Принципи Гюйгенса-Френеля: інтерференція, дифракція, поляризація світла

Принципи Гюйгенса-Френеля стали основою корпускулярно-хвильової теорії світла. На початку XIX століття Християн Гюйгенс, роблячи досліди над світловими хвилями, припустив, що існують частинки, які є переносниками «світловий енергії». Цей процес уявлявся йому як послідовна передача енергії від однієї корпускули до наступної шляхом зіткнення. Вчені, які підтримували цю теорію, стверджували, що світ рухається ефірі, середовищі з особливими фізичними властивостями, що дозволяють часткам не втрачати енергію при русі. Цей ефір пронизує весь навколишній простір, а також проходить крізь предмети, дозволяючи світловим хвилям поширюватися на всі боки.

Основи теорії

Те, на чому базувалися принципи Гюйгенса-Френеля, можна сформулювати наступним чином: поширення світла полягає в тому, що світлове збудження, що виходить від джерела світла, передається сусіднім точками в просторі, які генерують вторинні світлові хвилі і передають їх сусідніх точках. Поля поширення вторинних хвиль від сусідніх точок накладаються один на одного посилюючись або затухаючи. Підтвердженням це теорії служать дифракція, інтерференція, дисперсія і відображення, які будуть докладніше розглянуті нижче.

Інтерференція

Коли дві світлові хвилі накладаються одна на одну, вони можуть або виступити в ролі підсилюючого фактора, або послабити коливання один одного. Відкриття цього явища відбулося за сімнадцять років до формулювання принципу Гюйгенса, у 1801 році Томасом Юнгом, англійцем, лікарем за освітою. Вчений зауважив, що якщо на картоні проколоти два дуже маленьких отвори поруч один з одним і поставити цей екран на шляху вузьконаправленого пучка світлових хвиль, наприклад щілини занавіски, то на стіні позаду екрану замість очікуваних двох світлих плям буде кілька світлих і темних кілець. Для того щоб досвід був успішним, потрібно лише одна умова – світлові хвилі мають бути узгоджені в своїх коливаннях.

Дифракція

Світлова хвиля, проходячи через аерозолі, рідини або тверді тіла, може відхилятися від прямолінійної осі руху. Це явище називається дифракцією. Його використовують у оптичних приладах для одержання чіткого зображення навіть найменших предметів або об'єктів, які знаходяться на значній відстані. Одночасно з Гюйгенсом, в 1818 році, Френель зробив презентацію доповіді про дифракції Паризькому науковому товариству. Його досвід і теоретичні викладки були схвалені, а один з членів комісії, фізик Пуассона, на основі цієї теорії зробив висновок, що якщо поставити на шляху дифракционно відхилених променів непрозоре кругле перешкоду, то на екрані буде відображатися світла пляма, а не тінь предмета. Пізніше це припущення було перевірено досвідченим шляхом фізиком Д. Ф. Араго. Дифракція світла (принцип Гюйгенса-Френеля) знайшла своє підтвердження через, здавалося б, суперечить гіпотезу. Хвильова теорія світла зайняла своє місце серед інших верифікованих постулатів фізики.

Дисперсія

Крім дифракції та інтерференції принципи Гюйгенса-Френеля включають в себе і явище дисперсії. По суті, це розкладання пучка світла на окремі хвилі після проходження через аерозоль, рідина або тверде тіло. Це явище було відкрито ще Ісааком Ньютоном під час дослідів з призмою. Розщеплення світла можна пояснити тим, що білий промінь складається з світлових хвиль різної довжини. Проходячи через перешкоду, світло відбивається під різним кутом, так як коефіцієнт відбиття знаходиться в прямій залежності від довжини хвилі. З-за цього однієї довжини хвилі формують окремі пучки, які ми сприймаємо в різному колірному спектрі: від червоного до фіолетового.

Поляризація

Пояснити цей фізичний принцип досить складно. Для більшої наочності можна використовувати досвід проходження світла між двома призмами. Суть його полягає в тому, що якщо тверді прозорі тіла орієнтовані однаково, то світло проходить через них, не втрачаючи своєї яскравості, якщо ж поставити їх перпендикулярно один одному, то промінь не буде проходити. Це пояснюється тим, який вектор спрямованості мають світлові хвилі. Якщо він співпадає з площиною, на якій розташований кристал, то ослаблення не відбувається, а якщо не збігається, то промінь світла стає менш яскравим або взагалі не проходить через предмет, через те, що частина хвиль гаситься.

Відображення

Якщо на шляху світлової хвилі виникає тверде або рідке тіло, то вона повністю або частково відбивається він нього. Таким чином, ми можемо бачити навколишні нас предмети. Коли світлова хвиля досягає межі розділу середовищ (наприклад, газ/рідина або газ/тверде тіло), то вона повністю або частково відбивається назад. Кут, який утворює між променем світла і перпендикуляром, опушеним на поверхню (кордон фаз), називається кутом падіння, а той, який знаходиться між перпендикуляром і відбитим променем – кутом відбиття. Закони відбиття:

Падаючий і відбитий промені і перпендикуляр існують в одній площині.

Кут падіння дорівнює куту відображення.

Хід світлових променів звернемо.

Дифузне і дзеркальне відображення

В залежності від типу поверхні, від якої відбивається промінь, можна виділити дзеркальне і дифузійне відбиття. Дзеркальним називається відображення, яке спостерігається від дуже гладкої поверхні, коли нерівності не перевищують довжину хвилі. Тоді відбитий промінь буде паралельний падаючому. Це зустрічається в дзеркалах, склі, полірованому металі. Якщо нерівності поверхні більше довжини світлової хвилі, відбиті промені спрямовані під різними кутами відносно кута падіння. Саме з-за цього ми можемо бачити предмети, які самі не є джерелами світла. Вперше прийти до такого висновку допоміг принцип Гюйгенса. Закон відбивання світла отримав математичне та практичне обґрунтування, спираючись на вже відомі поняття інтерференції і дифракції.

Практичне застосування

Принципи Гюйгенса-Френеля лягли в основу проектування оптичних приладів, а також стали базисом корпускулярно-хвильової теорії світла. Англієць Д. Табір, лауреат Нобелівської премії з фізики, використовуючи цей закон, винайшов голографію. Хоча практичне її втілення стало можливим тільки з впровадженням в масове користування вузьконаправлених інтенсивних джерел світла – лазерів. По суті, голограма - це відображена на фотопластинці картина інтерференції, що утворюється світловими хвилями, які підсилюють і послаблюють одне одного, відбиваючись від предмета під різними кутами. Методика такого фіксації тривимірного зображення знаходить застосування у сфері зберігання інформації, тому що на невеликій поверхні голограми вміщується більша кількість даних, ніж на мікрофотографіях. В якості прикладу можна навести розташування енциклопедичного словника обсягом у тисячу триста сторінок на фотопластинці 3х3 див. У розробці знаходяться такі прилади, як голографічний електронний мікроскоп, що дозволяє створювати тривимірні зображення найменших структурних одиниць живої матерії, а також голографічне кіно і телебачення, першими версіями якого є 3D-кіносеанси.