Вклад Томаса Юнга в развитие физики. Интерференция световых волн

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСТИТЕТ им. Н.П. ОГАРЕВА»
(ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва»)
Институт электроники и светотехники
Кафедра источников света
Реферат
по дисциплине: История развития светотехнических устройств и систем
ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Т. ЮНГА
Автор
М. Н. Князева
Направление 11.03.04 – Электроника и наноэлектроника
Руководитель
канд. техн. наук, доц.
Л. В. Синицына
Саранск 2022

2.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
3
1 Вклад Томаса Юнга в развитие физики
4
2 Интерференция световых волн
6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
11
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
12
2

3.

ВВЕДЕНИЕ
Оптические исследования уходят корнями в седую древность. Это
связано с тем, что подавляющую часть информации человек получает с
помощью зрения.
Первые работы по оптике восходят к ученым Античности (Евклиду,
Архимеду, Аристотелю и др.). Основным объектом их изучения была
геометрическая оптика, причем в процессе исследований постепенно
осуществился переход от теории зрительных лучей, исходящих из глаза, к
теории, в которой глаз воспринимается как оптический инструмент,
принимающий прямолинейно распространяющиеся лучи света. Результатом
этих работ было установление понятий прямолинейного распространения
света,
его
отражения,
объяснение
функционирования
простейших
оптических приборов (плоских и криволинейных зеркал, линз и др.).
Целью работы является раскрытие понятия оптических исследований
Т. Юнга.
3

4.

1 Вклад Томаса Юнга в развитие физики
Во все времена находились любознательные люди, которым было
интересно узнать истинное устройство Вселенной, каких-то отдельных ее
процессов или явлений. В наше время значение науки для человечества ни у
кого не вызывает сомнений, однако так было не всегда. К счастью, те
времена давно прошли, и последние несколько сотен лет непрестанно
совершаются выдающиеся открытия из области физики и иных наук. И
Томас Юнг – один из тех, кого ставят в один ряд с другими великими
учеными прошлых лет – Беккерелем, Ломоносовым, Менделеевым.
Этот ученый известен также тем, что не ограничивался своими
исследованиями в одной лишь физике. На его счету научные работы по
оптике, механике, филологии и физиологии зрения.
В 1793 году Юнг в одной из своих работ, посвященных человеческому
зрению, указал, что аккомодация глаза происходит благодаря процессу
изменения кривизны хрусталика. Дальнейшие наблюдения в области оптики
навели ученого на мысль, что корпускулярная теория света, которая в то
время считалась главенствующей, не вполне верна.
Когда Юнг высказался в пользу волновой теории света, практически
все ученые Англии того времени были с ним не согласны, и под давлением
их мнения он на время отказался от собственных умозаключений. Однако в
дальнейшем Томас Юнг снова вернулся к своей волновой теории света и был
первым, кто рассмотрел проблему суперпозиции волн. Исследуя это явление
дальше, он открыл принцип интерференции.
А в одном из докладов Королевскому обществу он также первым дал
объяснение так называемым кольцам Ньютона, опираясь в этом на основы
интерференции, и рассказал о первых своих опытах, цель которых
заключалась в измерении длины различных волн света.
4

5.

В 1804 году он подробно рассмотрел и описал явление дифракции.
После исследований ученого Френеля по интерференции света, который
является поляризованным, Юнг высказал гипотезу о копеечности колебаний
волн света. В том числе в заслугах Юнга значится разработка теории
цветного зрения, которая строится на предположении, что в оболочке глаза
находятся светочувствительные волокна, реагирующие на три основных
световых спектра.
Занимался
этот
выдающийся
ученый
своего
времени
также
лингвистикой – доказывал родство индоевропейских языков. И кстати,
определение «индоевропейские» придумал именно он. Также среди его
заслуг – введение такой характеристики, как числовое значение упругости во
время сжатия или растяжения, которое получило название модуля Юнга.
Родился будущий ученый в 1773 г. в семье простого торговца шелком.
Рано научился читать и уже в детстве отличался очень хорошей памятью,
любознательностью и сильной тягой к наукам. Так, уже в 8 лет он всерьез
увлекся математикой и геодезией, где проявлял недюжинные таланты. А
будучи
подростком,
уже
владел
такими
языками,
как
латынь,
древнееврейский, итальянский, арабский и французский. Не каждый
взрослый может похвастаться таким количеством лингвистических знаний!
Помимо всего этого, по воспоминаниям родственников, Юнг увлекался
также историей и ботаникой. Но изначально Юнг выбрал в качестве занятия
своей жизни именно медицину.
Степень доктора медицины он получил в 1796 году. Но событием,
которое сделало его финансово независимым и позволило с головой уйти в
науку, не думая об источнике заработка, стала смерть его дяди – он оставил
молодому Томасу большое денежное наследство.
Позже Юнг открыл частную медицинскую практику и в это же время
начал публиковаться. Но анонимно, поскольку опасался за свою репутацию
врача. Позже увлекся акустикой и оптикой.
5

6.

В возрасте 21 года он стал действующим членом Лондонского
королевского сообщества и какое-то время занимал в нем пост секретаря.
В 1803 году получил звание профессора Королевского института. А год
спустя женился на Элизе Максвелл. Несмотря на свои успехи в физике, с
1811 года и до самого конца жизни Томас Юнг продолжал работать врачом в
одной из больниц Лондона.
Не расстался он с профессией врача и в 1818 году, когда стал
секретарем Бюро долгот и редактором такого издания, как «Мореходный
календарь».
Юнг также внес свой вклад и в дополнение к одному из изданий
«Британской энциклопедии» тем, что написал примерно 60 глав. В основном
это были биографии ученых.
2 Интерференция световых волн
Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света.
Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или
нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания
пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в
максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы
интенсивностей
пучков.
При
использовании
белого
света
интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета
спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно
часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных
стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и
жуков – все это проявление интерференции света.
Первый
лабораторных
эксперимент
условиях
по
наблюдению
принадлежит
И.
интерференции
света
Ньютону.
наблюдал
Он
в
интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой
6

7.

воздушной
прослойке
между
плоской
стеклянной
пластиной
и
плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная
картина имела вид концентрических колец, получивших название колец
Ньютона.
Ньютон не смог с точки зрения корпускулярной теории объяснить,
почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то
периодичностью световых процессов.
Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на
основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В опыте Юнга
свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран
с двумя близко расположенными щелями S1 и S2. Проходя через каждую из
щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом
экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались. В
области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная
картина в виде чередующихся светлых и темных полос.
Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при
сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели
S1 и S2, которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно
рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного
источника S. При симметричном расположении щелей вторичные волны,
испускаемые источниками S1 и S2, находятся в фазе, но эти волны проходят
до точки наблюдения P разные расстояния r1 и r2. Следовательно, фазы
колебаний, создаваемых волнами от источников S1 и S2 в точке P, вообще
говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к
задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами.
Утверждение о том, что волны от источников S1 и S2 распространяются
независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются,
является опытным фактом и носит название принципа суперпозиции.
Приборов, которые способны были бы следить за быстрыми
изменениями поля световой волны в оптическом диапазоне, не существует;
7

8.

наблюдаемой
величиной
пропорционален
является
квадрату
поток
амплитуды
энергии,
который
электрического
поля
прямо
волны.
Физическую величину, равную квадрату амплитуды электрического поля
волны, принято называть интенсивностью: I = A2.
Несложные
тригонометрические
преобразования
приводят
к
следующему выражению для интенсивности результирующего колебания в
точке P:
(1)
где Δ = r2 – r1 – так называемая разность хода.
Из этого выражения следует, что интерференционный максимум
(светлая полоса) достигается в тех точках пространства, в которых Δ = mλ (m
= 0, ±1, ±2, ...). При этом Imax = (a1 + a2)2 > I1 + I2. Интерференционный
минимум (темная полоса) достигается при Δ = mλ + λ / 2. Минимальное
значение интенсивности Imin = (a1 – a2)2 < I1 + I2.
В частности, если I1 = I2 = I0, т. е. интенсивности обеих
интерферирующих волн одинаковы, выражение приобретает вид:
I = 2I0(1 + cos kΔ).
(2)
Формулы (1) и (2) являются универсальными. Они применимы к любой
интерференционной
схеме,
в
которой
происходит
сложение
двух
монохроматических волн одной и той же частоты.
При r = 0, то есть в центре (точка соприкосновения) Δ = λ / 2; поэтому в
центре колец Ньютона всегда наблюдается интерференционный минимум –
темное пятно. Радиусы rm последующих темных колец определяются
выражением:
(3)
8

9.

Эта формула позволяет экспериментально определить длину волны
света λ, если известен радиус кривизны R линзы.
Проблема когерентности волн. Теория Юнга позволила объяснить
интерференционные
явления,
возникающие
при
сложении
двух
монохроматических волн одной и той же частоты. Однако повседневный
опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не
просто. Если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке
складываются
интенсивности
света
и
никакой
интерференции
не
наблюдается. Возникает вопрос, в каких случаях нужно складывать
напряженности (с учетом фазовых соотношений), в каких – интенсивности
волн, т. е. квадраты напряженностей полей? Теория интерференции
монохроматических волн не может дать ответа на этот вопрос.
Реальные световые волны не являются строго монохроматическими. В
силу фундаментальных физических причин излучение всегда имеет
статистический (или случайный) характер. Атомы светового источника
излучают независимо друг от друга в случайные моменты времени, и
излучение каждого атома длится очень короткое время (τ ≤ 10–8 с).
Результирующее излучение источника в каждый момент времени состоит из
вкладов огромного числа атомов. Через время порядка τ вся совокупность
излучающих атомов обновляется. Поэтому суммарное излучение будет иметь
другую амплитуду и, что особенно важно, другую фазу. Фаза волны,
излучаемой
реальным
источником
света,
остается
приблизительно
постоянной только на интервалах времени порядка τ. Отдельные «обрывки»
излучения
длительности
τ
называются
цугами.
Цуги
имеют
пространственную длину, равную cτ, где c – скорость света. Колебания в
разных цугах не согласованы между собой. Таким образом, реальная
световая волна представляет собой последовательность волновых цугов с
беспорядочно меняющейся фазой. Принято говорить, что колебания в разных
цугах некогерентны. Интервал времени τ, в течение которого фаза колебаний
остается приблизительно постоянной, называют временем когерентности.
9

10.

Интерференция может возникнуть только при сложении когерентных
колебаний, т. е. колебаний, относящихся к одному и тому же цугу. Хотя фазы
каждого из этих колебаний также подвержены случайным изменениям во
времени, но эти изменения одинаковы, поэтому разность фаз когерентных
колебаний остается постоянной. В этом случае наблюдается устойчивая
интерференционная
картина
и,
следовательно,
выполняется
принцип
суперпозиции полей. При сложении некогерентных колебаний разность фаз
оказывается случайной функцией времени. Интерференционные полосы
испытывают беспорядочные перемещения из стороны в сторону, и за время
Δt их регистрации, которая в оптических экспериментах значительно больше
времени
когерентности
Регистрирующее
(Δt
устройство
>>
τ),
(глаз,
происходит
полное
фотопластинка,
усреднение.
фотоэлемент)
зафиксирует в точке наблюдения усредненное значение интенсивности,
равное сумме интенсивностей I1 + I2 обоих колебаний. В этом случае
выполняется закон сложения интенсивностей.
Таким
образом,
интерференция
может возникнуть только при
сложении когерентных колебаний. Волны, создающие в точке наблюдения
когерентные колебания, также называются когерентными. Волны от двух
независимых источников некогерентны и не могут дать интерференции. Т.
Юнг интуитивно угадал, что для получения интерференции света нужно
волну от источника разделить на две когерентные волны и затем наблюдать
на экране результат их сложения. Так делается во всех интерференционных
схемах. Однако, даже в этом случае интерференционная картина исчезает,
если разность хода Δ превысит длину когерентности cτ.
10

11.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Начиная с XIX века взгляды ученых-оптиков постепенно склоняются в
пользу волновой теории света. Уже известные кольца Ньютона, цвета тонких
пленок и ряд эффектов, говорящих о неаддитивности освещенности от
нескольких источников,
весьма
смутно
объяснялись
корпускулярной
теорией. В первую очередь благодаря работам Томаса Юнга появляется
теория интерференции как явления перераспределения световой энергии в
пространстве.
При
соблюдении
некоторых
условий
(когерентность
источников) суммарная интенсивность в данной точке может оказаться вдвое
больше суммы интенсивностей от двух одинаковых источников света,
причем в соседней точке она может оказаться нулевой. Ставший
классическим интерференционный опыт Юнга с двумя щелями позволил
впервые оценить длину световой волны.
В данном реферате вкратце описаны такие моменты, относящиеся к
интерференции света, как развитие волновой теории, опыты Ньютона, а
также опыты Юнга.
11

12.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Кирилловский, В. К. Современные оптические исследования и
измерения : Учебники и учеб. пособ. д / высшей школы (ВУЗы) – 2010.
2 Золотарев В. М., Никоноров Н. В., Игнатьев А. И. Современные
методы исследования оптических материалов. Часть 1. Методы исследования
состава и структуры материалов: Учебное пособие. – СПб.: НИУ ИТМО,
2013.
3 Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. - М.:
Просвещение, 1986.
4 Спасский Б.И. Физика в ее развитии. – М.: Просвещение, 1979.
5 Вавилов С.И. Исаак Ньютон. Издательство Академии наук СССР,
1960г.
12