne des Wortes) sind elektromagnetische Wellen, deren Länge im Bereich von 10 -11 bis 10 -2 m (von Einheiten bis Zehntel mm) liegt oder deren Frequenzbereich etwa 3 * beträgt 10 11 ... 3 * 10 17 Hz

Wie bei jeder anderen Strahlung auch optische Strahlungsquelle Und optischer Strahlungsempfänger. Empfänger optischer Strahlung kann beispielsweise das menschliche Auge sein. Das menschliche Auge ist in der Lage, optische Strahlung mit einer Wellenlänge von 400 bis 760 nm wahrzunehmen. Das sichtbare Strahlung. Zur optischen Strahlung gehört neben der sichtbaren Strahlung auch die optische Strahlung Infrarotstrahlung(mit einer Wellenlänge von 0,75 bis 2000 µm) und UV-Strahlung(mit einer Wellenlänge von 10 bis 400 nm). Lichtwellen werden mit optischen Methoden untersucht, die sich historisch aus der Analyse der Gesetze des sichtbaren Lichts entwickelt haben.

Im 17. Jahrhundert wurden die ersten wissenschaftlichen Hypothesen über die Natur des Lichts aufgestellt. Licht hat Energie und überträgt diese im Raum. Energie kann entweder durch Körper oder Wellen übertragen werden, daher wurden zwei Theorien über die Natur des Lichts aufgestellt.

Korpuskulartheorie des Lichts(vom lateinischen Corpusculum – Teilchen) wurde 1672 vom englischen Wissenschaftler Isaac Newton (1643 – 1727) vorgeschlagen. Nach dieser Theorie ist Licht ein Teilchenstrom, der in alle Richtungen abgestrahlt wird Lichtquelle. Mit dieser Theorie wurden optische Phänomene wie beispielsweise unterschiedliche Farben der Strahlung erklärt.

Auch der niederländische Wissenschaftler Christiaan Huygens (1629 – 1695) schuf im 17. Jahrhundert Wellentheorie des Lichts, wonach Licht eine Wellennatur hat. Diese Theorie erklärt gut solche Phänomene wie Interferenz, Lichtbeugung usw.

Beide Theorien existierten lange Zeit parallel, da keine von ihnen einzeln alle optischen Phänomene vollständig erklären konnte. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde nach Forschungen des französischen Physikers Augustin Jean Fresnel (1788 – 1827), des englischen Physikers Robert Hooke (1635 – 1703) und anderer Wissenschaftler klar, dass die Wellentheorie des Lichts einen Vorteil hat die Korpuskulartheorie. Im Jahr 1801 formulierte der englische Physiker Thomas Young (1773 – 1829) das Prinzip der Interferenz (Verstärkung oder Abschwächung der Beleuchtung bei Überlagerung von Lichtwellen), mit dem er die Farben dünner Filme erklären konnte. Fresnel erklärte, was Lichtbeugung ist (das Biegen von Licht um Hindernisse herum) und die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung.

Doch die Wellentheorie des Lichts hatte einen wesentlichen Nachteil. Man ging davon aus, dass es sich bei der Lichtstrahlung um transversale mechanische Wellen handelt, die nur in einem elastischen Medium entstehen können. Daher wurde eine Hypothese über den unsichtbaren Weltäther erstellt, bei dem es sich um ein hypothetisches Medium handelt, das das gesamte Universum (den gesamten Raum zwischen Körpern und Molekülen) ausfüllt. Der Weltäther soll eine Reihe widersprüchlicher Eigenschaften haben: Er soll elastische Eigenschaften haben Feststoffe und gleichzeitig schwerelos sein. Diese Schwierigkeiten wurden in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts mit der konsequenten Weiterentwicklung der Lehre vom elektromagnetischen Feld durch den englischen Physiker James Clerk Maxwell (1831 – 1879) gelöst. Maxwell kam zu dem Schluss, dass Licht ein Sonderfall elektromagnetischer Wellen ist.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts jedoch diskontinuierlich oder Quanten Eigenschaften von Licht. Diese Eigenschaften wurden durch die Korpuskulartheorie erklärt. Somit besitzt Licht einen Welle-Teilchen-Dualismus (Dualität der Eigenschaften). Während sich Licht ausbreitet, erkennt es Welleneigenschaften(das heißt, verhält sich wie eine Welle) und während der Emission und Absorption - korpuskuläre Eigenschaften(das heißt, es verhält sich wie ein Teilchenstrom).

Die Gesetze der Lichtausbreitung in transparenten Medien, die auf dem Konzept eines Lichtstrahls basieren, werden im genannten Abschnitt der Optik besprochen. Es versteht sich, dass ein hundert Lichtstrahl eine Linie ist, entlang derer sich die Energie elektromagnetischer Lichtwellen ausbreitet.

Gesetz der geradlinigen Ausbreitung von Licht

In der Praxis breitet sich Licht geradlinig innerhalb eines begrenzten Kegels aus, der einen Lichtstrahl darstellt. Der Durchmesser dieses Lichtstrahls übersteigt die Wellenlänge des Lichts.

Wenn Brechungsindex Ist die Umgebung überall gleich, so nennt man eine solche Umgebung optisch homogenes Medium.

In einem transparenten homogenen Medium breitet sich Licht geradlinig aus. Das ist Gesetz der geradlinigen Ausbreitung von Licht.

Die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung wird durch viele Phänomene bestätigt, beispielsweise durch das Auftreten von Schatten durch undurchsichtige Körper. Wenn S eine sehr kleine Lichtquelle und M ein undurchsichtiger Körper ist, der den Weg des auf ihn fallenden Lichts S blockiert, bildet sich hinter dem Körper M ein Schattenkegel. Das von der Quelle kommende Licht wird durch den Körper M verzögert und auf dem Schirm, der im rechten Winkel zur Kegelachse steht, erhält man einen klar definierten Schatten des Körpers M (siehe Abb. 1.1).

Reis. 1.1. Geradlinigkeit der Lichtausbreitung.

Große Lichtquellen (im Verhältnis zum Abstand der Lichtquellen zum Hindernis) bilden Halbschatten. Die Bildung von Halbschatten kann anhand zweier kleiner Lichtquellen betrachtet werden, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der der Größe der großen Lichtquelle entspricht. In Abb. Abbildung 1.2 zeigt einen Querschnitt der Schattenkegel, die durch Licht hinter dem Körper M gebildet werden. Hinter dem undurchsichtigen Körper M entsteht in dem Bereich, in den kein Licht von einer Lichtquelle fällt, ein vollständiger Schatten.

Halbschatten(teilweise beleuchteter Raum) entsteht in dem Bereich, in dem Strahlen nur von einer der Lichtquellen passieren. Zum Beispiel in dem Bereich, in dem nur die Strahlen der Quelle S1 passieren und eine andere Lichtquelle S2 durch den Körper M verdeckt wird. Wenn die Lichtquelle groß ist, kann jeder ihrer Punkte als Punktlichtquelle betrachtet werden. In diesem Fall wird die Strahlung einzelner Teile der Abstrahlfläche addiert. Es bilden sich auch Schatten- und Halbschattenbereiche.

Reis. 1.2. Halbschatten, der von einer großen Lichtquelle gebildet wird.

Die Bildung eines Schattens, wenn Strahlen einer Lichtquelle auf ein undurchsichtiges Objekt fallen, erklärt Phänomene wie Sonnen- und Mondfinsternisse.

Eine Immobilie wie Geradlinigkeit der Lichtausbreitung wird bei der Bestimmung von Entfernungen zu Lande, zu Wasser und in der Luft sowie in der Produktion zur Überwachung der Geradheit von Produkten und Werkzeugen entlang der Sichtlinie eingesetzt.

Die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung erklärt die Möglichkeit, Bilder mit einer kleinen Blende zu erhalten. Das einfachste Gerät, mit dem Sie ein invertiertes Bild von Objekten beobachten können, heißt Lochkamera und ist eine Kiste mit einem kleinen Loch in der Vorderwand. Ein geradlinig verlaufender Lichtstrahl trifft auf die Rückwand der Camera Obscura, wo ein Lichtpunkt mit der entsprechenden Intensität erscheint. Durch die Kombination von Lichtpunkten aller Punkte eines Objekts entsteht ein Bild dieses Objekts auf der Rückwand der Camera obscura.

Lektion zum Thema „Geschichte der Entwicklung von Ansichten über die Natur des Lichts. Lichtgeschwindigkeit.“ Khramova Anna Vladimirovna der 11. Klasse

"Von allen mögliche Wege Wir müssen in den Kindern ein leidenschaftliches Verlangen nach Wissen und Können wecken.“

Y. Kamensky

Physikunterricht in der 11. Klasse zum Thema

Unterrichtsart : Lektion zum Erlernen neuer Materialien.

Unterrichtsform : Lektion - theoretische Forschung.

Lernziele: Schüler mit der Geschichte der Entwicklung von Ideen über die Natur des Lichts und mit Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit vertraut machen.

Lernziele:

Lehrreich:

Wiederholung der Grundeigenschaften des Lichts, Bildung von Fähigkeiten zur Erklärung physikalischer Phänomene auf der Grundlage der Quanten- oder Wellentheorie des Lichts, Anwendung der Idee der Welle-Teilchen-Dualität.

Lehrreich:

Verallgemeinerung und Systematisierung des untersuchten Materials, Klärung der Rolle von Erfahrung und Theorie bei der Ausbildung Quantenphysik, Erläuterung der Grenzen der Anwendbarkeit von Theorien, Offenlegung des Welle-Teilchen-Dualismus.

Lehrreich:

zeigen die Unendlichkeit des Erkenntnisprozesses, offen Spirituelle Welt und menschliche Qualitäten von Wissenschaftlern, stellen Sie die Geschichte der Entwicklung der Wissenschaft vor, betrachten Sie den Beitrag von Wissenschaftlern zur Entwicklung der Lichttheorie.

Ausrüstung : Multimedia-Installation, Handouts.

Aktivitäten: Gruppenarbeit, individuelle Arbeit, Frontalarbeit, selbstständiges Arbeiten,Arbeiten mit Literatur oder elektronischen Informationsquellen, Analyse der Ergebnisse der Arbeit mit Text, Konversation, schriftlicher Arbeit.

Aufbau einer interaktiven Lektion zum Thema

„Entwicklung von Ansichten über die Natur des Lichts. Lichtgeschwindigkeit.“

Strukturelement Lektion	Benutzt du konventionelle Methoden	Lehrerrollen	Studentische Positionen	Ergebnis	Zeit
Tauchen	Ich weiß/ich möchte es wissen/ich habe es herausgefunden	Designer und Organisator einer problematischen kreativen Situation	Gegenstand kreativer Tätigkeit	Tabelle mit ausgefüllten Spalten „Ich weiß“, „Ich möchte wissen“	5 Minuten
Theoretischer Block	Zweiteiliges Tagebuch	Moderator von Schulungen und Forschungstätigkeit Studenten	Gegenstand selbstständiger Bildungs- und Forschungstätigkeiten	Tabelle „Entwicklung der Ansichten über die Natur des Lichts“	15 Minuten
Theoretischer Block	Gruppenarbeit (mit der Logbuch-Strategie)	Berater für Bildungswünsche von Studierenden	Gegenstand gruppenpädagogischer Aktivitäten	Tabelle „Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit“	20 Minuten
Betrachtung	Ich weiß/ich möchte es wissen/ich habe es herausgefunden	Experte	Gegenstand selbständiger Tätigkeit	Tabelle mit ausgefüllten Spalten „Ich weiß“, „Ich möchte wissen“, „Was ich gelernt habe“	5 Minuten

Während des Unterrichts.

1. Zeit organisieren. Begrüßung, Überprüfung der Unterrichtsbereitschaft der Schüler.
2. Bekanntgabe des Unterrichtsthemas und Aktualisierung des Wissens zu diesem Thema.

Lehrer:

Leute, erinnern wir uns, was wir zu diesem Thema wissen?

Nennen Sie Beispiele für natürliche und künstliche Lichtquellen.

Was ist ein Balken?

Gesetz der geradlinigen Ausbreitung von Licht.

Was ist ein Schatten?

Was ist Halbschatten?

Gesetz der Lichtreflexion.

Die Studierenden werden gebeten, die erste Spalte „Ich weiß“ der ZHU-Tabelle (Anhang 1) auszufüllen.

Im alltäglichen Sprachgebrauch verwenden wir am häufigsten das Wort „Licht“. unterschiedliche Bedeutungen: mein Licht, Sonnenschein, sag mir..., Lernen ist Licht und Unwissenheit ist Dunkelheit... In der Physik hat der Begriff „Licht“ eine viel spezifischere Bedeutung. Was ist also Licht? Und was möchten Sie über Lichtphänomene wissen? Bitte füllen Sie die zweite Spalte der ZHU-Tabelle selbst aus.

1. Festlegung der Ziele und Zielsetzungen des Unterrichts (basierend auf dem Ergebnis einer gemeinsamen Analyse der Tabelle der chemischen Zusammensetzung).
2. Theorieblock „Entwicklung von Ansichten über die Natur des Lichts.“

Den Studierenden wird der Text „Entwicklung von Ansichten über die Natur des Lichts“ (Anhang 2) ausgehändigt. Die Aufgabe besteht darin, sich selbstständig mit dem Text vertraut zu machen, ihn zu analysieren und ein zweiteiliges Tagebuch zu erstellen (Anhang 3).

1. Diskussion der Ergebnisse der Arbeit mit dem Text.
2. Formulierung problematische Situation„Wie misst man die Lichtgeschwindigkeit?“

Berühmter Amerikaner Wissenschaftler Albert Michelson widmete fast sein ganzes Leben der Messung der Lichtgeschwindigkeit.

Eines Tages untersuchte ein Wissenschaftler den erwarteten Weg eines Lichtstrahls entlang der Leinwand. Eisenbahn. Er wollte einen noch fortschrittlicheren Aufbau für eine noch genauere Methode zur Messung der Lichtgeschwindigkeit bauen. An diesem Problem hatte er bereits zuvor gearbeitet

mehrere Jahre und erreichte die damals genauesten Werte. Zeitungsreporter interessierten sich für das Verhalten des Wissenschaftlers und fragten verwirrt, was er hier mache. Michelson erklärte, dass er die Lichtgeschwindigkeit maß.

Und warum? - folgte der Frage.

Weil es höllisch interessant ist“, antwortete Michelson.

Und niemand hätte sich vorstellen können, dass Michelsons Experimente die Grundlage für das majestätische Gebäude der Relativitätstheorie bilden und ein völlig neues Verständnis des physikalischen Bildes der Welt ermöglichen würden.

Fünfzig Jahre später setzte Michelson seine Messungen der Lichtgeschwindigkeit fort.

Einmal stellte ihm der große Einstein die gleiche Frage:

Weil es verdammt interessant ist! - Michelson und Einstein antworteten ein halbes Jahrhundert später.

Der Lehrer stellt die Frage: „Ist es wichtig, die Lichtgeschwindigkeit zu kennen, abgesehen davon, dass sie einfach „teuflisch interessant“ ist?

Die Meinungen der Studierenden werden angehört, wenn Wissen über die Lichtgeschwindigkeit angewendet wird.

1. Theorieblock „Messung der Lichtgeschwindigkeit“.

Der Lehrer teilt die Klasse vorab in kreative Gruppen ein, um verschiedene Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit zu erlernen:

1. Gruppe „Roemer-Methode“
2. Gruppe „Methode Fizeau“
3. Gruppe „Foucault-Methode“
4. Gruppe „Bradley-Methode“
5. Gruppe „Michelson-Methode“

Jede Gruppe erstellt einen Bericht + eine Präsentation über den gemäß Plan untersuchten Stoff:

1. Datum des Experiments
2. Experimentator
3. Die Essenz des Experiments
4. Der gefundene Wert der Lichtgeschwindigkeit.

Die übrigen Studierenden füllen die Tabelle während der Gruppenaufführungen selbstständig aus (Anlage 4). Das Tischlayout wird im Voraus vorbereitet.

Der Lehrer fasst zusammen.

Was war die Hauptschwierigkeit bei der Messung der Lichtgeschwindigkeit?

Wie groß ist ungefähr die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum?

Die moderne Physik ist der festen Überzeugung, dass die Geschichte der Lichtgeschwindigkeit noch nicht vorbei ist. Ein Beweis dafür sind die in den letzten Jahren durchgeführten Arbeiten zur Messung der Lichtgeschwindigkeit.

Ein eindeutiges Ergebnis der Messung der Lichtgeschwindigkeit im Mikrowellenbereich war die Arbeit des amerikanischen Wissenschaftlers K. Frum, deren Ergebnisse 1958 veröffentlicht wurden. Der Wissenschaftler kam auf ein Ergebnis von 299792,50 Kilometern pro Sekunde. Dieser Wert galt lange Zeit als der genaueste.

Um die Genauigkeit der Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit zu erhöhen, mussten grundlegend neue Methoden geschaffen werden, die Messungen im Bereich hoher Frequenzen und damit kürzerer Wellenlängen ermöglichen. Die Möglichkeit, solche Methoden zu entwickeln, ergab sich nach der Entwicklung optischer Quantengeneratoren – Laser. Die Genauigkeit der Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit hat sich im Vergleich zu Frooms Experimenten fast um das Hundertfache erhöht. Die Methode zur Frequenzbestimmung mittels Laserstrahlung ergibt eine Lichtgeschwindigkeit von 299792,462 Kilometern pro Sekunde.

Physiker beschäftigen sich weiterhin mit der Frage der zeitlichen Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die Erforschung der Lichtgeschwindigkeit kann noch viel mehr neue Informationen zum Verständnis der Natur liefern, die in ihrer Vielfalt unerschöpflich ist. 300-jährige Geschichte der Fundamentalkonstante Mit demonstrieren deutlich seine Verbindungen mit die wichtigsten Probleme Physik.

Lehrer: - Welche Schlussfolgerung können wir über die Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit ziehen?

Studenten: - Die Messung der Lichtgeschwindigkeit ermöglichte die Weiterentwicklung der Physik als Wissenschaft.

1. Betrachtung. Ausfüllen der Spalte „Gelernt“ in der ZHU-Tabelle.

Hausaufgaben.Absatz 59 (G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev „Physik. 11“)

Probleme lösen

1. Aus der antiken griechischen Legende von Perseus:

„Das Monster war nur einen Pfeilflug entfernt, als Perseus hoch in die Luft flog. Sein Schatten fiel ins Meer und das Monster stürzte sich voller Wut auf den Schatten des Helden. Perseus stürzte sich kühn von oben auf das Monster und stieß ihm sein gebogenes Schwert tief in den Rücken ...“

Frage: Was ist ein Schatten und durch welches physikalische Phänomen entsteht er?

2. Aus der afrikanischen Erzählung „Wahl eines Führers“:

„Brüder“, sagte der Storch und ging ruhig in die Mitte des Kreises. - Wir streiten seit dem Morgen. Seht, unsere Schatten haben sich bereits verkürzt und werden bald ganz verschwinden, denn der Mittag naht. Treffen wir also eine Entscheidung, bevor die Sonne ihren Zenit überschreitet ...“

Frage: Warum wurde die Länge der von Menschen geworfenen Schatten kürzer? Begründen Sie Ihre Antwort mit einer Zeichnung. Gibt es einen Ort auf der Erde, an dem die Änderung der Schattenlänge minimal ist?

3. Aus dem italienischen Märchen „Der Mann, der Unsterblichkeit suchte“:

„Und dann sah Grantesta etwas, das ihm schlimmer vorkam als ein Sturm. Ein Monster näherte sich dem Tal und flog schneller als ein Lichtstrahl. Es hatte ledrige Flügel, einen warzigen, weichen Bauch und ein riesiges Maul mit hervorstehenden Zähnen ...“

Frage: Was ist an dieser Passage physikalisch falsch?

4. Aus der antiken griechischen Legende von Perseus:

„Perseus wandte sich schnell von den Gorgonen ab. Er hat Angst, ihre bedrohlichen Gesichter zu sehen: Ein einziger Blick genügt, und er wird zu Stein. Perseus nahm den Schild der Pallas Athene – als sich die Gorgonen im Spiegel spiegelten. Welches ist Medusa?

So wie ein Adler vom Himmel auf sein Opfer fällt, so eilte Perseus zur schlafenden Medusa. Er schaut in den klaren Schild, um genauer zuzuschlagen ...“

Frage: was physikalisches Phänomen von Perseus benutzt, um Medusa zu enthaupten?

Anhang 1.

Tabelle „Ich weiß/ich möchte wissen/ich habe es herausgefunden“

Anlage 2

Geschichte der Entwicklung von Ansichten über die Natur des Lichts

Die ersten Vorstellungen über die Natur des Lichts wurden bereits in der Antike niedergelegt. Der griechische Philosoph Platon (427–327 v. Chr.) schuf eine der ersten Lichttheorien.

Euklid und Aristoteles (300–250 v. Chr.) stellten solche Grundgesetze experimentell auf optische Phänomene, wie die geradlinige Ausbreitung von Licht und die Unabhängigkeit von Lichtstrahlen, Reflexion und Brechung. Aristoteles war der erste, der das Wesen des Sehens erklärte.

Obwohl die theoretischen Positionen antiker Philosophen und späterer Wissenschaftler des Mittelalters unzureichend und widersprüchlich waren, trugen sie zur Bildung korrekter Ansichten über das Wesen von Lichtphänomenen bei und legten den Grundstein weitere Entwicklung Theorie des Lichts und die Entwicklung verschiedener optischer Instrumente. Da immer mehr Forschungen zu den Eigenschaften von Lichtphänomenen durchgeführt werden, hat sich auch die Sichtweise auf die Natur des Lichts geändert. Wissenschaftler glauben, dass die Geschichte der Erforschung der Natur des Lichts im 17. Jahrhundert beginnen sollte.

Im 17. Jahrhundert maß der dänische Astronom Roemer (1644–1710) die Lichtgeschwindigkeit, der italienische Physiker Grimaldi (1618–1663) entdeckte das Phänomen der Beugung, der brillante englische Wissenschaftler I. Newton (1642–1727) entwickelte das Korpuskular Die Lichttheorie entdeckte die Phänomene der Streuung und Interferenz, E. Bartholin (1625–1698) entdeckte die Doppelbrechung im Islandspat und legte damit den Grundstein für die Kristalloptik. Huygens (1629–1695) begründete die Wellentheorie des Lichts.

Im 17. Jahrhundert gab es erste Versuche, die beobachteten Lichtphänomene theoretisch zu belegen. Die von Newton entwickelte Korpuskulartheorie des Lichts besagt, dass Lichtstrahlung als ein kontinuierlicher Fluss winziger Teilchen – Korpuskeln – betrachtet wird, die von einer Lichtquelle emittiert werden und mit hoher Geschwindigkeit in einem homogenen Medium geradlinig und gleichmäßig fliegen.

Aus der Sicht der Wellentheorie des Lichts, deren Begründer H. Huygens ist, ist Lichtstrahlung eine Wellenbewegung. Huygens betrachtete Lichtwellen als elastische Wellen hoher Frequenz, die sich in einem speziellen elastischen und dichten Medium ausbreiten – dem Äther, der alle materiellen Körper, die Räume zwischen ihnen und interplanetare Räume ausfüllt.

Die elektromagnetische Lichttheorie wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von Maxwell (1831–1879) entwickelt. Nach dieser Theorie sind Lichtwellen elektromagnetischer Natur und Lichtstrahlung kann als Sonderfall betrachtet werden elektromagnetische Phänomene. Forschungen von Hertz und später von P. N. Lebedev bestätigten auch, dass alle grundlegenden Eigenschaften elektromagnetischer Wellen mit den Eigenschaften von Lichtwellen übereinstimmen.

Lorentz (1896) stellte den Zusammenhang zwischen Strahlung und der Struktur der Materie her und entwickelte die elektronische Lichttheorie, nach der die Elektronen, aus denen Atome bestehen, mit einer bekannten Periode schwingen und unter bestimmten Bedingungen Licht absorbieren oder emittieren können.

Maxwells elektromagnetische Theorie, kombiniert mit Lawrences elektronischer Theorie, erklärte alle damals bekannten optischen Phänomene und schien das Problem der Natur des Lichts vollständig aufzudecken.

Lichtemissionen wurden als periodische Schwingungen elektrischer und magnetischer Kraft betrachtet, die sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde durch den Weltraum ausbreiten. Lawrence glaubte, dass der Träger dieser Schwingungen, der elektromagnetische Äther, die Eigenschaften absoluter Unbeweglichkeit besitzt. Die aufgestellte elektromagnetische Theorie erwies sich jedoch bald als unhaltbar. Erstens berücksichtigte diese Theorie nicht die Eigenschaften der realen Umgebung, in der sie sich ausbreiten elektromagnetische Schwingungen. Darüber hinaus war es mit Hilfe dieser Theorie unmöglich, eine Reihe optischer Phänomene zu erklären, denen die Physik an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert begegnete. Zu diesen Phänomenen gehören die Prozesse der Emission und Absorption von Licht, Schwarzkörperstrahlung, der photoelektrische Effekt und andere.

Die Quantentheorie des Lichts entstand zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Es wurde 1900 formuliert und 1905 konkretisiert. Die Begründer der Quantentheorie des Lichts sind Planck und Einstein. Nach dieser Theorie wird Lichtstrahlung von Materieteilchen nicht kontinuierlich, sondern diskret, also in getrennten Portionen – Lichtquanten – emittiert und absorbiert.

Die Quantentheorie scheint es zu sein neue Form belebte die Korpuskulartheorie des Lichts wieder, war aber im Wesentlichen die Entwicklung der Einheit von Wellen- und Korpuskularphänomenen.

Ergebend historische Entwicklung Die moderne Optik verfügt über eine fundierte Theorie der Lichtphänomene, die die verschiedenen Eigenschaften der Strahlung erklären kann und es uns ermöglicht, die Frage zu beantworten, unter welchen Bedingungen sich bestimmte Eigenschaften der Lichtstrahlung manifestieren können. Moderne Theorie Licht bestätigt seine duale Natur: Welle und Korpuskular.

Ergebnis (km/s)

1676

Römer

Monde des Jupiter

214000

1726

Bradley

Stellare Aberration

301000

1849

Fizeau

Gang

315000

1862

Foucault

Drehbarer Spiegel

298000

1883

Michelson

Drehbarer Spiegel

299910

1983

Akzeptierter Wert

299 792,458

Seite

ENTWICKLUNG VON ANSICHTEN ÜBER DIE NATUR DES LICHTS

Zwei Möglichkeiten, Interaktionen zu kommunizieren

Korpuskular- und Wellentheorien des Lichts

PHÄNOMEN DER LICHTINTERFERENZ

Addition zweier monochromatischer Wellen

Bedingungen für Maxima und Minima des Interferenzmusters

Interferenzmuster

Warum sind Lichtwellen aus zwei Quellen nicht kohärent?

Idee von Augustin Fresnel

Fresnel-Biprisma

Lichtquellengrößen

Lichtwellenlänge

Vom Auge wahrgenommene Lichtwellenlänge und Lichtfarbe

INTERFERENZPHÄNOMEN IN DÜNNEN FILMEN

Die Idee von Thomas Young

Lokalisierung von Interferenzstreifen

NEWTONS RINGE

Änderung der Wellenlänge in einem Stoff

Warum Folien dünn sein müssen

EINIGE ANWENDUNGEN VON INTERFERENZEN

Michelsons Experiment

Überprüfung der Qualität der Oberflächenbehandlung

Optikbeschichtung

Interferenzmikroskop

Sterninterferometer

Funkinterferometer

Referenzliste

ENTWICKLUNG VON ANSICHTEN ÜBER DIE NATUR DES LICHTS

Die ersten Vorstellungen antiker Wissenschaftler darüber, was Licht war, waren sehr naiv. Es wurde angenommen, dass aus den Augen besondere dünne Tentakel hervorgehen und visuelle Eindrücke entstehen, wenn sie Gegenstände ertasten. Es besteht natürlich keine Notwendigkeit, auf solche Ansichten näher einzugehen, aber es lohnt sich, kurz die Entwicklung wissenschaftlicher Vorstellungen darüber zu verfolgen, was Licht ist.

Zwei Möglichkeiten, Interaktionen zu kommunizieren

Von der Quelle aus breitet sich Licht in alle Richtungen aus und fällt auf umliegende Objekte, wodurch es insbesondere zu deren Erwärmung kommt. Wenn Licht in das Auge eindringt, löst es visuelle Empfindungen aus – wir sehen. Man kann sagen, dass bei der Lichtausbreitung Einflüsse von einem Körper (Lichtquelle) auf einen anderen Körper (Lichtempfänger) übertragen werden.

Im Allgemeinen kann die Einwirkung eines Körpers auf einen anderen von zweien ausgeführt werden verschiedene Wege: entweder durch die Übertragung von Materie von einer Quelle zu einem Empfänger oder durch eine Zustandsänderung Umfeld, in dem sich die Körper befinden, d.h. ohne Stoffübertragung.

Sie können beispielsweise eine Glocke, die sich in einiger Entfernung befindet, zum Läuten bringen, indem Sie sie erfolgreich mit einer Kugel treffen. Hier geht es um die Übertragung von Materie. Aber Sie können es auch anders machen: Binden Sie eine Schnur an die Zunge einer Glocke und lassen Sie die Glocke klingeln, indem Sie Wellen entlang der Schnur senden, die ihre Zunge schwingen lassen. In diesem Fall findet keine Stoffübertragung statt. Wellen breiten sich entlang der Schnur aus, d.h. die Form der Schnur verändert sich. Somit kann auch durch Wellen eine Wirkung von einem Körper auf einen anderen übertragen werden.

Korpuskular- und Wellentheorien des Lichts

In Übereinstimmung mit zwei möglichen Methoden zur Übertragung von Wirkungen von der Quelle zum Empfänger entstanden und begannen sich zwei völlig unterschiedliche Theorien darüber zu entwickeln, was Licht ist und was seine Natur ist. Darüber hinaus entstanden sie fast gleichzeitig im 17. Jahrhundert. Eine dieser Theorien ist mit dem Namen des englischen Physikers Isaac Newton verbunden, die andere mit dem Namen des niederländischen Physikers Christiaan Huygens.

Newton hielt an der sogenannten Korpuskulartheorie (vom lateinischen Wort corpusculum – Teilchen) des Lichts fest, nach der Licht ein Strom von Teilchen ist, der sich von einer Quelle in alle Richtungen ausbreitet (d. h. Materieübertragung). Nach Huygens‘ Vorstellungen handelt es sich bei Licht um Wellen, die sich in einem speziellen, hypothetischen Medium ausbreiten – dem Äther, der den gesamten Raum ausfüllt und in alle Körper eindringt.

Beide Theorien existierten lange Zeit parallel. Keiner von ihnen konnte einen entscheidenden Sieg erringen. Nur Newtons Autorität zwang die meisten Wissenschaftler, der Korpuskulartheorie den Vorzug zu geben. Damals experimentell bekannt offene Gesetze Die Ausbreitung des Lichts wurde mit beiden Theorien mehr oder weniger erfolgreich erklärt. Basierend auf der Korpuskulartheorie war es schwierig zu erklären, warum Lichtstrahlen, die sich im Raum kreuzen, nicht aufeinander einwirken. Schließlich müssen Lichtteilchen kollidieren und zerstreuen.

Die Wellentheorie erklärte dies leicht. Wellen beispielsweise auf der Wasseroberfläche laufen frei durcheinander, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Allerdings ist die geradlinige Ausbreitung des Lichts, die zur Bildung scharfer Schatten hinter Objekten führt, mit der Wellentheorie schwer zu erklären. Nach der Korpuskulartheorie ist die geradlinige Ausbreitung des Lichts lediglich eine Folge des Trägheitsgesetzes. Diese Unsicherheit über die Natur des Lichts hielt bis an Anfang des 19. Jahrhunderts Jahrhundert, als die Phänomene der Lichtbeugung (Lichtbeugung um Hindernisse herum) und der Lichtinterferenz (Verstärkung oder Abschwächung des Lichts bei Überlagerung von Lichtstrahlen) entdeckt wurden. Diese Phänomene sind ausschließlich der Wellenbewegung eigen. Sie können nicht mit der Korpuskulartheorie erklärt werden. Daher schien es, als hätte die Wellentheorie einen endgültigen und vollständigen Sieg errungen.

Dieses Vertrauen wurde besonders gestärkt, als der englische Physiker James Clerk Maxwell in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts bewies, dass Licht ein Sonderfall elektromagnetischer Wellen ist. Maxwells Arbeit legte den Grundstein für die elektromagnetische Lichttheorie.

Nach der experimentellen Entdeckung elektromagnetischer Wellen Ende des 19. Jahrhunderts durch den deutschen Physiker Heinrich Hertz bestand kein Zweifel daran, dass sich Licht bei der Ausbreitung wie eine Welle verhält. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begannen sich die Vorstellungen über die Natur des Lichts jedoch radikal zu ändern. Unerwarteterweise stellte sich heraus, dass die abgelehnte Korpuskulartheorie immer noch einen Bezug zur Realität hatte.

Es stellte sich heraus, dass sich Licht, wenn es emittiert und absorbiert wird, wie ein Teilchenstrom verhält. Die diskontinuierlichen oder, wie Physiker es nennen, Quanteneigenschaften von Licht wurden entdeckt. Es entstand eine ungewöhnliche Situation: Die Phänomene der Interferenz und Beugung ließen sich immer noch erklären, indem man Licht als Welle betrachtete, und die Phänomene der Emission und Absorption ließen sich erklären, indem man annahm, dass Licht ein Strom von Teilchen sei. In den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts konnten diese beiden scheinbar unvereinbaren Vorstellungen über die Natur des Lichts in einer neuen physikalischen Theorie – der Quantenelektrodynamik – konsequent vereint werden. Im Laufe der Zeit wurde klar, dass die Dualität der Eigenschaften nicht nur Licht, sondern auch jeder anderen Form von Materie innewohnt. Um also sicher zu sein, dass Licht eine Wellennatur hat, ist es notwendig, experimentelle Beweise für Interferenz und Beugung von Licht zu finden.

PHÄNOMEN DER LICHTINTERFERENZ

Es ist bekannt, dass für Beobachtungen von Querinterferenzen mechanische Wellen Auf der Wasseroberfläche wurden zwei Wellenquellen verwendet (z. B. zwei auf einer oszillierenden Wippe montierte Kugeln). Mit zwei natürlichen unabhängigen Lichtquellen, beispielsweise zwei Glühbirnen, ist es unmöglich, ein Interferenzmuster (abwechselnde Beleuchtungsminima und -maxima) zu erhalten. Das Einschalten einer anderen Glühbirne erhöht lediglich die Ausleuchtung der beleuchteten Fläche. Lassen Sie uns herausfinden, was der Grund dafür ist.

Addition zweier monochromatischer Wellen

Sehen wir uns an, was durch die Addition zweier Wanderwellen mit den gleichen Schwingungsfrequenzen passiert. Es ist bekannt, dass harmonische Lichtwellen monochromatisch genannt werden (im Folgenden werden wir sehen, dass die Farbe durch die Frequenz der Welle (oder ihre Länge) bestimmt wird, sodass eine harmonische Welle monochromatisch (d. h. einfarbig) genannt werden kann). Lassen Sie diese Wellen sich von zwei Punktquellen S1 und S2 ausbreiten, die voneinander entfernt liegen. Wir werden das Ergebnis der Addition von Wellen in einem viel größeren Abstand von den Quellen betrachten (d. h.). Wir platzieren den Bildschirm, auf den die Lichtwellen fallen, parallel zur Verbindungslinie der Quellen (siehe Abbildung 1).

Eine Lichtwelle ist nach der elektromagnetischen Lichttheorie eine elektromagnetische Welle. In einer elektromagnetischen Welle, die sich im Vakuum ausbreitet, entsteht die Spannung elektrisches Feld modulo ist im Gaußschen System gleich der magnetischen Induktion. Wir werden die Hinzufügung elektrischer Feldintensitätswellen betrachten. Die Wanderwellengleichung hat jedoch für Wellen jeglicher physikalischer Natur die gleiche Form.

Die Quellen S1 und S2 senden also zwei sphärische monochromatische Wellen aus. Die Amplituden dieser Wellen nehmen mit zunehmender Entfernung ab. Wenn wir jedoch die Hinzufügung von Wellen in den Abständen r1 und r2 von den Quellen berücksichtigen, sind es viele lange Distanzen zwischen Quellen (d. h. und), dann können die Amplituden beider Quellen als gleich angesehen werden.

Die Wellen, die von den Quellen S1 und S2 zum Punkt A des Bildschirms gelangen, haben ungefähr die gleichen Amplituden und die gleichen Schwingungsfrequenzen ω. IN Allgemeiner Fall Die Anfangsphasen von Schwingungen in Wellenquellen können unterschiedlich sein. Laufende Gleichung Kugelwelle Im Allgemeinen können wir es so schreiben:

wobei φ0 die Anfangsphase der Schwingungen in der Quelle () ist.

Wenn am Punkt A zwei Wellen addiert werden, ergibt sich die Resultierende harmonische Schwingung Spannung:

Hier gehen wir davon aus, dass Spannungsschwankungen entlang einer geraden Linie auftreten. Bezeichnen wir mit:

Die Anfangsphase der Schwingungen der ersten Welle am Punkt A und danach: - Anfangsphase Schwingungen der zweiten Welle am gleichen Punkt. Dann:

für die Phasendifferenz erhalten wir den Ausdruck:

Die Amplitude der resultierenden Spannungsschwankungen am Punkt A ist gleich:

Es ist bekannt, dass die Intensität der Strahlung I direkt proportional zum Quadrat der Amplitude der Spannungsschwingungen ist, das heißt für eine Welle: I~E und für die resultierenden Schwingungen: I~E. Daher gilt für die Wellenintensität am Punkt A:

Bedingungen für Maxima und Minima des Interferenzmusters

Die Intensität des Lichts an einem bestimmten Punkt im Raum wird durch die Differenz der Schwingungsphasen bestimmt φ 1 - φ 2. Wenn die Schwingungen der Quelle in Phase sind, dann φ 01 - φ 02 = 0 und:

Die Phasendifferenz wird durch den Abstandsunterschied zwischen den Quellen und dem Beobachtungspunkt bestimmt. Erinnern wir uns daran, dass der Abstandsunterschied als Unterschied im Weg interferierender Wellen von ihren Quellen bezeichnet wird. An den Punkten im Raum, für die folgende Bedingung erfüllt ist:

K=0, 1, 2… (3)

die Wellen löschen sich gegenseitig aus (I = 0).

Dadurch entsteht im Raum ein Interferenzmuster, das einen Wechsel von Maxima und Minima der Lichtintensität und damit der Bildschirmbeleuchtung darstellt. Die Bedingungen für Interferenzmaxima (siehe Formel 3) und Minima (siehe Formel 4) sind genau die gleichen wie bei der Interferenz mechanischer Wellen.

Interferenzmuster

Wenn eine Ebene durch die Quellen gezogen wird, wird die maximale Intensität an Punkten der Ebene beobachtet, die die Bedingung erfüllen:

Diese Punkte liegen auf einer Kurve, die Hyperbel genannt wird. Für die Hyperbel ist die Bedingung erfüllt: Der Abstandsunterschied von jedem Punkt auf der Kurve zu zwei Punkten, den sogenannten Brennpunkten der Hyperbel, ist ein konstanter Wert. Dies führt zu einer Familie von Hyperbeln entsprechend unterschiedliche Bedeutungen k, wenn die Lichtquellen die Brennpunkte der Hyperbel sind.

Wenn sich die Hyperbel um eine Achse dreht, die durch die Quellen S1 und S2 verläuft, werden zwei Oberflächen erhalten, die ein Rotationshyperboloid mit zwei Hohlräumen bilden (siehe Abbildung 2), wenn unterschiedliche Werte von k unterschiedlichen Hyperboloiden entsprechen. Das Interferenzmuster auf dem Bildschirm hängt von der Position des Bildschirms ab. Die Form der Interferenzstreifen wird durch die Schnittlinien der Bildschirmebene mit diesen Hyperboloiden bestimmt. Steht der Schirm A senkrecht zur Linie l, die die Lichtquellen S1 und S2 verbindet (siehe Abbildung 2), dann haben die Interferenzstreifen die Form von Kreisen. Wenn Bildschirm B parallel zur Linie liegt, die die Lichtquellen S1 und S2 verbindet, sind die Interferenzstreifen Hyperbeln. Aber diese Hyperbeln mit einem großen Abstand D zwischen den Lichtquellen und dem Bildschirm in der Nähe von Punkt O können näherungsweise als Segmente paralleler Geraden betrachtet werden.

Ermitteln wir die Verteilung der Lichtintensität auf dem Bildschirm (siehe Abbildung 1) entlang der Geraden MN parallel zur Linie S1S2. Dazu ermitteln wir die Abhängigkeit der Phasendifferenz (siehe Formel 2) vom Abstand: h=OA. Wenn wir den Satz des Pythagoras auf Dreiecke anwenden, erhalten wir:

Wenn wir den zweiten Gleichheitsterm Term für Term vom ersten subtrahieren, erhalten wir:

Ich zähle l<

Die Lichtintensität (siehe Formel 1) ändert sich mit h:

Der Graph dieser Funktion wird angezeigt (siehe Abbildung 3). Die Intensität ändert sich periodisch und erreicht unter folgenden Voraussetzungen ein Maximum:

K=0, 1, 2,… (6)

Der Wert hk bestimmt die Position der maximalen Zahl k.

Abstand benachbarter Maxima:

Sie ist direkt proportional zur Lichtwellenlänge λ und je größer, desto kleiner ist der Abstand l zwischen den Lichtquellen im Vergleich zum Abstand D zum Bildschirm.

In der Realität wird die Intensität weder von einem Interferenzmaximum zum anderen Interferenzmaximum konstant sein, noch wird sie entlang eines Interferenzstreifens konstant bleiben. Tatsache ist, dass die Amplituden der Lichtwellen der Lichtquellen S1 und S2 nur am Punkt O genau gleich sind. An anderen Punkten sind sie nur annähernd gleich.

Wie bei mechanischen Wellen bedeutet die Bildung eines Interferenzmusters nicht die Umwandlung von Licht in andere Formen. Es wird lediglich im Raum umverteilt. Der Durchschnittswert der Gesamtlichtintensität entspricht der Summe der Intensitäten zweier Lichtquellen. Tatsächlich ist der Durchschnittswert der Lichtintensität über die gesamte Länge des Interferenzmusters (siehe Formel 5) gleich 2I0, da der Durchschnittswert des Kosinus für alle möglichen Werte des Arguments in Abhängigkeit von h Null ist.

Warum sind Lichtwellen aus zwei Quellen nicht kohärent?

Das von uns beschriebene Interferenzmuster aus zwei Quellen entsteht nur, wenn monochromatische Wellen gleicher Frequenz addiert werden. Bei monochromatischen Wellen ist die Phasendifferenz zwischen Schwingungen an jedem Punkt im Raum konstant. Wellen mit gleicher Frequenz und konstantem Phasenunterschied werden als kohärent bezeichnet. Nur kohärente Wellen, die sich überlagern, ergeben ein stabiles Interferenzmuster mit einer konstanten Lage der Maxima und Minima der Schwingungen im Raum. Lichtwellen aus zwei unabhängigen Quellen sind nicht kohärent.

Die Atome der Quellen emittieren Licht unabhängig voneinander in separaten „Fetzen“ (d. h. Zügen) von Sinuswellen. Die Dauer der kontinuierlichen Strahlung eines Atoms beträgt etwa 10 -8Sekunden Während dieser Zeit legt das Licht einen etwa 3 m langen Weg zurück (siehe Abbildung 4).

Diese Wellenzüge beider Quellen überlagern sich. Die Phasendifferenz von Schwingungen an jedem Punkt im Raum ändert sich chaotisch mit der Zeit, je nachdem, wie die Züge aus verschiedenen Quellen zu einem bestimmten Zeitpunkt relativ zueinander verschoben werden. Wellen verschiedener Lichtquellen sind nicht kohärent, da der Unterschied in den Anfangsphasen nicht konstant bleibt (Ausnahme sind Quantenlichtgeneratoren – 1960 entwickelte Laser). Phasen φ 01Und φ 02ändern sich zufällig, und aus diesem Grund ändert sich die Phasendifferenz der resultierenden Schwingungen an jedem Punkt im Raum zufällig.

Bei zufälligen „Pausen“ und „Entstehungen“ von Schwingungen ändert sich die Phasendifferenz zufällig und nimmt während des Beobachtungszeitraums alle möglichen Werte von 0 bis 2 an π . Infolgedessen im Laufe der Zeit τ , viel länger als die Zeit unregelmäßiger Phasenänderungen (ca. 10 -8Sekunden), Durchschnittswert cos( φ 1-φ 2) in der Intensitätsformel (siehe Formel 1) ist gleich Null. Es stellt sich heraus, dass die Lichtintensität gleich der Summe der Intensitäten der einzelnen Quellen ist und es wird kein Interferenzmuster beobachtet.

Die Inkohärenz von Lichtwellen ist der Hauptgrund dafür, dass Licht aus zwei Quellen kein Interferenzmuster erzeugt. Dies ist der Hauptgrund, aber nicht der einzige. Ein weiterer Grund ist, dass die Wellenlänge des Lichts, wie wir gleich sehen werden, sehr, sehr kurz ist. Dies macht es sehr schwierig, Interferenzen zu beobachten, selbst wenn wir kohärente Wellenquellen haben. Damit bei der Überlagerung von Lichtwellen ein stabiles Interferenzmuster beobachtet werden kann, ist es notwendig, dass die Lichtwellen kohärent sind, d. h. hatten die gleiche Wellenlänge und konstante Phasendifferenz.

Idee von Augustin Fresnel

Um kohärente Lichtquellen zu erhalten, fand der französische Physiker Augustin Fresnel 1815 eine einfache und geniale Methode. Es ist notwendig, das Licht einer Quelle in zwei Strahlen aufzuteilen und sie, indem man sie dazu zwingt, unterschiedliche Wege einzuschlagen, zusammenzuführen. Dann teilt sich der von einem einzelnen Atom emittierte Wellenzug in zwei zusammenhängende Wellenzüge auf. Dies ist bei Wellenzügen der Fall, die von jedem Atom der Quelle ausgesendet werden. Von einem Atom emittiertes Licht erzeugt ein bestimmtes Interferenzmuster. Wenn diese Muster einander überlagert werden, erhält man eine ziemlich intensive Beleuchtungsverteilung auf dem Bildschirm: Man kann das Interferenzmuster beobachten.

Es gibt viele Möglichkeiten, kohärente Lichtquellen zu erhalten, aber ihr Wesen ist dasselbe. Durch die Aufteilung des Strahls in zwei Teile erhält man zwei imaginäre Lichtquellen, die kohärente Wellen erzeugen. Hierzu werden zwei Spiegel (Fresnel-Bispiegel), ein Fresnel-Biprisma (zwei an den Basen gefaltete Prismen), ein Bilens (eine in zwei Hälften geschnittene Linse mit auseinander liegenden Hälften) und vieles mehr verwendet. Nun schauen wir uns eines der Geräte genauer an.

Fresnel-Biprisma

Ein Fresnel-Biprisma besteht aus zwei zusammengefügten Prismen mit kleinen Brechungswinkeln (siehe Abbildung 5). Licht von Quelle S fällt auf die Oberseiten des Biprismas und nach der Brechung erscheinen zwei Lichtstrahlen.

Die Fortsetzungen der von den oberen und unteren Prismen in entgegengesetzter Richtung gebrochenen Strahlen schneiden sich in zwei Punkten S 1und S 2, die virtuelle Bilder der Quelle S sind. Für kleine Werte der Brechungswinkel θ Prisma liegen die Quelle und ihre beiden imaginären Bilder praktisch in derselben Ebene. Die Wellen in beiden Strahlen sind kohärent, da sie tatsächlich von derselben Quelle emittiert werden.

Beide Strahlen überlappen und interferieren. Es entsteht das zuvor beschriebene Interferenzmuster.

Ein sehr klarer Beweis dafür, dass es sich um Interferenzen handelt, ist eine einfache Änderung im Experiment. Wenn eine Hälfte des Biprismas mit einem undurchsichtigen Schirm bedeckt ist, verschwindet das Interferenzmuster, da keine Wellenüberlagerung stattfindet. Der Abstand zwischen den Interferenzstreifen (siehe Formel 7) hängt von der Länge der interferierenden Wellen ab λ , Abstand b vom Biprisma zum Bildschirm, Abstand l zwischen imaginären Lichtquellen. Berechnen wir diesen Abstand.

Um l zu berechnen, ist es am einfachsten, den Weg eines Strahls zu betrachten, der normal auf ein Prisma (d. h. senkrecht zu seiner Oberfläche) einfällt. In Wirklichkeit gibt es keinen solchen Strahl, aber er kann durch gedankliche Fortsetzung der brechenden Facette des Prismas konstruiert werden (siehe Abbildung 6). Die Fortsetzungen aller auf die Prismenfläche einfallenden Strahlen schneiden sich im Punkt S1 – der imaginären Quelle. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist a der Abstand von der Quelle zum Biprisma. Nach dem Brechungsgesetz für kleine Winkel: . (Die Winkel sind klein, wenn der Brechungswinkel des Prismas klein ist und wenn a viel größer als die Größe des Biprismas ist.)

Distanz:

Der Abstand zwischen den Störbändern (siehe Formel 8) beträgt:

Dabei ist b der Abstand vom Biprisma zum Bildschirm.

Je kleiner also der Brechungswinkel des Prismas θ ist, desto größer ist der Abstand zwischen den Interferenzmaxima. Dementsprechend ist das Interferenzmuster leichter zu beobachten. Deshalb muss ein Biprisma kleine Brechungswinkel haben.

Lichtquellengrößen

Um Interferenzen mit einem Biprisma und ähnlichen Geräten beobachten zu können, müssen die geometrischen Abmessungen der Lichtquelle klein sein. Tatsache ist, dass Gruppen von Atomen auf der linken Seite, beispielsweise einem Teil der Quelle, ihr eigenes Interferenzmuster ergeben und auf der rechten Seite ihr eigenes. Diese Muster sind relativ zueinander versetzt (siehe Abbildung 7).

Bei einer großen Lichtquelle fallen die Maxima eines Interferenzmusters mit den Minima eines anderen Interferenzmusters zusammen und das Interferenzmuster wird dadurch „verschmiert“ (d. h. die Ausleuchtung des Bildschirms wird gleichmäßig).

Lichtwellenlänge

Das Interferenzmuster ermöglicht es uns, die Wellenlänge des Lichts zu bestimmen. Dies kann insbesondere in Versuchen mit einem Biprisma erfolgen. Kenntnis der Abstände a und b sowie des Brechungswinkels des Biprismas θ und sein Brechungsindex n, der die Abstände zwischen Interferenzmaxima misst Δ h kann die Lichtwellenlänge berechnet werden (siehe Formel 8). Wenn ein Biprisma mit weißem Licht beleuchtet wird, bleibt nur das zentrale Maximum weiß und alle anderen Maxima haben eine „Regenbogen“-Farbe. Näher an der Mitte des Interferenzmusters erscheint eine violette Farbe und weiter als die Mitte des Interferenzmusters erscheint eine rote Farbe. Dies bedeutet (siehe Formel 6), dass die Wellenlänge des vom Auge als rot wahrgenommenen Lichts maximal und die Wellenlänge des vom Auge als violett wahrgenommenen Lichts minimal ist. Maximaler Interferenzabstand vom Zentrum:

Nur bei k=0 ist hk=0 für alle Wellenlängen, das „Null“-Maximum ist also nicht „Regenbogen“, sondern weiß. Die Abhängigkeit der vom Auge wahrgenommenen Lichtfarbe von der Wellenlänge des Lichts kann leicht erkannt werden, indem verschiedene Lichtfilter in den Weg des auf das Biprisma einfallenden weißen Lichts gelegt werden. Die Abstände zwischen den Maxima sind bei roten Lichtstrahlen größer als bei gelben Lichtstrahlen, als bei grünen Lichtstrahlen und allen anderen Strahlfarben. Die Maßangaben erfolgen für rotes Licht in Metern und für violettes Licht in Metern. Die Wellenlängen, die anderen Farben des Spektrums entsprechen, haben Werte, die zwischen den oben genannten Lichtwellenlängen liegen.

Für jede Farbe ist die Wellenlänge des Lichts sehr, sehr klein. Eine visuelle Darstellung der Wellenlänge des Lichts kann aus dem folgenden Vergleich gewonnen werden. Wenn eine mehrere Meter lange Meereswelle genauso oft zunehmen würde, wie die Länge der Lichtwelle vergrößert werden müsste, damit sie der Breite dieses Berichts über meine Kursarbeit entspricht, dann durchgehend Der gesamte Atlantische Ozean (von New York in den USA bis Lissabon in Portugal) würde nur einer Meereswelle Platz bieten. Dennoch ist die Lichtlänge etwa tausendmal größer als der Durchmesser eines Atoms, der etwa m entspricht.

Vom Auge wahrgenommene Lichtwellenlänge und Lichtfarbe

Das Phänomen der Interferenz beweist nicht nur, dass Licht Welleneigenschaften hat, sondern ermöglicht uns auch die Messung der Wellenlänge des Lichts. Gleichzeitig stellt sich heraus, dass ebenso wie die vom Ohr wahrgenommene Tonhöhe durch die Frequenz der sich ausbreitenden mechanischen Schwingungen bestimmt wird, die Farbe des vom Auge wahrgenommenen Lichts durch die Frequenz der sich ausbreitenden elektromagnetischen Schwingungen bestimmt wird, die zu „ Sichtbares Licht“-Reihe. Wenn wir wissen, von welchen physikalischen Eigenschaften einer Lichtwelle die Farbwahrnehmung von Licht abhängt, können wir das Phänomen der Lichtstreuung genauer definieren. Unter Dispersion versteht man die Abhängigkeit des Brechungsindex eines optisch transparenten Mediums nicht von der Farbe des sich ausbreitenden Lichts, sondern von der Frequenz der sich ausbreitenden elektromagnetischen Schwingungen.

Außerhalb von uns gibt es in der Natur keine Farben, es gibt nur elektromagnetische Schwingungen verschiedener Frequenzen, die sich in Form elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Länge ausbreiten. Das Auge ist ein komplexes physikalisches Gerät, das in der Lage ist, unbedeutende (etwa 10) zu unterscheiden -6cm) Unterschied in der Lichtwellenlänge. Interessant ist, dass die meisten Tiere, darunter auch Hunde, nicht in der Lage sind, Farben zu unterscheiden, sondern nur die Intensität des Lichts, d. h. Sie sehen ein Schwarzweißbild, wie in einem nicht farbigen Film oder auf einem nicht farbigen Fernsehbildschirm. Farbenblinde Menschen, die unter Farbenblindheit leiden, können Farben auch nicht unterscheiden.

INTERFERENZPHÄNOMEN IN DÜNNEN FILMEN

Daher entwickelte Fresnel eine Methode zur Erzeugung kohärenter Wellen, um das Phänomen der Lichtinterferenz zu beobachten. Allerdings war er nicht der Erste, der das Phänomen der Interferenz beobachtete, und er war auch nicht derjenige, der das Phänomen der Lichtinterferenz für die Menschheit entdeckte. Etwas merkwürdig war, dass das Phänomen der Lichtinterferenz schon seit sehr langer Zeit beobachtet wurde, man sich dessen jedoch nicht bewusst war. Viele Menschen mussten schon oft ein Interferenzmuster beobachten, als sie in ihrer Kindheit beim Spaß beim Blasen von Seifenblasen deren schillernde Farben in allen Farben des Regenbogens sahen oder immer wieder ein ähnliches Bild auf der mit Wasser bedeckten Wasseroberfläche sahen ein dünner Film aus Erdölprodukten.

Die Idee von Thomas Young

Der englische Physiker Thomas Young hatte 1802 als erster die brillante Idee, die Farben dünner Filme durch die Überlagerung von Lichtwellen zu erklären, von denen eine von der Außenfläche des Films reflektiert wird und die zweite von innen. (Der Fairness halber sei angemerkt, dass Fresnel bei der Veröffentlichung seiner Arbeit über das Phänomen der Interferenz nichts über die Arbeit von Young wusste) Lichtwellen, da sie von einem Atom S einer ausgedehnten Lichtquelle emittiert werden (siehe Abbildung 8) . Je nach Gangunterschied verstärken oder schwächen sich die Lichtwellen 1 und 2 gegenseitig. Dieser Gangunterschied Δr entsteht dadurch, dass die Lichtwelle 2 im Inneren des Films einen zusätzlichen Weg AB + BC zurücklegt, während die Lichtwelle 1 nur eine zusätzliche Strecke DC zurücklegt. Es ist leicht zu berechnen, dass der Gangunterschied unter Vernachlässigung der Lichtbrechung (d. h.) beträgt:

Dabei ist h die Filmdicke und α der Einfallswinkel des Lichts. Eine Lichtverstärkung erfolgt, wenn der Gangunterschied Δr der Lichtwellen 1 und 2 gleich einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen ist, und eine Lichtdämpfung tritt auf, wenn der Gangunterschied Δr einer ungeraden Anzahl halber Wellenlängen entspricht.

Lichtwellen, die verschiedenen Farben entsprechen, haben unterschiedliche Wellenlängen. Zur gegenseitigen Auslöschung längerer Lichtwellen ist eine größere Filmdicke „nötig“ als zur gegenseitigen Auslöschung kürzerer Lichtwellen. Wenn die Folie an verschiedenen Stellen ungleiche Dicke aufweist, sollten daher unterschiedliche Farben auftreten, wenn die Folie mit weißem Licht beleuchtet wird.

Das Phänomen der Interferenz in dünnen Filmen wird beobachtet, wenn ihre Oberfläche von sehr ausgedehnten Lichtquellen beleuchtet wird, selbst wenn sie mit diffusem Licht von einem bewölkten Himmel beleuchtet wird. Es sind keine strengen Beschränkungen hinsichtlich der Größe der Quelle erforderlich, wie bei Fresnels Experimenten mit einem Biprisma und anderen Geräten. Aber in Fresnels Experimenten ist das Interferenzmuster nicht lokalisiert. Der Schirm hinter dem Biprisma (siehe Abbildung 5) kann an jeder Stelle platziert werden, an der sich Lichtstrahlen von imaginären Quellen überlappen. Das Interferenzmuster in dünnen Filmen ist bereits auf eine bestimmte Weise lokalisiert, denn um es auf dem Bildschirm zu beobachten, muss man ein Objektiv verwenden, um ein Bild der Filmoberfläche darauf zu erhalten, da bei der visuellen Beobachtung das Bild der Filmoberfläche erhalten wird auf der Netzhaut des Auges.

In diesem Fall werden Lichtstrahlen aus verschiedenen Teilen der Quelle, die auf dieselbe Stelle auf dem Film fallen, dann gemeinsam auf dem Bildschirm (oder auf der Netzhaut des Auges) gesammelt (siehe Abbildung 9). Für jedes Lichtstrahlenpaar ist der Gangunterschied ungefähr gleich, da die Filmdicke bei ihnen gleich ist und sich die Einfallswinkel nur geringfügig unterscheiden. Strahlen mit sehr unterschiedlichen Einfallswinkeln treffen nicht auf die Linse und schon gar nicht auf die Pupille des Auges, die sehr kleine Abmessungen hat.

Da für alle Filmabschnitte gleicher Dicke der Gangunterschied der interferierenden Strahlen gleich ist, ist folglich auch die Beleuchtung des Bildschirms, auf dem das Bild dieser Abschnitte entsteht, gleich. Dadurch sind auf dem Bildschirm Streifen sichtbar, die jeweils der gleichen Filmdicke entsprechen. Deshalb werden sie (Streifen) so genannt – Streifen gleicher Filmdicke.

Wenn die Oberfläche der Lichtquelle auf den Bildschirm fokussiert wird, fallen Lichtstrahlen aus einem bestimmten Bereich der Oberfläche der Lichtquelle nach Reflexion an verschiedenen Bereichen der Oberfläche des Films mit unterschiedlichen Reflexionen in denselben Punkt auf dem Bildschirm Dicken (siehe Abbildung 10). Daher fällt das Interferenzmuster auf dem Bildschirm unscharf aus, da bei verschiedenen Lichtstrahlenpaaren aufgrund unterschiedlicher Filmdicken der Gangunterschied unterschiedlich ist.

NEWTONS RINGE

Ein einfaches Interferenzmuster entsteht in einer dünnen Luftschicht zwischen einer Glasplatte und einer darauf platzierten plankonvexen Linse mit großem Krümmungsradius. Dieses Interferenzmuster aus Linien gleicher Dicke hat die Form konzentrischer Ringe, die als Newton-Ringe bezeichnet werden.

Nehmen wir eine Linse mit einer großen Brennweite F (und, Forscher, mit einer kleinen Krümmung ihrer konvexen Oberfläche) und legen wir ihre konvexe Seite auf eine flache Glasplatte. Wenn wir die Oberfläche der Linse sorgfältig untersuchen (am besten durch eine Lupe), werden wir einen dunklen Fleck an der Kontaktstelle zwischen der Linse und der Platte und kleine Regenbogenringe um ihn herum finden. Der Abstand zwischen benachbarten Ringen nimmt mit zunehmendem Radius schnell ab (siehe Foto 1). Das sind Newtons Ringe. Sie wurden erstmals vom englischen Physiker Robert Hooke entdeckt und Newton untersuchte sie nicht nur bei weißem Licht, sondern auch bei Beleuchtung der Linse mit einfarbigem (d. h. monochromatischem) Licht. Es stellte sich heraus, dass die Radien der Ringe proportional zur Quadratwurzel der Seriennummer des Rings zunehmen und die Radien von Ringen derselben Seriennummer zunehmen, wenn man sich vom violetten Ende des sichtbaren Lichtspektrums zum roten bewegt (siehe Fotos). 2 und 3). Newton konnte nicht erklären, warum Ringe auftauchten, da er ein glühender Anhänger der Korpuskulartheorie des Lichts war. Jung gelang dies erstmals anhand des Phänomens der Interferenz. Berechnen wir die Radien von Newtons dunklen Ringen. Dazu müssen Sie den Unterschied im Weg zweier Strahlen berechnen, die von der konvexen Oberfläche der Linse an der Glas-Luft-Grenze und von der Plattenoberfläche an der Luft-Glas-Grenze reflektiert werden (siehe Abbildung 11).

Radius r k Die Ringzahl k hängt durch eine einfache Beziehung mit der Dicke der Luftschicht zusammen. Nach dem Satz des Pythagoras (siehe Abbildung 12):

wobei R der Krümmungsradius der Linse ist. Da der Krümmungsradius der Linse im Vergleich zu h groß ist, gilt h<

Die zweite Lichtwelle legt einen Weg zurück, der 2 hk länger ist als der erste. Es stellt sich jedoch heraus, dass der Wegunterschied größer als 2hk ist. Bei der Reflexion einer Lichtwelle kann sich, genau wie bei der Reflexion einer mechanischen Welle, die Phase von Schwingungen um π ändern, was bedeutet, dass sich die Differenz um einen zusätzlichen Faktor vergrößert. Es stellt sich heraus, dass sich die Phase der Schwingungen um π ändert, wenn eine Lichtwelle an der Grenze eines Mediums mit großem Brechungsindex reflektiert wird. (Dasselbe passiert mit einer mechanischen Welle, die sich entlang einer Gummischnur ausbreitet, deren anderes Ende starr befestigt ist.) Bei der Reflexion an einem optisch weniger dichten Medium ändert sich die Phase der Schwingungen nicht. In diesem Fall ändert sich die Phase der Lichtwelle nur bei der Reflexion an der Glasplatte.

Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Erhöhung des Gangunterschieds lässt sich die Bedingung für Minima des Interferenzmusters wie folgt formulieren:

K=0, 1, 2,… (10)

Indem wir den Ausdruck (8) für hk in diese Formel einsetzen, bestimmen wir den Radius des dunklen Rings k in Abhängigkeit von λ und R:

Der dunkle Ring im Zentrum (k=0, hk = 0) entsteht durch eine Phasenänderung um π bei der Reflexion an der Glasplatte.

Die Radien der Lichtringe werden durch den Ausdruck bestimmt:

K=0, 1, 2,… (12)

Änderung der Wellenlänge in einem Stoff

Es ist bekannt, dass sich die Wellenlänge ändert, wenn Licht von einem Medium in ein anderes gelangt. Es kann so erkannt werden. Füllen wir den Luftspalt zwischen Linse und Platte mit Wasser oder einer anderen transparenten Flüssigkeit mit dem Brechungsindex n. Die Radien der Interferenzringe werden kleiner. Warum passiert das?

Wir wissen, dass beim Übergang von Licht aus einem Vakuum in ein beliebiges Medium die Lichtgeschwindigkeit um den Faktor n abnimmt. Denn in diesem Fall muss entweder die Frequenz oder die Wellenlänge des Lichts abnehmen. Die Radien der Ringe hängen jedoch von der Wellenlänge des Lichts ab. Wenn also Licht in ein Medium eintritt, ändert sich die Wellenlänge n-mal, nicht die Frequenz.

Warum Folien dünn sein müssen

Bei der Beobachtung von Interferenzen in dünnen Filmen gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich der Größe der Lichtquelle, jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Dicke des Films. In Fensterglas werden wir kein Interferenzmuster sehen, das dem ähnelt, das durch dünne Filme aus Kerosin und anderen Flüssigkeiten auf der Wasseroberfläche erzeugt wird. Schauen Sie sich noch einmal Foto 1 von Newtons Ringen im weißen Licht an. Je weiter man sich von der Mitte entfernt, desto dicker wird der Luftspalt. In diesem Fall verringern sich die Abstände zwischen den Interferenzmaxima und bei ausreichend großer Dicke der Zwischenschicht wird das gesamte Interferenzmuster unscharf und die Ringe sind überhaupt nicht sichtbar.

Die Tatsache, dass der Unterschied in den Radien benachbarter Ringe mit zunehmender Ordnung des Spektrums k abnimmt, folgt aus den Formeln 9 und 10. Es ist jedoch nicht klar, warum das Interferenzmuster bei großem k, d. h. bei großen Luftspaltdicken h.

Die Sache ist, dass Licht niemals streng monochromatisch ist. Es ist keine unendliche monochromatische Welle, die auf den Film (oder Luftspalt) fällt, sondern ein endlicher Wellenzug. Je weniger monochromatisch das Licht ist, desto kürzer ist dieser Zug. Wenn die Zuglänge weniger als das Doppelte der Filmdicke beträgt, treffen sich die von den Filmoberflächen reflektierten Lichtwellen 1 und 2 nie (siehe Abbildung 13).

Bestimmen wir die Dicke des Films, bei der noch Interferenzen beobachtet werden können. Nichtmonochromatisches Licht besteht aus verschiedenen Wellenlängen. Nehmen wir an, dass das Spektralintervall gleich Δλ ist, d.h. alle Wellenlängen von λ bis λ+Δλ sind vorhanden.

Dann entspricht jeder Wert von k nicht einer Interferenzlinie, sondern einem mehrfarbigen Streifen. Um zu verhindern, dass das Interferenzmuster unscharf wird, ist es erforderlich, dass sich die Bänder, die benachbarten Werten von k entsprechen, nicht überlappen. Im Fall von Newtons Ringen ist das notwendig. Wenn wir die Radien der Ringe aus Formel 13 einsetzen, erhalten wir:

Damit erhalten wir die Bedingung:

Wenn, dann muss k groß sein und:

Die Breite des Spektralintervalls muss also viel kleiner sein als die Lichtwellenlänge λ dividiert durch die Ordnung des Spektrums k. Dieser Zusammenhang gilt nicht nur für Newtons Ringe, sondern auch für Interferenzen in beliebigen dünnen Filmen.

EINIGE ANWENDUNGEN VON INTERFERENZEN

Die Anwendungsmöglichkeiten von Interferenzen sind sehr wichtig und umfangreich.

Es gibt spezielle Geräte – Interferometer, deren Funktionsweise auf dem Phänomen der Interferenz basiert. Ihr Zweck kann unterschiedlich sein: Präzise Messungen von Lichtwellenlängen, Messung des Brechungsindex von Gasen und andere. Für spezielle Zwecke gibt es Interferometer. Über eines davon wurde von Michelson entworfen, um sehr kleine Änderungen der Lichtgeschwindigkeit aufzuzeichnen.

Michelsons Experiment

Im Jahr 1881 führte der amerikanische Physiker Albert Abraham Michelson ein Experiment durch, um die Hypothese des niederländischen theoretischen Physikers Hendrik Anton Lorentz zu testen, wonach es einen ausgewählten Bezugsrahmen geben sollte, der mit dem Weltäther verbunden ist, der sich in absoluter Ruhe befindet. Der Kern dieses Experiments lässt sich anhand des folgenden Beispiels verstehen.

Von Stadt A fliegt das Flugzeug zu den Städten B und C (siehe Abbildung 14, a). Die Entfernungen zwischen den Städten sind gleich und betragen l = 300 km, und die Route AB verläuft senkrecht zur Route AC. Die Geschwindigkeit des Flugzeugs relativ zur Luft beträgt c = 200 km/h. Lassen Sie den Wind mit einer Geschwindigkeit in Richtung AB wehen υ =10 km/h. Die Frage ist: Welcher Flug dauert länger: von A nach B und zurück oder von A nach C und zurück?

Im ersten Fall beträgt die Flugzeit:

Im zweiten Fall sollte das Flugzeug nicht auf die Stadt C selbst zusteuern, sondern auf einen Punkt D, der gegen den Wind liegt (siehe Abbildung 14, b). Das Flugzeug fliegt eine Distanz AD relativ zur Luft. Der Luftstrom trägt das Flugzeug über eine Distanz DC. Das Verhältnis dieser Entfernungen ist gleich dem Verhältnis der Geschwindigkeiten:

Relativ zur Erde fliegt das Flugzeug die Strecke AC.

Da (siehe Abbildung 14 b), dann.

Aber: , deshalb.

Folglich wird die Zeit t2, die das Flugzeug benötigt, um diesen Weg hin und zurück mit der Geschwindigkeit c zurückzulegen, wie folgt bestimmt:

Der Zeitunterschied ist offensichtlich. Wenn Sie es sowie den Abstand AC und die Geschwindigkeit c kennen, können Sie die Geschwindigkeit des Windes relativ zur Erde bestimmen.

Ein vereinfachtes Diagramm von Michelsons Experiment ist in Abbildung 15 dargestellt. In diesem Experiment übernimmt eine Lichtwelle mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s relativ zum Äther die Rolle eines Flugzeugs. (Am Ende des 19. Jahrhunderts gab es keinen Zweifel an der Existenz des Äthers.) Die Rolle des gewöhnlichen Windes spielte der angebliche „ätherische Wind“, der die Erde wehte. Relativ zum ruhenden Äther kann die Erde nicht ständig ruhen, da sie sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 km/s um die Sonne bewegt und diese Geschwindigkeit ständig ihre Richtung ändert. Die Rolle der Stadt A spielte eine durchscheinende Platte P, die den Lichtfluss von der Quelle S in zwei zueinander senkrechte Strahlen teilte. Die Städte B und C werden durch Spiegel M ersetzt 1ihnen 2, die Lichtstrahlen zurücklenken.

Als nächstes wurden beide Strahlen verbunden und traten in die Teleskoplinse ein. Dabei entstand ein Interferenzmuster, bestehend aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen (siehe Abbildung 16). Die Lage der Streifen hing vom Zeitunterschied auf dem einen und dem anderen Weg ab.

Das Interferometer wurde auf einer quadratischen Steinplatte mit einer Seitenlänge von 1,5 m und einer Dicke von mehr als 30 cm installiert. Die Platte schwamm in einer Quecksilberschale, sodass sie ohne Erschütterungen um eine vertikale Achse gedreht werden konnte (siehe Abbildung 17).

Die Richtung des „ätherischen Windes“ ist unbekannt. Aber wenn sich das Interferometer dreht, ändert sich die Ausrichtung der Lichtwege OM 1und OM 2(siehe Abbildung 15) relativ zum „ätherischen Wind“ hätte sich ändern sollen. Folglich hätte sich der Unterschied in den Fahrzeiten der OM-Strecken ändern müssen 1und OM 2, und daher sollten sich die Interferenzstreifen im Sichtfeld der Röhre verschoben haben. Aus dieser Verschiebung hofften sie, die Geschwindigkeit des „ätherischen Windes“ und seine Richtung zu bestimmen.

Zur Überraschung der Wissenschaftler zeigte das Experiment jedoch, dass es zu keiner Verschiebung der Interferenzstreifen kommt, wenn das Interferometer gedreht wird. Die Experimente wurden zu unterschiedlichen Tages- und Jahreszeiten durchgeführt, endeten jedoch immer mit dem gleichen negativen Ergebnis: Die Bewegung der Erde im Verhältnis zum „Äther“ konnte nicht erfasst werden. Die Genauigkeit der neuesten Experimente war so groß, dass sie eine Änderung der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit (wenn das Interferometer gedreht wird) sogar um 2 m/s feststellen konnten.

Das alles ähnelte dem, wenn man bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h den Kopf aus dem Fenster eines Waggons steckte und den Druck der entgegen dem Zug strömenden Luft nicht spürte.

Somit wurde die Hypothese von Lorentz über die Existenz eines bevorzugten Bezugsrahmens im experimentellen Testprozess nicht bestätigt. Dies bedeutete wiederum, dass es kein spezielles Medium – den „Lichtäther“ – gab, mit dem ein solcher bevorzugter Bezugsrahmen in Verbindung gebracht werden konnte.

Überprüfung der Qualität der Oberflächenbehandlung

Eine weitere wichtige Anwendung des Interferenzphänomens ist die Prüfung der Qualität von Oberflächenbeschaffenheiten. Mithilfe von Interferenzen kann die Polierqualität eines Produkts mit einem Fehler von bis zu 0,01 Mikrometern beurteilt werden. Dazu müssen Sie eine dünne Luftschicht zwischen der Oberfläche der Probe und einer sehr glatten Referenzplatte erzeugen (siehe Abbildung 18).

Dann führen Unregelmäßigkeiten auf der geschliffenen Oberfläche des Produkts, die 0,01 μm überschreiten, zu deutlichen Krümmungen von Interferenzstreifen, die entstehen, wenn Licht von der zu prüfenden Oberfläche und der Unterkante der Referenzplatte reflektiert wird.

Insbesondere die Qualität des Oberflächenschliffs der herzustellenden Linse kann durch Beobachtung der Newtonschen Ringe überprüft werden. Die Ringe sind nur dann regelmäßige Kreise, wenn die Oberfläche der Linse streng sphärisch ist. Jede Abweichung von der Sphärizität, die größer als 0,1 der Länge der interferierenden Lichtwellen ist, beeinflusst die Form der Ringe merklich. An der Stelle, an der es zu einer Verzerrung der geometrisch regelmäßigen Sphärizität auf der Oberfläche der herzustellenden Linse kommt, haben Newtons Ringe nicht die Form eines geometrisch regelmäßigen Kreises.

Es ist merkwürdig, dass der italienische Physiker Evangelista Torricelli bereits Mitte des 17. Jahrhunderts Linsen mit einer Genauigkeit von bis zu 0,01 Mikrometern schleifen konnte. Seine Linsen werden im Museum aufbewahrt und die Qualität ihrer Oberflächenbehandlung mit modernen Methoden getestet. Wie hat er das geschafft? Niemand kann diese Frage eindeutig beantworten, da die Geheimnisse des Handwerks damals meist nicht preisgegeben wurden. Offenbar entdeckte Torricelli lange vor Newton Interferenzringe und vermutete, dass sich damit die Qualität des Mahlens überprüfen ließe. Aber Torricelli hatte natürlich keine Ahnung, warum die Ringe auftauchen.

Beachten wir auch, dass man mit fast ausschließlich monochromatischem Licht das Interferenzmuster beobachten kann, wenn es von Ebenen reflektiert wird, die weit voneinander entfernt sind (in der Größenordnung von mehreren Metern). Dadurch können Sie Entfernungen von mehreren Hundert Zentimetern mit einem Fehler von bis zu 0,01 µm messen.

Optikbeschichtung

Eine weitere wichtige Anwendung des Interferenzphänomens in der Praxis ist die Reinigung von Optiken. Optische Linsen moderner Kameras und Filmprojektoren, U-Boot-Periskope und vieler, vieler anderer optischer Geräte bestehen aus einer Vielzahl optischer Gläser – Linsen, Prismen usw. Beim Durchgang durch solche Geräte wird Licht teilweise an der Grenzfläche zwischen zwei optisch transparenten Medien reflektiert, wobei jede Linse mindestens zwei solcher Oberflächen aufweist. Die Zahl solcher reflektierenden optisch transparenten Oberflächen in modernen Fotoobjektiven übersteigt ein Dutzend, und in U-Boot-Periskopen erreicht diese Zahl vierzig. Wenn Licht senkrecht auf eine optisch transparente Oberfläche einfällt, werden 5 bis 9 % der Lichtenergie von jeder dieser Oberflächen reflektiert. Daher passieren oft nur 10 bis 20 % der Lichtenergie, die auf die erste der optisch transparenten Flächen „fällt“, das optische System der Linsen. Dadurch ist die Ausleuchtung des resultierenden Bildes äußerst schwach. Darüber hinaus verschlechtert sich die Bildqualität. Ein Teil des Lichtstrahls durchläuft nach wiederholter Reflexion an inneren optisch transparenten Oberflächen immer noch das optische System und ist aufgrund der Streuung nicht mehr an der Erzeugung eines klaren Bildes beteiligt. In fotografischen Bildern entsteht aus diesem Grund beispielsweise ein „Schleier“.

Um diese unangenehmen Folgen der Mehrfachreflexion von Licht an optisch transparenten Oberflächen zu beseitigen, ist es notwendig, den Anteil der reflektierten Lichtenergie von jeder dieser Oberflächen zu reduzieren. Das durch das optische System erzeugte Bild wird heller, also, wie Physiker sagen, „aufgehellt“. Daher kommt auch der Begriff „Beschichtung von Optiken“.

Optisches Clearing basiert auf dem Phänomen der Interferenz. Ein dünner Film mit einem Brechungsindex n kleiner als der Linsenindex n wird auf eine optisch transparente Oberfläche, beispielsweise eine Linse, aufgebracht. Betrachten wir der Einfachheit halber den Fall eines normalen Lichteinfalls auf den Film (siehe Abbildung 19).

Die Bedingung, dass sich die von der Ober- und Unterseite des Films reflektierten Lichtwellen gegenseitig aufheben, wird (für einen Film mit minimaler Dicke) wie folgt geschrieben:

Dabei ist die Lichtwellenlänge im Film und 2h der Gangunterschied der interferierenden Wellen. Wenn der Brechungsindex von Luft kleiner ist als der Brechungsindex des Films und der Brechungsindex des Films kleiner ist als der Brechungsindex von Glas, kommt es zu einer Phasenänderung. Dadurch haben diese Reflexionen keinen Einfluss auf die Phasendifferenz zwischen Welle 1 und 2; sie wird nur durch die Dicke der Folie bestimmt.

Wenn die Amplituden beider reflektierter Wellen gleich sind oder sehr nahe beieinander liegen, ist die Lichtauslöschung vollständig. Um dies zu erreichen, wird der Brechungsindex der Folie entsprechend gewählt, da die Intensität des reflektierten Lichts durch das Verhältnis der Brechungsindizes der beiden optisch transparenten benachbarten Medien bestimmt wird. Unter normalen Bedingungen fällt weißes Licht auf die Linse. Der Ausdruck (siehe Formel 13) zeigt, dass die erforderliche Filmdicke von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Daher ist es unmöglich, reflektierte Lichtwellen aller Frequenzen zu unterdrücken. Die Filmdicke wird so gewählt, dass bei Lichtwellenlängen im mittleren Teil des sichtbaren Lichtspektrums (d. h. bei grünem Licht, dessen Wellenlänge λ3 = 550 nm ist) eine vollständige Auslöschung bei normalem Lichteinfall erfolgt, sie sollte einem Viertel entsprechen der Lichtwellenlänge im Film:

Es ist zu beachten, dass in der Praxis eine Schicht aufgetragen wird, deren Dicke um eine ganze Zahl von Lichtwellenlängen größer ist, da dies wesentlich praktischer ist. Eine industrielle Methode zum Aufbringen dünner transparenter Filme auf transparente Oberflächen wurde von den russischen Physikern I. V. Grebenshchikov und A. N. Terenin entwickelt.

Die Lichtreflexion der extremen Teile des sichtbaren Lichtspektrums – Rot und Violett – wird leicht gedämpft. Daher hat eine optische Linse mit beschichteter Optik im reflektierten Licht einen lila Farbton. Heutzutage verfügen selbst die einfachsten Kameras über beschichtete Optiken.

Interferenzmikroskop

Das erste Interferenzmikroskop wurde 1931 in St. Petersburg vom russischen Physiker Alexander Lebedew entwickelt. In diesem Mikroskop interferieren zwei Lichtstrahlen, von denen einer durch das Objekt und der andere durch das Objekt hindurchgeht (entsprechend können sie als Referenz- und Arbeitsstrahl bezeichnet werden). Um ein stabiles Interferenzmuster zu erhalten, müssen die Wellen natürlich kohärent sein, d. h. haben über die Zeit eine konstante Phasendifferenz. Die Verteilung dieses durch das beobachtete Objekt erzeugten Raumunterschiedes manifestiert sich im Interferenzkontrast des Bildes (von französisch kontraste – Gegenteil).

Der Interferenzkontrast hat (gegenüber dem Phasenkontrast) den Vorteil, dass er sich nicht nur durch scharfe, sondern auch durch sanfte Änderungen des Brechungsindex und der Dicke einzelner Objektabschnitte deutlich bemerkbar macht. Infolgedessen hängt die Verteilung der Beleuchtung im Bild nur von der durch diese Bereiche verursachten Phasenverschiebung ab, nicht jedoch von deren Form oder Größe, und das Bild weist keine Lichthöfe auf, die Phasenkontrastbildern innewohnen. Darüber hinaus kann ein Interferenzmikroskop sowohl Schwarzweiß- als auch Farbbilder erzeugen, wenn bei weißem Licht gearbeitet wird. Tatsache ist, dass sich Wellen bestimmter Wellenlängen durch Interferenz gegenseitig aufheben können und das Bild dann in Komplementärfarben gemalt wird. Da das Auge sehr empfindlich auf Farbkontraste reagiert, bietet dies einen großen Vorteil gegenüber einem Phasenkontrastmikroskop, das nur Kontraste zwischen Farbtönen derselben Farbe beobachtet.

Der Hauptvorteil eines Interferenzmikroskops besteht jedoch darin, dass es nicht nur die Feststellung von Phasenunterschieden verschiedener Teile eines Objekts ermöglicht, sondern auch die Messung der entsprechenden Gangunterschiede von Lichtstrahlen, d. h. oder der Unterschied im Brechungsindex bei gleicher Dicke, oder der Unterschied in der Dicke bei gleichem Brechungsindex. Die gemessenen Hubunterschiede können in Konzentration, Trockenmasse im Präparat umgerechnet und weitere wertvolle quantitative Informationen gewonnen werden. Aus diesem Grund wird ein Interferenzmikroskop hauptsächlich für quantitative Untersuchungen verwendet, während ein Phasenkontrastmikroskop für die visuelle Beobachtung von Objekten verwendet wird, die keinen Amplitudenkontrast einführen, d. h. praktisch nicht absorbierendes Licht. Die Implementierung eines Interferenzmikroskops (siehe Abbildung 20) ist viel schwieriger als die eines Phasenkontrastmikroskops. Da ein Lichtstrahl in zwei Teile geteilt werden muss, bevor er auf ein Objekt trifft, sind im Allgemeinen zwei optische Systeme erforderlich – eines für jeden der Strahlen – und weitgehend identisch zueinander. Erst dann, nach der Konvergenz der Strahlen, kann gewährleistet werden, dass das Interferenzmuster ausschließlich durch das im Strahlengang befindliche Objekt verursacht wird.

Da kohärente Wellen interferieren müssen, sollte der Unterschied im Strahlengang in beiden Zweigen des Interferenzmikroskops die sogenannte Kohärenzlänge nicht wesentlich überschreiten. Diese Länge beträgt für weißes Licht nur etwa Meter und nimmt zu, je enger der Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts wird, d. h. mit zunehmendem Grad an Monochromatizität. Verschiedene Elemente des Motivs führen zu unterschiedlichen Phasenverschiebungen und erscheinen im Bild mit ungleichem Kontrast. Normalerweise ist die Phasenverschiebung sehr klein im Vergleich zu 180 (d. h. der Gangunterschied zwischen Arbeits- und Referenzstrahl ist viel kleiner als die halbe Wellenlänge) und wenn die Längen beider Arme des Interferenzmikroskops gleich oder unterschiedlich sind Bei einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen erscheint das Bild des Objekts vor einem hellen Hintergrund dunkel. Wenn sich die Längen der Interferometerzweige um eine ungerade Anzahl von Halbwellen unterscheiden, sieht das Bild dagegen hell vor einem dunklen Hintergrund aus. Es ist kein Zufall, dass hier das Wort „Interferometer“ verwendet wird. Ein Interferenzmikroskop ist im Wesentlichen ein Mikrointerferometer – ein Gerät zur Messung kleiner Gangunterschiede, mit dem man die Details mikroskopischer Objekte beobachten kann.

Sterninterferometer

Natürlich kann das Interferenzprinzip nicht nur bei der Beobachtung von Bakterien, sondern auch bei der Beobachtung von Sternen angewendet werden. Dies ist so offensichtlich, dass die Idee eines Interferenzteleskops ein halbes Jahrhundert vor dem Erscheinen des Interferenzmikroskops entstand. Aber das gleiche Phänomen in diesen beiden Anwendungen diente völlig unterschiedlichen Zwecken. Wenn in einem Interferenzmikroskop die Interferenz verwendet wird, um die direkt unsichtbare Struktur von Objekten zu beobachten, die keinen Amplitudenkontrast bieten, dann ist es in einem Teleskop so, als ob sie mit ihrer Hilfe versuchen würden, über die Auflösungsgrenze hinauszugehen, die durch die vorgegebene Auflösungsgrenze überschritten wird Beugungsformel:

Die Notwendigkeit, die Auflösung des Teleskops zu erhöhen, wurde durch die Notwendigkeit bestimmt, eine Vorstellung von der Größe der Sterne zu bekommen. Einer der größten Sterne, Alpha Orion, bekannt als Beteigeuze, hat einen Winkeldurchmesser von nur 0,047 Bogensekunden. Um solche unbedeutenden Winkelabmessungen zu bestimmen, wurde zunächst das Parallaxenprinzip angewendet: Die Ergebnisse zweier Beobachtungen an Punkten, die sich beispielsweise an entgegengesetzten Enden des Durchmessers der Erdumlaufbahn befanden, wurden verglichen, d.h. Ergebnisse von Winter- und Sommermessungen der Positionen von Sternen am Himmel. Dann begannen sie, größere Teleskope zu bauen. Aber selbst das größte moderne Teleskop (im Nordkaukasus installiert) mit einem Spiegeldurchmesser von 6 Metern hat eine Auflösung von 0,02 Bogensekunden, während die überwiegende Mehrheit der astronomischen Objekte zehn- und hundertmal kleinere Winkelgrößen hat.

Im letzten Drittel des 19. Jahrhunderts schlugen der französische Physiker Armand Hippolyte Louis Fizeau und Michelson vor, diese Situation mit einer scheinbar einfachen Technik zu verbessern. Verschließen wir das Teleskopobjektiv mit einer Blende, in die zwei kleine Löcher eingebracht sind. Betrachten wir, was passiert, wenn wir zwei Punktquellen am Himmel beobachten. Jeder von ihnen erzeugt im Teleskop sein eigenes Interferenzmuster, das durch die Addition von Wellen aus zwei kleinen Löchern in der Blende entsteht, und die Muster werden relativ zueinander um einen Betrag verschoben, der durch die Differenz im Weg der Lichtwellen bestimmt wird Von den Quellen bis zum Teleskop. Ist dieser Gangunterschied gleich einer geraden Anzahl von Halbwellen, dann stimmen die Bilder überein und das Gesamtbild wird klarer. Wenn der Gangunterschied einer ungeraden Anzahl von Halbwellen entspricht, fallen die Maxima des einen Interferenzmusters auf die Minima des anderen und das Gesamtbild wird am stärksten unscharf. Sie können diesen Gangunterschied variieren, indem Sie den Abstand d zwischen den Löchern in der Blende ändern und gleichzeitig beobachten, wie die Interferenzstreifen (wenn die Löcher in der Blende wie schmale Schlitze aussehen) mehr oder weniger deutlich werden. Das erste Minimum an Bandklarheit wird erreicht, wenn:

Wo ist der Winkelabstand zwischen Quellen am Himmel? Von hier aus können Wissen und d bestimmt werden. Wenn wir anstelle von zwei Quellen eine erweiterte Quelle mit Winkelabmessungen betrachten, finden wir in ähnlicher Weise:

wobei k = 1,22 für eine runde Quelle mit gleichmäßiger Helligkeit und k > 1,22 für dieselbe Quelle, deren Helligkeit von der Mitte der Scheibe zu ihren Rändern hin abnimmt.

Aber führt dies zu einem Auflösungsgewinn? Vergleichen wir zum Beispiel die Formeln (14) und (15). Setzen wir D = 1 m, dann nach Formel (14) Bogensekunden. Der Abstand zwischen den Schlitzen in der Teleskopblende sei auch die Grenze – 1 m. Wenn wir den Wert von m in der Mitte des sichtbaren Bereichs nehmen, erhalten wir Bogensekunden. Bedeutet das, dass es keinen Gewinn gibt? Sicherlich. Es kann nicht existieren, genau wie in einem Interferenzmikroskop. Aber der Wert selbst kann jetzt gemessen werden. Dies ist ein sehr wichtiger Vorteil.

Aber damit ist die Sache noch nicht zu Ende, sie fängt gerade erst an. Michelson hatte die Idee, die Löcher in der Blende weit über die Teleskoplinse hinaus zu „schieben“. Das ist natürlich nicht wörtlich zu nehmen: Die Löcher selbst blieben an ihrem ursprünglichen Platz, aber das Licht der Sterne fiel nicht direkt auf sie, sondern zunächst auf zwei stationäre entfernte Spiegel (siehe Abbildung 21), von denen das Licht kam von zwei weiteren Spiegeln an Löchern in der Blende reflektiert. Und dies erwies sich als äquivalent zu dem, was passieren würde, wenn der Durchmesser der Teleskoplinse um den Abstand zwischen den voneinander entfernten Spiegeln vergrößert würde und sich dementsprechend die Auflösung um den gleichen Betrag erhöhte. Mit einem solchen Sterninterferometer führte Michelson die ersten zuverlässigen Messungen der Durchmesser von Riesensternen durch.

Allerdings erwies sich selbst ein Abstand von 6 m zwischen den Spiegeln im ersten Sterninterferometer als eindeutig unzureichend. Aus Formel (14) können Sie erkennen, dass bei D=6m =0,02 Bogensekunden. Mittlerweile ist die überwiegende Mehrheit der Sterne nicht riesig, sondern etwa „solar“ groß. Wenn die Sonne in der Entfernung des nächsten Sterns (einem Stern im Sternbild Centaurus) platziert wäre, wäre sie als Scheibe mit Winkelabmessungen von 0,007 Bogensekunden sichtbar und würde ein Teleskop mit Spiegeln erfordern, die gut 20 m voneinander entfernt sind, um ihre Abmessungen zu messen Der Bau eines solchen Teleskops ist äußerst schwierig, da eine sehr steife mechanische Struktur erforderlich ist.

Während des Beobachtungsprozesses können sich die Abstände zwischen den Spiegeln und dem Okular nur um Bruchteile der Lichtwellenlänge ändern, während diese Abstände selbst fast eine Milliarde Mal größer sind als die Lichtwellenlänge! Allerdings hatte bereits das erste Michelson-Interferenzteleskop einen weiteren spürbaren Vorteil gegenüber einem herkömmlichen Teleskop ohne Membran. Sternbeobachtungen werden in der Regel von der Erdoberfläche aus durchgeführt (die Weltraumastronomie steckt noch in den Kinderschuhen). Auf dem Weg zu den Teleskopen passiert das Sternenlicht die turbulente Atmosphäre der Erde, in der ständig turbulente Luftströmungen herrschen. Aufgrund chaotischer Veränderungen der Dichte und des Brechungsindex der Luft flackern Sterne und ihre Bilder in einem Teleskop ohne Membran sind stark verzerrt. Bei einem Interferenzteleskop ist der Einfluss atmosphärischer Störungen aufgrund der kleinen Löcher in der Membran viel schwächer. Langsame Schwankungen des Brechungsindex der Luft führen dazu, dass das Interferenzmuster über das Sichtfeld „kriecht“, sein Aussehen jedoch nahezu nicht verändert, d. h. Die relative Position und der Kontrast der Interferenzstreifen ändern sich nicht (siehe Abbildung 22).

Funkinterferometer

In den 40er Jahren des 19. Jahrhunderts begann man, eine neue Reihe elektromagnetischer Wellen für die astronomische Forschung zu nutzen – die Radioemission von Weltraumobjekten. Es erschienen Radioteleskope und Radiointerferometer. Die größten Radioteleskope haben einen Antennenspiegeldurchmesser von etwa 100 m. Das ist viel größer als der Spiegeldurchmesser des größten optischen Teleskops, aber vergessen wir nicht, dass Radiowellenlängen zehntausende Male länger sind als Lichtwellenlängen, also die Die Auflösung eines Radioteleskops ist tausendmal schlechter als die seines optischen Gegenstücks. Für ein optisches 6-Meter-Teleskop beträgt sie, wie oben erwähnt, etwa 0,02 Bogensekunden, während sie für ein 100-Meter-Radioteleskop, das beispielsweise bei einer Länge von 0,1 m betrieben wird, nur etwa 4 Bogensekunden beträgt

Um eine bessere Auflösung zu erreichen, wurden einzelne Radioteleskope zu Radiointerferometern „kombiniert“, wobei ihre Antennen als Spiegel in einem Michelson-Sterninterferometer betrachtet wurden. Nun war es möglich, nahezu den Durchmesser des Globus als Basis des Interferometers zu nehmen. Es lässt sich leicht berechnen, dass sich die Auflösung um mehrere Größenordnungen verbessert hat. Sie erreicht derzeit etwa 0,001 Bruchteile einer Bogensekunde, also mindestens 20.000 Mal höher als die des größten optischen Teleskops.

Aber solche Radiointerferometer mit ultralangen Basen bringen ihre eigenen großen Probleme mit sich. In einem optischen Teleskop werden interferierende Strahlen mithilfe von Spiegeln und einer Linse zusammengeführt. Wie kann man Radiowellen, die von zwei weit entfernten Radioteleskopen empfangen werden, so kombinieren, dass sie interferieren? Es treten sofort viele Komplikationen auf, von denen die meisten auf dem physikalischen Hauptproblem beruhen: Wie kann die Kohärenz der von zwei Radioteleskopen empfangenen Radiowellen aufrechterhalten werden? Selbst wenn wir davon ausgehen, dass eine Radiowelle von einer kosmischen Quelle, ohne irgendwelche Verzerrungen in der Atmosphäre zu erfahren, bei zwei Radioteleskopen ankam und dort ihre Kohärenz vollständig beibehielt, kann diese Welle leicht eliminiert werden. Es ist unrealistisch, Kabel von Radioteleskopen in ein einziges Zentrum zu verlegen, in dem hochfrequente Ströme von Empfängern hinzugefügt werden, die den empfangenen Radiowellen entsprechen. Dabei geht es nicht einmal um Rauschen in den Empfängern und Kabeln selbst, das zu chaotischen Phasenänderungen der Signale führt und deren Kohärenz stört.

Dies hat zur Folge, dass jeder Mensch Signale von Radiowellen mit seinem eigenen Radioteleskop registrieren und ihre Aufzeichnungen statt Radiowellen auf Magnetbändern „zusammentragen“ muss. Um zwei oder mehr gemachte Aufzeichnungen zu vergleichen (da mehr als zwei Radioteleskope an der Beobachtung beteiligt sein können, gibt es in der Optik außerdem Mehrstrahlinterferometer), bedarf es auf den ersten Blick nicht viel: die Anfangsmomente dieser Aufzeichnungen zu verknüpfen zueinander, d.h. e. Verwenden Sie die gleiche Uhr. Dies ist jedoch keineswegs einfach. Die Antennen empfangen Wellen nicht nur einer Frequenz, sondern in einem ganzen Frequenzbereich, der durch die Bandbreite bestimmt wird. Nehmen wir an, ein Radioteleskop arbeitet mit einer Wellenlänge von 1 m, d. h. bei einer Frequenz von 300 MHz und die Selektivität seines Empfangs sei 0,003, d.h. Das von der Antenne wahrgenommene Frequenzband beträgt 1 MHz. Die erforderliche Synchronisationsgenauigkeit entspricht dem Kehrwert der Frequenzbandbreite des von der Antenne wahrgenommenen Funksignals, d. h. in diesem Fall 1 Mikrosekunde. Mit anderen Worten: Einheitliche Zeitstempel bei der Aufzeichnung auf Magnetband müssen eine solche Genauigkeit aufweisen. Es ist klar, dass es schwierig ist, dies von einem Zentrum aus zu tun. Jedes Radioteleskop muss über eine eigene Uhr verfügen, die irgendwann mit anderen Uhren an anderen Radioteleskopen verglichen wird und mit einer Genauigkeit läuft, die nicht schlechter als angegeben ist.

Aber das reicht nicht aus. Aufzeichnungen von Strömen, die durch eine Radiowelle im Empfänger verursacht werden, können weder auf Papier noch auf Magnetband direkt aufgezeichnet werden: Die Frequenz der Welle ist für solche Trägheitsrekorder zu hoch. Sie müssen wie beim normalen Rundfunkempfang vorgehen: Das eingehende Signal mit dem Signal eines lokalen Konstantfrequenzgenerators mischen und überlagern (beim Betrieb mit einer Funkfrequenz von 300 MHz sollte die Frequenz des lokalen Generators nahe daran liegen) und Auf Magnetband kann eine Differenzfrequenz von etwa 1 MHz aufgezeichnet werden. Das bedeutet aber, dass auch lokale Frequenzgeneratoren synchronisiert werden müssen, das heißt, dass die Schwingungen, die sie in verschiedenen Radioteleskopen erzeugen, während der Aufzeichnungszeit der Radiowellen untereinander kohärent sein müssen. Bei der mehrminütigen Aufzeichnung eines Signals beispielsweise mit einer Frequenz von 300 MHz sollte die Frequenzstabilität des lokalen Generators nicht weniger als ein Milliardstel Prozent betragen!

Die Synchronisation von Uhren und die Stabilisierung der Frequenz von Generatoren, die eine solch fantastische Genauigkeit erfordern, sind ohne den Einsatz atomarer Standardfrequenzen – Quantengeneratoren – undenkbar. Im Hochfrequenzbereich werden Quantengeneratoren oft als Maser bezeichnet, im sichtbaren Lichtfrequenzbereich und in der Nähe davon – Laser. Der Einsatz solcher Instrumente machte die komplexesten interferometrischen Experimente möglich und erforderte die Entwicklung der oben erwähnten Theorie der Strahlungskohärenz, die sich jedoch bereits vor dem Aufkommen neuer optischer Technologien und Funktechnologien zu entwickeln begann.

Genau dieser Vergleich unabhängig gemachter Aufzeichnungen (natürlich synchronisiert) machte die moderne Interferometrie der kosmischen Radioemission möglich und ermöglichte die Auflösung und Messung solcher kosmischen Quellen, die der optischen Astronomie nicht zugänglich sind. Diese Forschungsmethode (zuerst von den amerikanischen Physikern Brown und Twiss vorgeschlagen) wurde Intensitätsinterferometrie genannt, da sie direkt die Korrelation von Photonenzahlen (Lichtintensität) berechnet und den Kontrast des Interferenzmusters nicht berücksichtigt.

Abschließend betonen wir noch einmal, dass das Löschen von Licht mit Licht nicht bedeutet, Lichtenergie in andere Energiearten umzuwandeln. Wie beim Phänomen der Interferenz mechanischer Wellen führt die gegenseitige Aufhebung der Wellen in einem bestimmten Raumbereich dazu, dass Lichtenergie einfach nicht in diesen Bereich gelangt. Die Dämpfung reflektierter Wellen in einer optischen Linse mit beschichteter Optik führt dazu, dass fast das gesamte Licht durch eine solche Linse gelangt.

Wellenlicht monochromatische Interferenz

Referenzliste

1.Born M., Wolf E., Fundamentals of Optics, übersetzt aus dem Englischen, 2. Auflage, 1973;

.Kaliteevsky N.I., Wave optics, 2. Auflage, 1978;

.Wolf E., Mandel L., Kohärente Eigenschaften optischer Felder, 1965;

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