Введение

Предлагаемое вашему вниманию учебное пособие посвящено изложению основополагающих принципов волновой оптики. Оно является прямым продолжением опубликованных ранее пособий, посвященных явлениям преломления света, поляризации световых волн и интерференции [1,2]. В настоящем пособии будут рассмотрены явления дифракции и дисперсии света.

Как и раньше, мы будем придерживаться последовательного волнового подхода к объяснению оптических явлений. Такой подход реализован в хорошо известных учебнике Н. И. Калитеевского [3] и монографии М. Борна и Э. Вольфа [4]. В курсе физике для будущих инженеров, при весьма ограниченном объеме времени, невозможно рассмотреть все аспекты столь обширного раздела физики, как оптика. В нашем пособии мы поставили задачу изложить основные принципы волновой оптики, и сделать изложение понятным для студентов младших курсов. Подробное и практически всестороннее изложение курса оптики можно найти в хорошо зарекомендовавших себя учебниках [5-9]. За развитием учения о свете можно проследить в книге [10].

Предлагаемое пособие также можно рассматривать, как дополнение к серии учебных пособий по физике, изданных в ТРТУ и ТИ ЮФУ в двухтысячных годах. Его можно считать логическим продолжением пособия А. С. Уколова [11] и существенным дополнением к пособию Н. Н. Заич- кина [12].

Пособие содержит кроме теоретического материала контрольные вопросы, примеры решения задач и задания для самостоятельной работы. Мы надеемся, что оно поможет качественно подготовиться к сдаче зачетов и экзаменов.

Дифракция света

Наблюдение дифракции

Перечень явлений, которые можно объяснить волновой природой света, не исчерпывается описанными выше интерференционными явлениями. Некоторые из наблюдаемых экспериментальных результатов не могут быть объяснены только на основании теории интерференции света. Рассмотрим одно из таких явлений. Если освещать монохроматическим светом от сильного точечного источника небольшое отверстие, сделанное в непрозрачной преграде, то на экране, находящемся за этой преградой, можно увидеть светлое изображение отверстия, окруженное чередующимися концентрическими темными и светлыми кольцами. Отверстие, про- колонное в преграде иглой, можно заменить диафрагмой, диаметр которой можно увеличивать или уменьшать. Изменяя, таким образом, диаметр отверстия, можно заметить, что не только меняются радиусы наблюдаемых светлых и темных колец, но и их освещенность, светлые кольца становятся темными и наоборот. Можно также добиться того, что в центре наблюдаемой картины светлое пятно сменится темным. Добиться такого результата в опыте Юнга по интерференции когерентных волн, исходящих из двух отверстий невозможно. В опыте Юнга в центре интерференционной картины всегда наблюдается светлое пятно или светлая полоса.

Рис. 1. Дифракция на круглом отверстии. Пример дифракционной картины

Описанный опыт не является единственным проявлением явления дифракции света. Так, если освещать монохроматическим светом хорошо заточенный край металлического лезвия, то на границе области световой тени на экране можно заметить чередующиеся светлые и темные полосы. В случае, когда на такую преграду падает белый свет, на границе тени наблюдается радужная окраска. Иногда говорят, что дифракция света есть проникновение световых волн в область геометрической тени. Безусловно, такое проникновение в описанных опытах происходит, но наблюдаемая картина сложнее - в некоторых частях экрана наблюдается усиление освещенности, в других - ослабление. Эти изменения освещенности наблюдаются не только в области геометрической тени, но и прямо напротив диафрагмы. При определенном диаметре диафрагмы в центре картины может быть темное, а не светлое пятно.

Определим явление дифракции следующим образом. Дифракция - это совокупность явлений, происходящих при распространении волн в среде с резкими неоднородностями и приводящих к перераспределению интенсивности излучения.

Первые попытки объяснить дифракцию и другие волновые свойства света были предприняты X. Гюйгенсом. В 1690 г. голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629-1703) издал во Франции «Трактат о свете», первое научное сочинение по волновой оптике. В этом труде впервые был сформулирован принцип распространения волны, известный ныне под названием принципа Гюйгенса. На основании этого принципа Гюйгенс объяснял законы отражения и преломления света и разработал теорию двойного лучепреломлении в кристаллах. Однако теория Гюйгенса основывалась на представлении в свете как о продольных механических волнах, распространяющихся в некоторой прозрачной среде, названной Гюйгенсом светоносным эфиром. Представление о свете, как о продольной волне не могло объяснить явления поляризации света, также открытого и исследованного Гюйгенсом. У волновой теории Гюйгенса также возникали трудности при описании образования геометрической тени, отбрасываемой предметами. Против представления об эфире выступал Ньютон, считая, что среда, в которой распространяются световые волны, заполняющая все пространство, должна мешать движению планет, которое Ньютон хорошо описывал без учета сил сопротивления среды.

На время волновая теория света Гюйгенса была забыта, однако в начале XIX в. французский физик Огюстен Жан Френель (1788-1827) вернулся к идеям Гюйгенса и существенно развил их. В 1815-1819 гг. он опубликовал несколько научных работ, в которых на основании дополненного им принципа Гюйгенса смог объяснить результаты опытов по дифракции света, т. е. по перераспределению интенсивности света, возникающей в результате распространения света в среде с резкими неоднородностями. К этим явлениям можно отнести возникновение цветных каемок у теней, возникающих при освещении предметов (тонкой проволоки, кромки заточенного лезвия) точечными источниками света.

Контрольные вопросы

• 1. Приведите примеры экспериментального наблюдения дифракции света. В чем отличие результатов этих опытов от экспериментов, демонстрирующих явление интерференции?
• 2. Иногда говорят, что дифракция сводится к огибанию волнами препятствий. Почему это утверждение неверно? Приведите примеры.
• 3. Что такое дифракция?