Интерференция и дифракция света

Волновые свойства света

Интерференция и дифракция — явления, доказывающие волновую природу света. Интерференция — это сложение в пространстве двух или нескольких когерентных волн, при котором возникает устойчивая картина чередующихся максимумов и минимумов освещённости.

Когерентными называют волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз. Только такие волны дают устойчивую интерференционную картину.

Условия максимумов и минимумов

Результат сложения волн зависит от оптической разности хода Δ:

• Максимум (волны усиливают друг друга): Δ = kλ, где k = 0, 1, 2, ...
• Минимум (волны гасят друг друга): Δ = (2k + 1)·λ/2

В опыте Юнга свет проходит через две близкие щели и на экране возникают светлые и тёмные полосы — наглядное доказательство интерференции.

Дифракция света

Дифракция — это огибание волнами препятствий и проникновение света в область геометрической тени. Дифракция заметна, когда размеры препятствия или отверстия сравнимы с длиной волны.

Дифракцию объясняют с помощью принципа Гюйгенса — Френеля: каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, а их сложение определяет вид волны в любой точке.

Дифракционная решётка

Дифракционная решётка — это система из большого числа параллельных щелей. Она разлагает свет в спектр. Условие главных максимумов:

d·sinφ = kλ

где d — период решётки, φ — угол отклонения, k — порядок спектра.

Как получают когерентные волны

Два независимых источника света не дают устойчивой интерференционной картины, потому что разность фаз их волн постоянно и беспорядочно меняется. Поэтому когерентные волны получают, разделяя свет одного источника на две части — например, пропуская его через две щели или отражая от двух близких поверхностей. Тонкие плёнки (мыльный пузырь, плёнка нефти на воде) переливаются всеми цветами именно из-за интерференции света, отражённого от верхней и нижней поверхностей плёнки.

Разобранный пример

На дифракционную решётку с периодом d = 2·10⁻⁶ м падает свет с длиной волны λ = 5·10⁻⁷ м. Найдём угол для первого максимума:

sinφ = kλ / d = 1·5·10⁻⁷ / 2·10⁻⁶ = 0,25

Значит, φ ≈ 14,5°. Для разных цветов угол разный, поэтому решётка раскладывает белый свет в спектр.

Различие дифракции и интерференции на практике

Дифракцию легко наблюдать, посмотрев на яркий источник через тонкую ткань или ресницы: вокруг точки видны цветные лучи. Интерференцию наблюдают в виде цветных колец и полос. Оба явления невозможно объяснить, если считать свет потоком частиц, — они однозначно указывают на волновую природу света.

Частые ошибки. Интерференция требует именно когерентных волн — два независимых источника картины не дадут. Условие минимума записывают через нечётное число полуволн, а не целое число длин волн.

Кратко о главном

• Интерференция — сложение когерентных волн с устойчивой картиной полос.
• Максимум при Δ = kλ, минимум при Δ = (2k+1)·λ/2.
• Дифракция — огибание светом препятствий, объясняется принципом Гюйгенса — Френеля.
• Дифракционная решётка разлагает свет в спектр: d·sinφ = kλ.