Схема Юнга

Інтерференційний досвід, зображений на рис. 4.76, разом з відповідною методом розрахунку інтерференційної картини називається схемою Юнга. Ця схема лежить в основі зна-менітного досвіду Юнга (мова про який піде в розділі «Дифракція світла»). Багато експерименти по інтерференції світла так чи інакше зводяться до схеми Юнга.

 

В оптиці інтерференційну картину зазвичай спостерігають на екрані. Давайте ще раз подивимося на рис. 4.76 і уявімо собі екран, поставлений перпендикулярно пунктирною осі. На цьому екрані ми побачимо чергування світлих і темних інтерференційних смуг.

На рис. 4.77 синусоїда показує розподіл освітленості уздовж екрана. У точці O на осі симетрії, знаходиться центральний максимум. Перший максимум у верхній частині екрана, сусідній з центральним, знаходиться в точці A. Вище йдуть другий, третій (і так далі) максимуми.
Некогерентність незалежних джерел

Давайте включимо електричну лампочку, а потім – таку ж другу поруч з нею. Як ви добре знаєте з життєвого досвіду, освітленість навколишнього простору рівномірно зросте, і ніякої інтерференційної картини навколо лампочок не виникне. Чому ж?

Тут ми стикаємося з дуже загальним для оптики фактом: два незалежні джерела світла (навіть з однаковою довжиною хвилі) виявляються некогерентними. І причина цього укладена у внутрішньому устрої світлових хвиль.

Звідки взагалі береться світло? Видиме світло випромінюється атомами різних тіл. Механізм випромінювання світла відноситься квантовій фізиці, але для розуміння оптичних інтерференційних явищ знати хоча б у загальних рисах, як атоми випромінюють світло, треба обов’язково. Тому обговоримо коротко це питання.

Звичайним станом атома, в якому він може перебувати необмежено довго, є основне, або збудженому стан. Коли атом знаходиться в основному стані, електрони, що оточують ядро ​​атома, максимально заповнюють найближчі до ядра орбіти. Потенційна енергія взаємодії електронів з ядром приймає своє мінімальне значення, і кажуть, відповідно, що в основному стані атом володіє найменшою енергією. Але атом має здатність поглинати енергію. Під дією зовнішніх факторів – наприклад, в результаті зіткнень з іншими атомами або поглинання світла – атом може перейти в збуджений стан. Це означає, що який-небудь електрон залишає «насиджене місце» на своїй основній орбіті і переходить на орбіту, розташовану далі від ядра. Потенційна енергія взаємодії електрона з ядром при цьому зростає; відповідно, у збудженому стані енергія атома більше, ніж в основному. Величина AW, на яку енергія збудженого стану перевищує енергію основного стану, в точності дорівнює енергії, поглиненої атомом.

Досвід показує, однак, що в збудженому стані атом довго не пробуде і в підсумку повернеться в основний стан. У процесі цього переходу енергія атома зменшиться і знову прийме своє мінімально можливе значення. Куди ж при цьому дінеться енергія AW? Тривалість цуга т порядку 10-8 с; відповідно, довжина цуга ст ~ 3 м. Частота цуга може перебувати у видимому діапазоні, і тоді цуг буде реєструватися людським оком.

Виходить, що світло – це потік цугов, ізлучённих атомами. Чому, наприклад, горить електрична лампочка? Коли через лампочку йде струм, атоми спіралі здійснюють інтенсивне теплове рух і стикаються один з одним, то і справа переходячи в збуджений стан; потім, повертаючись в основний стан, вони випускають цуги у видимому діапазоні. Завдяки цьому невпинному процесу ми і спостерігаємо світло, що постійно йде від лампочки.

Природно запитати: якщо атом знаходиться у збудженому стані, то коли саме треба чекати його повернення в основний стан? Виявляється, точний момент цього переходу передбачити неможливо. Перехід порушеної атома в основний стан відбувається в випадковий, непередбачуваний момент времени. Це означає, що моменти випущення цугов різними атомами ніяк не узгоджені між собою! У результаті цуги, що утворюють світло, навіть якщо і володіють однією частотою, мають зовсім довільні початкові фази.

Ось тепер ми можемо пояснити, чому не утворюється стійка інтерференційна картина від двох незалежних джерел, що випромінюють світло з однаковою довжиною хвилі.

Нехай на екрані зустрічаються два цуга: один ізлучён атомом першого джерела, а інший ізлучён атомом другого джерела. Частоти цугов однакові, тому вони проінтерферіруют один з одним і дадуть на екрані деяку інтерференційну картину. Положення інтерференційних максимумів і мінімумів визначатиметься різницею фаз між цугамі.

Ця інтерференційна картина, однак, проживе недовго – близько 10-8 с, поки тривають цуги. Потім її змінять друга, третя (і так далі) інтерференційні картини, утворені парами інших цугов. Максимуми і мінімуми інтерференції займатимуть все нові і нові положення, оскільки кожна пара цугов приходить з непередбачуваною різницею фаз.

Таким чином, за секунду змінять один одного порядку ста мільйонів інтерференційних картин, причому положення інтерференційних смуг безладно змінюються від картини до картини. Око не здатне встежити за таким частим мельтешением смуг, і тому ми бачимо лише рівномірно освітлений екран.

Посилання на основну публікацію