Zasady Huygens-Fresnel: interferencja, dyfrakcja, polaryzacja światła

Zasady Huygensa-Fresnela stały się podstawą falowej teorii światła. Na początku XIX wieku Christiaan Huygens, przeprowadzając eksperymenty na falach świetlnych, zasugerował, że istnieją cząsteczki, które są nośnikami "energii świetlnej". Proces ten został mu przedstawiony jako sekwencyjny transfer energii z jednej bryły do ​​następnej przez kolizje. Naukowcy popierający tę teorię argumentowali, że światło porusza eter, medium o specjalnych właściwościach fizycznych, które pozwalają cząstkom nie tracić energii podczas ruchu. Ten eter przenika całą otaczającą przestrzeń, a także przechodzi przez obiekty, pozwalając falom światła rozprzestrzeniać się we wszystkich kierunkach.

Podstawy teorii

Zasady, na których opierały się zasady Huygensa-Fresnela, można sformułować w następujący sposób: propagacja światła polega na tym, że wzbudzanie światła pochodzące ze źródła światła jest przekazywane do sąsiednich punktów w przestrzeni, które generują wtórne fale świetlne i przekazują je do sąsiednich punktów. Pola propagacji fal wtórnych z sąsiednich punktów nakładają się na siebie, wzmacniając lub zanikając. Teorię tę potwierdza dyfrakcja, interferencja, dyspersja i odbicie, które zostaną omówione bardziej szczegółowo poniżej.

Zakłócenia

Kiedy dwie fale świetlne zachodzą na siebie, mogą albo działać jako czynnik wzmacniający, albo osłabiać wzajemne oscylacje. Odkrycie tego zjawiska nastąpiło siedemnaście lat przed sformułowaniem zasady Huygensa, w 1801 roku przez Thomasa Junga, Anglika, lekarza z wykształcenia. Naukowiec zauważył, że gdyby dwie bardzo małe dziurki zostały nakłute obok siebie na tekturze, a ekran został umieszczony na ścieżce wąskiej wiązki fal świetlnych, na przykład szczeliny w zasłonie, wówczas na ekranie za ekranami byłoby kilka jasnych i ciemnych pierścieni zamiast oczekiwanych dwóch jasnych punktów. Aby doświadczenie zakończyło się sukcesem, konieczny jest tylko jeden warunek - fale świetlne muszą być dopasowane w swoich oscylacjach.

Dyfrakcja

Fala świetlna, przechodząc przez aerozole, ciecze lub ciała stałe, może odbiegać od prostej osi ruchu. Zjawisko to nosi nazwę dyfrakcji. Jest używany w urządzeniach optycznych, aby uzyskać wyraźny obraz nawet najmniejszych obiektów lub obiektów na znaczną odległość.

Równolegle z Huygens, w 1818 roku, Fresnel przedstawił raport dyfrakcyjny Paryskiemu Towarzystwu Naukowemu. Jego doświadczenie i obliczenia teoretyczne zostały zatwierdzone, a jeden z członków komisji, fizyk Poisson, wywnioskował na podstawie tej teorii, że jeśli umieścisz nieprzezroczystą okrągłą przeszkodę na drodze promieni ugiętych dyfrakcyjnie, wtedy jasny punkt będzie odbijany na ekranie, a nie cień obiektu. Później założenie to zostało zweryfikowane empirycznie przez fizyka D.F. Arago. Dyfrakcja światła (zasada Huygensa-Fresnela) została potwierdzona przez coś, co wydawało się sprzeczne z hipotezą. Teoria falowa światła zajęła miejsce wśród innych zweryfikowanych postulatów fizyki.

Rozproszenie

Oprócz dyfrakcji i interferencji, zasady Huygens-Fresnel obejmują zjawisko rozproszenia. W rzeczywistości jest to rozkład wiązki światła na poszczególne fale po przejściu przez aerozol, ciecz lub ciało stałe. Zjawisko to zostało już odkryte Isaac Newton podczas eksperymentów z pryzmatem. Podział światła można wytłumaczyć faktem, że biała wiązka składa się z fal świetlnych o różnych długościach. Przechodząc przez przeszkodę, światło odbija się pod różnymi kątami, ponieważ współczynnik odbicia jest bezpośrednio zależny od długości fali. Z tego powodu fale tej samej długości tworzą oddzielne belki, które postrzegamy w innym spektrum kolorów: od czerwonego do fioletowego.

Polaryzacja

Jest dość trudno wytłumaczyć tę fizyczną zasadę. Dla większej jasności możesz użyć doświadczenia przejścia światła między dwoma pryzmatami. Istotą tego jest to, że jeśli stałe przezroczyste ciała są jednakowo zorientowane, światło przechodzi przez nie bez utraty jasności, ale jeśli umieścisz je prostopadle do siebie, to wiązka nie przejdzie. Wynika to z kierunkowego układu fal świetlnych. Jeśli pokrywa się ona z płaszczyzną, na której znajduje się kryształ, wówczas nie ma tłumienia, a jeśli nie, wówczas wiązka światła staje się mniej jasna lub nie przechodzi w ogóle przez obiekt, biorąc pod uwagę fakt, że niektóre z fal są wygaszone.

Odbicie

Jeżeli ciało stałe lub płynne pojawia się na ścieżce fali świetlnej, jest ono przez nią całkowicie lub częściowo odbijane. Dzięki temu możemy zobaczyć obiekty wokół nas. Kiedy fala świetlna osiąga granicę mediów (na przykład gaz / ciecz lub gaz / ciało stałe), jest w całości lub częściowo odbijana z powrotem. Kąt, który tworzy się pomiędzy promieniem światła i prostopadłym, który jest owłosiony na powierzchni (granica faz), nazywany jest kątem padania, a kąt pomiędzy promieniem prostopadłym a odbitym jest kątem odbicia.

Prawa odbicia:

1. Incydent i odbite promienie i prostopadłość istnieją w tej samej płaszczyźnie.
2. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.
3. Przebieg promieni świetlnych jest odwracalny.

Rozproszone i odbicie lustrzane

W zależności od rodzaju powierzchni, z której odbijana jest wiązka, możliwe jest odróżnienie odbitego i rozproszonego odbicia. Lustro jest odbiciem obserwowanym od bardzo gładkiej powierzchni, gdy nieregularności nie przekraczają długości fali. Następnie odbita wiązka będzie równoległa do incydentu. Znajduje się w lusterkach, szkle, polerowanym metalu. Jeśli nierówności powierzchni są większe niż długość fali światła, to promienie odbite są kierowane pod różnymi kątami w stosunku do kąta padania. Z tego powodu możemy zobaczyć obiekty, które same nie są źródłami światła. Po raz pierwszy dojście do tego wniosku pomogło zasadzie Huygensa. Prawo odbicia światła otrzymało matematyczne i praktyczne uzasadnienie oparte na już znanych koncepcjach interferencji i dyfrakcji.

Praktyczne zastosowanie

Zasady Huygensa-Fresnela stanowiły podstawę do projektowania urządzeń optycznych, a także stały się podstawą teorii światła falowego. Anglik D. Tabor, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, wykorzystując to prawo, wynalazł holografię. Chociaż jego praktyczne zastosowanie stało się możliwe dopiero po wprowadzeniu do masowego wykorzystania wąsko skoncentrowanych intensywnych źródeł światła - laserów. W rzeczywistości hologram jest obrazem zakłóceń, uchwyconych na płycie fotograficznej, utworzonych przez fale świetlne, które wzmacniają się i osłabiają, odbijając od obiektu pod różnymi kątami.

Technika przechwytywania trójwymiarowego obrazu jest wykorzystywana w dziedzinie przechowywania informacji, ponieważ większa ilość danych umieszczana jest na małej powierzchni hologramu niż na mikrofotografiach. Jako ilustratywny przykład, można przytoczyć lokalizację encyklopedycznego słownika złożonego z tysiąca trzystu stron na płycie fotograficznej 3x3 cm.

Opracowywane są takie urządzenia, jak holograficzny mikroskop elektronowy, który umożliwia tworzenie trójwymiarowych obrazów najmniejszych jednostek strukturalnych żywej materii, a także holograficznego kina i telewizji, których pierwszą wersją są pokazy filmów 3D.