Интерференция света

Свет вокруг нас проявляет себя в самых разных формах. Взгляните на переливы мыльных пузырей, яркие узоры на крыльях бабочек или радужные разводы на луже с бензином — за всеми этими явлениями стоит интерференция света. Это не только красивые эффекты, но и основа для важных технологий, которые мы используем каждый день. Благодаря пониманию интерференции света появились устройства и решения, которые значительно изменили нашу жизнь. Давайте разберемся, как работает этот физический принцип и каким образом он применяется в современном мире.

Что такое интерференция света в физике

Интерференция света — это физическое явление, при котором происходит перераспределение энергии световых волн в пространстве при их наложении друг на друга. В результате в одних точках пространства наблюдается усиление света, а в других — ослабление или полное погашение.

В школьном курсе физики учащиеся знакомятся с этим явлением в 11 классе, когда изучают волновую оптику. Интерференция — одно из важнейших доказательств волновой природы света, наряду с дифракцией, дисперсией и поляризацией.

Ключевой особенностью интерференции является то, что энергия световых волн не исчезает, а лишь перераспределяется в пространстве. Там, где волны усиливают друг друга, возникают яркие участки, так называемые интерференционные максимумы, а где гасят — темные, интерференционные минимумы. Это создает характерную картину чередующихся светлых и темных полос или колец, которую называют интерференционной картиной.

Полезная информация об интерференции света

Интерференция света обладает уникальными особенностями, которые используются в науке и технике. Для лучшего понимания этого явления полезно знать его ключевые характеристики и параметры. В таблице ниже собраны основные сведения об интерференции, которые помогут систематизировать знания.

Характеристика интерференции света	Описание
Когерентность волн	Для наблюдения интерференции необходимы когерентные волны – волны с постоянной разностью фаз во времени. Обычные источники света (лампы, солнце) не когерентны
Условия максимума	Разность хода волн должна равняться целому числу длин волн: Δd = mλ, где m = 0, 1, 2, 3 и т.д.
Условия минимума	Разность хода волн должна равняться нечетному числу половин длин волн: Δd = (2m+1)λ/2, где m = 0, 1, 2, 3 и т.д.
Интерференционная картина	Состоит из чередующихся светлых и темных полос или колец с характерным распределением интенсивности света

Условия наблюдения интерференции

Возникает вопрос: почему мы не наблюдаем интерференцию при простом наложении лучей от двух фонариков? Ответ кроется в понятии когерентности световых волн.

Когерентность волн

Когерентность световых волн — одно из важнейших условий для наблюдения интерференции. Когерентными называют волны, которые имеют:

• одинаковую частоту или длину волны,
• постоянную разность фаз колебаний во времени.

Обычные источники света, такие как лампы накаливания, солнце, свечи, испускают некогерентное излучение. Световые волны от таких источников имеют случайные, постоянно меняющиеся фазы колебаний, поэтому устойчивой интерференционной картины не возникает.

Для получения когерентных волн используют специальные приемы:

• разделение света от одного источника на два пучка (например, в опыте Юнга);
• использование лазеров, которые сами по себе генерируют когерентное излучение.

Опыт Юнга

Британский физик Томас Юнг в 1801 году провел историческое исследование, которое убедительно доказало волновую природу света. В своем опыте он направил луч солнечного света на непрозрачный экран с двумя узкими щелями. Свет, проходящий через эти щели, создавал на удаленном экране четкую картину из чередующихся светлых и темных полос.

Схема опыта Юнга выглядит следующим образом.

1. Монохроматический свет падает на ширму с одной узкой щелью.
2. За этой щелью устанавливается второй экран с двумя параллельными щелями, расположенными близко друг к другу.
3. Свет, прошедший через обе щели, попадает на удаленный экран, где наблюдается интерференционная картина.

Первая щель нужна, чтобы получить один когерентный источник. Две щели во втором экране действуют как два когерентных источника, так как они освещаются одной и той же световой волной.

Условия максимумов

Когда две световые волны накладываются друг на друга, их результирующая амплитуда зависит от разности хода этих волн.

Если разность хода двух световых волн равна целому числу длин волн, то колебания совпадают по фазе и усиливают друг друга, образуя интерференционный максимум:

Δd = mλ, где:

• Δd — разность хода волн,
• λ — длина волны,
• m — порядок интерференционного максимума (0, 1, 2, 3 и так далее).

Условия минимумов

Если разность хода двух световых волн равна нечетному числу половин длин волн, то колебания противоположны по фазе и гасят друг друга, образуя интерференционный минимум:

Δd = (2m+1)λ : 2, где:

• Δd — разность хода волн,
• λ — длина волны,
• m — порядок интерференционного минимума (0, 1, 2, 3 и так далее).

Интерференционная картина от двух щелей

В опыте Юнга на экране появляется система параллельных чередующихся светлых и темных полос. Расстояние между соседними максимумами или минимумами можно рассчитать по формуле:

Δx = λL : d, где:

• Δx — расстояние между соседними максимумами/минимумами,
• λ — длина волны,
• L — расстояние от щелей до экрана,
• d — расстояние между щелями.

Эта формула широко применяется в экспериментальных установках и технических устройствах, использующих явление интерференции.

Интерференция в тонких пленках

Другое важное проявление интерференции — это интерференция в тонких пленках. Именно она ответственна за радужные переливы мыльных пузырей и масляных пятен на воде.

Когда свет падает на тонкую прозрачную пленку, часть его отражается от верхней поверхности пленки, а часть проникает внутрь, отражается от нижней поверхности и выходит наружу. Эти два отраженных луча интерферируют между собой, усиливая или ослабляя друг друга в зависимости от разности хода.

Для пленки толщиной d с показателем преломления n при нормальном падении света условие максимума при отражении:

2dn = (2m+1)λ : 2, где:

• d – толщина пленки,
• n — показатель преломления материала пленки,
• λ — длина волны света в вакууме,
• m — порядок интерференционного максимума (0, 1, 2, 3 и так далее).

Для пленки толщиной d с показателем преломления n при нормальном падении света условие минимума при отражении:

2dn = mλ, где:

• d — толщина пленки,
• n — показатель преломления материала пленки,
• λ — длина волны света в вакууме,
• m — порядок интерференционного минимума (0, 1, 2, 3 и так далее).

Примеры интерференции света в повседневной жизни

Интерференция света встречается не только в лабораториях физиков, но и в повседневной жизни. Мы наблюдаем ее эффекты ежедневно, часто не задумываясь о физической природе этих красивых феноменов. Рассмотрим самые характерные примеры.

• Радужные разводы на мыльных пузырях

Тонкая мыльная пленка создает идеальные условия для интерференции. Свет, отражаясь от внешней и внутренней поверхностей пленки, образует переливающиеся цветные узоры, которые меняются по мере стекания жидкости и изменения толщины пленки.

• Цветные пятна на лужах с бензином

Радужные разводы на поверхности воды возникают благодаря интерференции в тонкой нефтяной пленке. Разная толщина пленки в различных участках приводит к гашению одних цветов и усилению других, создавая характерные маслянистые переливы.

• Переливы крыльев бабочек и перьев птиц

Яркие металлические отливы у некоторых видов насекомых и птиц создаются не пигментами, а микроструктурами, вызывающими интерференцию света. Это пример природной нанотехнологии.

• Антибликовые покрытия на очках

Фиолетовый или зеленоватый отблеск на линзах — результат специального интерференционного покрытия. Оно гасит отраженный свет определенной длины волны, уменьшая блики и повышая прозрачность стекла.

Задачи по теме «Интерференция света»

Теперь, когда мы разобрались с теорией, давайте применим полученные знания на практике.

Задача 1

В опыте Юнга расстояние между двумя щелями 0,1 мм, а расстояние от щелей до экрана равно 2 м. На экране наблюдается интерференционная картина с расстоянием между соседними светлыми полосами 8 мм. Определите длину световой волны. 

Задача 2

Объясните, почему мыльные пузыри переливаются разными цветами, даже если освещаются белым светом. Какое физическое явление лежит в основе этого эффекта?

Задача 3

Тонкая пленка бензина (n = 1,4) на воде освещается белым светом. При какой минимальной толщине пленки отраженный свет будет казаться желтым (λ = 580 нм) из-за интерференционного максимума?

Задача 4

Почему интерференция не наблюдается, если направить друг на друга два независимых лазерных луча, например от двух разных лазерных указок? Какое условие интерференции при этом нарушается?

Ответы к задачам

Ниже приведено подробное решение каждой задачи. Проверьте себя.

Задача 1

Используем формулу для интерференционной картины от двух щелей: 

Δx = λL : d

Тогда длина световой волны: 

λ = Δx × d : L = 8 × 10^-3 × 0,1 × 10^-3 : 2 = 4 × 10^-7 м = 400 нм

Ответ: 400 нм

Задача 2

Цвета мыльного пузыря возникают из-за интерференции света, отраженного от внешней и внутренней поверхностей мыльной пленки. Разная толщина пленки вызывает разность хода волн, что приводит к усилению одних длин волн (цветов) и гашению других.

Задача 3

Условие максимума при отражении от тонкой пленки:

2dn = (2m+1)λ : 2

Тогда толщина пленки:

d = (2m+1)λ : 4n

Для минимальной толщины (m = 0):

d = λ : 4n = 580 : 4 × 1,4 ≈ 104 нм

Ответ: 104 нм

Задача 4

Не соблюдается условие когерентности — у независимых лазеров нет постоянной разности фаз, поэтому устойчивая интерференционная картина не возникает.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Анастасия Заслонова, учитель физики первой квалификационной категории: