Явления, описывающие волновые свойства света

Такие явления, как интерференция, дифракция и дисперсия света, определяют волновые свойства света.

Интерференцией света называется явление наложения когерентных световых волн, в результате которого в одних местах пространства возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности света; при этом происходит перераспределение световой энергии в пространстве. Основным условием наблюдения интерференции волн является их когерентность. Когерентными называются световые волны, разность фаз которых остается постоянной по времени. Общий принцип возникновения интерференции может быть сформулирован так: необходимо добиться, чтобы волны от каждого атома накладывались сами на себя. Ведь каждая волна, испущенная отдельным атомом, сама с собой когерентна, т. к. представляет собой кусок синусоидальной волны. Если такие волны будут накладываться сами на себя, то будет наблюдаться интерференция. Таким образом, общее и первое правило наблюдения интерференции света таково: необходимо световой пучок, идущий от одного источника, каким-то образом разделить на два или на большее число пучков (эти пучки будут когерентны между собой), а затем заставить их наложиться друг на друга. Максимумы интенсивности волны будут наблюдаться в точках, где выполняется условие: \(Δ=2k(\frac λ2)\), где к – целое число, \(\lambda\) – длина волны, минимумы – в точках, где выполняется условие: \(Δ=(2k+1)(\frac λ2)\), где к – целое число, \(\lambda\) – длина волны.

Явление интерференции света находит широкое применение в современной технике. Одним из таких применений является создание «просветленной» оптики. Для уменьшения световых потерь в оптических приборах все стеклянные детали, через которые проходит свет, покрывают пленкой, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. Толщина пленки равна четверти длины волны. Также интерференция широко используется при спектральном анализе для точного измерения расстояний и углов, в рефрактометрии, в задачах контроля качества поверхностей, для создания светофильтров, зеркал, просветляющих покрытий и т. д.; на явлениях интерференции света основана голография.

Дифра́кция во́лн (латин. diffractus – буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) – явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.

Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн (интерференция вторичных волн). Общим свойством всех эффектов дифракции является зависимость степени ее проявления от соотношения между длиной волны λ и размером ширины волнового фронта d, либо непрозрачного экрана на пути его распространения, либо неоднородностей структуры самой волны.

Поскольку в большинстве случаев, имеющих практическое значение, это ограничение ширины волнового фронта имеет место всегда, постольку явление дифракции всегда сопровождает любой процесс распространения волн.

Так, именно явлением дифракции задается предел разрешающей способности любого оптического прибора, создающего изображение, который невозможно преступить принципиально при заданной ширине спектра, используемого для построения изображения излучения.

В ряде случаев, в особенности при изготовлении сложных оптических систем, разрешающая способность ограничивается не дифракцией, а аберрациями, как правило, возрастающими при увеличении диаметра объектива. Отсюда происходит известное фотографам явление увеличения до определенных пределов качества изображения при диафрагмировании объектива.

Диспе́рсия све́та (разложение света) – это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, что же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.

Один из самых наглядных примеров дисперсии – разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является различие скоростей распространения лучей света с различной длиной волны в прозрачном веществе – оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Обычно, чем больше частота световой волны, тем больше показатель преломления среды для нее и тем меньше скорость волны в среде:

• у света красного цвета скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления – минимальна;
• у света фиолетового цвета скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления – максимальна.