Principi Huygens-Fresnel: interferenca, difrakcija, polarizacija svetlobe

Principi Huygens-Fresnel so postali podlaga za valovno-delno teorijo svetlobe. Na začetku XIX. Stoletja je Christiaan Huygens, ki je eksperimentiral z svetlobnimi valovi, predlagal, da obstajajo delci, ki so nosilci "svetlobne energije". Ta proces mu je bil predstavljen kot zaporedni prenos energije iz enega korpusku na naslednji skozi trke. Znanstveniki, ki so podprli to teorijo, so trdili, da svetloba premika eter, medij s posebnimi fizikalnimi lastnostmi, ki omogočajo, da se delci ne gibljejo. Ta eter prežema celoten prostor, ki ga obkroža, in tudi skozi objekte, ki omogočajo širjenje svetlobnih valov v vse smeri.

Osnove teorije

Načela, na katerih so temeljila načela Huygens-Fresnel, lahko formuliramo takole: širjenje svetlobe je v dejstvu, da se vzbujanje svetlobe, ki prihaja iz svetlobnega vira, prenaša na sosednje točke v prostoru, ki generirajo sekundarne svetlobne valove in jih prenašajo na sosednje točke. Polja širjenja sekundarnih valov iz sosednjih točk se prekrivajo drug na drugega, ojačajo ali bledijo. To teorijo potrjujejo difrakcija, interferenca, disperzija in refleksija, o katerih bomo podrobneje razpravljali v nadaljevanju.

Motnje

Ko se dve svetlobni valovi prekrivata, lahko bodisi delujejo kot ojačevalni faktor bodisi oslabita med seboj nihanja. Odkritje tega pojava se je zgodilo sedemnajst let pred oblikovanjem načela Huygensa, leta 1801, ki ga je pripravil Thomas Jung, Anglež, zdravnik. Znanstvenik je opozoril, da če sta bili na kartonu prebiti dve zelo majhni luknji drug ob drugem in je bil zaslon postavljen na pot ozkega snopa svetlobnih valov, na primer v zarezo, potem bi bilo na steni več svetlih in temnih obročev, namesto pričakovanih dveh svetlih točk. Da bi bila izkušnja uspešna, je potreben samo en pogoj - svetlobni valovi morajo biti usklajeni z njihovimi nihanji.

Difrakcija

Svetlobni val, ki prehaja skozi aerosole, tekočine ali trdne snovi, lahko odstopa od ravne osi gibanja. Ta pojav se imenuje difrakcija. Uporablja se v optičnih napravah za pridobitev jasne podobe tudi najmanjših predmetov ali predmetov na precejšnji razdalji.

Sočasno s Huygensom je leta 1818 Fresnel predstavil tudi difrakcijsko poročilo pariškemu znanstvenemu društvu. Njegove izkušnje in teoretični izračuni so bili odobreni, in eden od članov komisije, fizik Poisson, je na podlagi te teorije sklenil, da če postavimo neprosojno okroglo oviro na način difrakcijsko upognjenih žarkov, se bo na zaslonu prikazala svetla točka, ne pa senca predmeta. Kasneje je to predpostavko empirično preveril fizik D.F. Arago. Difrakcija svetlobe (Huygens-Fresnelovo načelo) je bilo potrjeno s tem, kar se je zdelo v nasprotju s hipotezo. Valovna teorija svetlobe se je uvrstila med druge preverjene fizikalne predpostavke.

Disperzija

Poleg difrakcije in interference, načela Huygens-Fresnel vključujejo pojav disperzije. Pravzaprav je razpad svetlobnega žarka v posamezne valove po prehodu skozi aerosol, tekočino ali trdno snov. Ta pojav je bil še odkrit Isaac Newton med poskusi s prizmo. Razdelitev svetlobe je mogoče razložiti z dejstvom, da je beli žarek sestavljen iz svetlobnih valov različnih dolžin. Svetloba, ki prehaja skozi oviro, se odbija pod različnimi koti, saj je koeficient refleksije neposredno odvisen od valovne dolžine. Zaradi tega valovi enake dolžine tvorijo ločene žarke, ki jih zaznavamo v drugačnem barvnem spektru: od rdeče do vijolične.

Polarizacija

To fizično načelo je težko razložiti. Za večjo jasnost lahko uporabite izkušnjo prehoda svetlobe med obema prizmah. Bistvo tega je, da če so trdna transparentna telesa enako usmerjena, svetloba gre skozi njih, ne da bi izgubila svojo svetlost, če pa jih postavimo pravokotno drug na drugega, potem žarek ne bo mimo. To je posledica usmerjenega vzorca svetlobnih valov. Če sovpada z ravnino, na kateri se nahaja kristal, potem ni oslabitve, in če ne, potem svetlobni žarek postane manj svetel ali pa sploh ne gre skozi predmet, ker so nekateri valovi ugasnjeni.

Razmišljanje

Če se na poti svetlobnega vala pojavi trdno ali tekoče telo, se ga v celoti ali delno odbije. Tako lahko vidimo predmete okoli nas. Ko svetlobni val doseže vmesnik medijev (npr. Plin / tekočina ali plin / trdna snov), se v celoti ali delno odbije nazaj. Kot, ki nastane med svetlobnim žarkom in navpičnico, ki je puhasto na površini (fazna meja), se imenuje kot vpadnega kota, kot med pravokotnico in reflektiranim žarkom pa je kot odbojnega kota.

Zakoni refleksije:

1. V isti ravnini obstajajo incidentni in reflektirani žarki in pravokotna.
2. Upadni kot je enak kotu odbijanja.
3. Potek svetlobnih žarkov je reverzibilen.

Razpršena in zrcalna refleksija

Glede na vrsto površine, iz katere se odbija žarek, je mogoče razlikovati zrcalno in difuzno refleksijo. Ogledalo je odsev, ki ga opazujemo iz zelo gladke površine, ko nepravilnosti ne presegajo valovne dolžine. Potem bo odsevani žarek vzporeden z incidentom. Najdemo ga v ogledalih, steklu, polirani kovini. Če so površinske nepravilnosti večje od valovne dolžine svetlobe, so odbite žarke usmerjene pod različnimi koti glede na vpadni kot. Zaradi tega lahko vidimo predmete, ki sami niso viri svetlobe. Prvič, da pridejo do tega sklepa pomagal načelo Huygens. Zakon refleksije svetlobe je dobil matematično in praktično utemeljitev, ki je temeljila na že znanih konceptih interference in difrakcije.

Praktična uporaba

Principi Huygens-Fresnel so bili osnova za oblikovanje optičnih naprav in postali osnova za valovno-delno teorijo svetlobe. Anglež D. Tabor, dobitnik Nobelove nagrade za fiziko, je po tem zakonu izumil holografijo. Čeprav je njegovo praktično izvajanje postalo možno le z uvedbo množične uporabe ozko usmerjenih intenzivnih svetlobnih virov - laserjev. Pravzaprav je hologram slika motenj, zajetih na fotografski plošči, ki jo tvorijo svetlobni valovi, ki se med seboj krepijo in oslabijo in se odbijajo od objekta pod različnimi koti.

Tehnika zajemanja tridimenzionalne slike se uporablja na področju shranjevanja informacij, ker je več podatkov na majhni površini holograma kot na mikrofotografijah. Kot ponazoritveni primer lahko navedemo lokacijo enciklopedičnega slovarja tisoč tristo strani na slikovni plošči 3x3 cm.

Razvijajo se naprave, kot so holografski elektronski mikroskop, ki omogočajo ustvarjanje tridimenzionalnih slik najmanjših strukturnih enot žive snovi, holografskega filma in televizije, katerih prve različice so 3D-filmske oddaje.