Принципите на Хюйгенс-Френел: интерференция, дифракция, поляризация на светлината

Принципите на Хюйгенс-Френел станаха основата на вълно-частичната теория на светлината. В началото на XIX век, Кристиан Хюйгенс, правейки експерименти на светлинни вълни, предположил, че има частици, които са носители на "светлинната енергия". Този процес му беше представен като последователен трансфер на енергия от един корпус към следващия чрез сблъсъци. Учените, които подкрепиха тази теория, твърдят, че светлината движи етера, среда със специални физически свойства, които позволяват на частиците да не губят енергия при движение. Този етер прониква в цялото околно пространство и също преминава през обекти, позволявайки на светлинните вълни да се разпространяват във всички посоки.

Основи на теорията

Принципите на Хюйгенс-Френел се основават на следното: разпространението на светлината се дължи на факта, че светлинното възбуждане, идващо от светлинен източник, се предава на съседните точки в пространството, които генерират вторични светлинни вълни и ги предават на съседни точки. Полетата на разпространение на вторични вълни от съседни точки се наслагват един върху друг, усилват се или избледняват. Тази теория се потвърждава от дифракцията, интерференцията, дисперсията и отражението, които ще бъдат обсъдени по-подробно по-долу.

смущения

Когато две светлинни вълни се припокриват, те могат или да действат като усилващ фактор, или да отслабват взаимните си колебания. Откриването на това явление се е случило седемнадесет години преди формулирането на принципа на Хюйгенс, през 1801 г. от Томас Юнг, англичанин, лекар по време на обучение. Ученият отбеляза, че ако две много малки дупки са били пробивани един до друг върху картона и екранът е бил поставен по пътя на тесен лъч светлинни вълни, например прорез в завесата, тогава ще има няколко светли и тъмни пръстени на стената зад екрана, вместо очакваните две светли петна. За да бъде опитът успешен, е необходимо само едно условие - светлинните вълни трябва да бъдат съчетани в техните колебания.

дифракция

Светлинната вълна, преминаваща през аерозоли, течности или твърди вещества, може да се отклони от правната ос на движение. Това явление се нарича дифракция. Използва се в оптични устройства за получаване на ясна картина дори на най-малките обекти или обекти на значително разстояние.

Едновременно с Хюйгенс, през 1818 г., Френел прави презентация на дифракционния доклад на Научното дружество в Париж. Неговият опит и теоретични изчисления бяха одобрени и един от членовете на комисията, физикът Поасон, заключи на базата на тази теория, че ако поставите непрозрачно кръгло препятствие по пътя на дифракционно отклонените лъчи, тогава светло петно ​​ще се отрази на екрана, а не на сянката на обекта. По-късно това предположение беше проверено емпирично от физик Д.Ф. Араго. Дифракция на светлината (принципът на Хюйгенс-Френел) се потвърждава чрез онова, което изглежда противоречи на хипотезата. Вълновата теория на светлината заема своето място сред другите потвърдени постулати на физиката.

дисперсия

В допълнение към дифракцията и интерференцията, принципите на Huygens-Fresnel включват феномена на дисперсия. В действителност, това е разлагането на лъч светлина в отделни вълни след преминаване през аерозол, течност или твърдо вещество. Това явление е открито още Исак Нютон по време на експерименти с призма. Разделянето на светлината може да се обясни с факта, че белият лъч се състои от светлинни вълни с различна дължина. Преминавайки през препятствие, светлината се отразява под различни ъгли, тъй като коефициентът на отражение е пряко зависим от дължината на вълната. Поради това вълните с еднаква дължина образуват отделни лъчи, които възприемаме в различен цветови спектър: от червено до виолетово.

поляризация

Трудно е да се обясни този физически принцип. За по-голяма яснота можете да използвате опита на преминаването на светлина между двете призми. Същността му е, че ако плътните прозрачни тела са еднакво ориентирани, светлината минава през тях, без да губи яркостта си, но ако ги поставите перпендикулярно един на друг, тогава лъчът няма да мине. Това се дължи на посоката на светлинните вълни. Ако съвпада с равнината, на която е разположен кристалът, тогава няма отслабване, а ако не е, тогава светлинният лъч става по-малко ярък или изобщо не преминава през обекта, предвид факта, че някои от вълните са погасени.

размисъл

Ако твърдо или течно тяло се появи на пътя на светлинната вълна, то тогава то се отразява напълно или частично от него. По този начин можем да видим предметите около нас. Когато светлинната вълна достигне интерфейса на средата (например газ / течност или газ / твърдо вещество), тя е напълно или частично отразена обратно. Ъгълът, който се образува между лъча светлина и перпендикуляра, който е космат по повърхността (фазова граница), се нарича ъгъл на падане, а ъгълът между перпендикуляра и отразения лъч е ъгълът на отражение.

Законите на отражението:

1. Инцидентните и отразените лъчи и перпендикулярни съществуват в същата равнина.
2. Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение.
3. Ходът на светлинните лъчи е обратим.

Дифузно и огледално отражение

В зависимост от вида на повърхността, от която е отразена гредата, е възможно да се разграничат огледално и дифузно отражение. Огледалото е отражението, което се наблюдава от много гладка повърхност, когато неравностите не надвишават дължината на вълната. Тогава отразеният лъч ще бъде успореден на инцидента. Намира се в огледала, стъкло, полиран метал. Ако повърхностните неравности са по-големи от светлинната дължина на вълната, тогава отразените лъчи са насочени под различни ъгли спрямо ъгъла на падане. Именно поради това можем да видим предмети, които сами по себе си не са източници на светлина. За първи път до това заключение помогна принципът на Хюйгенс. Законът за отражението на светлината получи математическо и практическо обосновка, основана на вече известни понятия за интерференция и дифракция.

Практическо приложение

Принципите на Huygens-Fresnel формират основата за проектиране на оптични устройства и също така стават основа на теорията на светлината за вълновите частици. Англичанинът Д. Тавор, носител на Нобелова награда по физика, използвайки този закон, е изобретил холографията. Въпреки че практическото му прилагане стана възможно само с въвеждането в масово използване на тясно фокусирани интензивни светлинни източници - лазери. Всъщност холограмата е картина на интерференция, запечатана върху фотографска пластина, образувана от светлинни вълни, които укрепват и отслабват взаимно, отразявайки се от обекта под различни ъгли.

Техниката на улавяне на триизмерно изображение се използва в областта на съхранението на информация, тъй като по-голямо количество данни се поставя на малка повърхност на холограма, отколкото на микрофотографии. Като илюстративен пример може да се посочи местоположението на енциклопедичен речник от хиляда триста страници на табела с фотографията 3х3 cm.

Разработват се такива устройства като холографски електронен микроскоп, които позволяват създаването на триизмерни изображения на най-малките структурни единици на живата материя, както и на холографското кино и телевизията, първите версии на които са триизмерни.