Інтерференція світла
~20 хв · 8 розділів · 11 тестових запитань
Пояснювати умови стійкої інтерференції світла й визначати за різницею ходу хвиль, чи в точці спостерігається максимум (Δd = kλ) чи мінімум (Δd = (2k + 1)λ/2), та пояснювати кольори тонких плівок і просвітлення оптики.
Інтерференція світла — це явище накладання двох або більше когерентних світлових хвиль, унаслідок якого в одних точках простору інтенсивність результівної хвилі збільшується (інтерференційний максимум), а в інших — зменшується (інтерференційний мінімум). Важливо: енергія світла при цьому не зникає і не виникає з нічого — вона лише перерозподіляється в просторі. Там, де хвилі гасять одна одну, енергія «перетікає» в сусідні області, де хвилі підсилюються.
Ключова умова для спостереження стійкої інтерференційної картини — когерентність хвиль. Дві хвилі називають когерентними, якщо вони мають однакову частоту (а отже, й однакову довжину хвилі у вакуумі) і сталу в часі різницю фаз. Саме тому дві звичайні лампи розжарювання або два світлодіоди ніколи не дадуть стійкої інтерференційної картини: атоми в них випромінюють світло хаотично, фаза коливань змінюється випадково мільярди разів за секунду, тому різниця фаз у будь-якій точці безперервно й непередбачувано змінюється.
Як же отримати когерентні пучки на практиці? Найпоширеніший спосіб — поділити одну світлову хвилю на дві. Це роблять за допомогою:
двох щілин (дослід Томаса Юнга, 1801 рік) — світло від одного джерела проходить крізь дві вузькі щілини, і хвилі, що виходять із них, когерентні, бо походять від одного фронту;
відбивання від двох поверхонь тонкої плівки — верхня й нижня межі плівки дають два когерентні відбиті пучки;
повітряного клина — дві скляні поверхні, що утворюють малий кут, створюють прошарок повітря змінної товщини.
Для опису інтерференції вводять поняття різниці ходу — це різниця відстаней, які пройшли дві хвилі від своїх джерел до точки спостереження. Якщо одна хвиля пройшла шлях , а друга — , то . Різниця фаз пов'язана з різницею ходу простою формулою:
де — довжина хвилі у вакуумі. Якщо хвилі поширюються в середовищі з показником заломлення , то замість геометричної різниці ходу використовують оптичну різницю ходу .
Коли світло біле (немонохроматичне), максимуми для різних довжин хвиль (різних кольорів) розташовуються в різних місцях простору. Тому інтерференційна картина в білому світлі має райдужне забарвлення. Якщо ж світло монохроматичне (наприклад, червоний лазер), то спостерігається просте чергування світлих і темних смуг.
Щоб визначити, чи буде в даній точці простору спостерігатися підсилення чи послаблення світла, потрібно порівняти різницю ходу із довжиною хвилі .
Умова інтерференційного максимуму
Максимум спостерігається тоді, коли різниця ходу дорівнює цілому числу довжин хвиль:
У цьому випадку хвилі приходять у точку в однаковій фазі (їхні гребені збігаються) і підсилюють одна одну. Число називають порядком максимуму. Наприклад, — центральний (нульовий) максимум, — максимум першого порядку, — другого і так далі.
Умова інтерференційного мінімуму
Мінімум спостерігається тоді, коли різниця ходу дорівнює непарному числу півхвиль:
Тут хвилі приходять у точку в протилежних фазах (гребінь однієї збігається із западиною другої) і послаблюють одна одну. Зверни увагу: при маємо , при — , при — і т. д.
Покроковий алгоритм розв'язування
Переконайся, що і виражені в однакових одиницях (обидві в нанометрах або обидві в мікрометрах).
Обчисли відношення .
Якщо відношення — ціле число (1, 2, 3, …), то в точці максимум порядку .
Якщо відношення — півціле число (0,5; 1,5; 2,5; …), то в точці мінімум, а порядок знаходять із формули .
Приклади
Приклад 1. Різниця ходу мкм, довжина хвилі нм. Переведемо в мікрометри: мкм. Тоді . Це півціле число (), отже, у цій точці спостерігається мінімум. Порядок мінімуму: .
Приклад 2. мкм, нм = мкм. — ціле число. Отже, у точці спостерігається максимум третього порядку ().
Приклад 3 (обернена задача). Різниця ходу мкм, у точці спостерігається мінімум, для якого у формулі . Знайдемо довжину хвилі: мкм = нм.
У середовищі з показником заломлення замість геометричної різниці ходу потрібно підставляти оптичну різницю ходу . Наприклад, для світла, що проходить крізь плівку завтовшки із показником , оптична різниця ходу дорівнює (якщо промінь падає майже перпендикулярно).
Інтерференція світла — не лише лабораторне явище. Ми щодня спостерігаємо її в природі, а інженери використовують її в техніці.
Кольори тонких плівок
Мильна бульбашка або пляма бензину на воді мають райдужне забарвлення саме завдяки інтерференції. Світло відбивається від двох поверхонь тонкої плівки: від верхньої межі (повітря–плівка) і від нижньої межі (плівка–повітря або плівка–вода). Обидва відбиті пучки походять від одного джерела (Сонця чи лампи), тому вони когерентні й інтерферують.
Результат інтерференції залежить від товщини плівки в кожній точці та від довжини хвилі світла. У тих місцях, де товщина плівки забезпечує різницю ходу, кратну цілій довжині хвилі для червоного світла, ми бачимо червоний колір; де умова максимуму виконується для синього — синій, і так далі. Оскільки товщина плівки нерівномірна, різні ділянки мають різні кольори.
Кільця Ньютона
Якщо покласти плоскоопуклу лінзу на плоску скляну пластинку, між ними утворюється тонкий повітряний прошарок змінної товщини — повітряний клин. При освітленні цієї системи монохроматичним світлом у відбитому світлі спостерігаються концентричні світлі й темні кільця — кільця Ньютона. Світлі кільця відповідають умові максимуму, темні — умові мінімуму для різниці ходу, яка визначається товщиною повітряного прошарку. У білому світлі кільця стають кольоровими, оскільки максимуми для різних довжин хвиль розташовані на різних відстанях від центра.
Просвітлення оптики
У сучасних фотоапаратах, мікроскопах, телескопах і навіть окулярах використовують просвітлення оптики. На поверхню лінзи наносять тонку прозору плівку (наприклад, з фториду магнію, ) товщиною, що дорівнює чверті довжини хвилі в плівці: . Світло, відбите від верхньої поверхні плівки, і світло, відбите від нижньої поверхні (межа плівка–скло), інтерферують. Їхня оптична різниця ходу , тому ці дві хвилі опиняються в протифазі й гасять одна одну. Зсув фази на відбувається на обох межах (повітря–плівка і плівка–скло), бо обидва рази світло відбивається від оптично густішого середовища, тож ці зсуви взаємно компенсуються. У результаті відбиття світла від поверхні лінзи різко зменшується (приблизно до замість ), а пропускання світла крізь лінзу зростає.
Інтерферометри
Інтерферометри — це прилади, що використовують інтерференцію світла для надзвичайно точних вимірювань. З їхньою допомогою вимірюють довжини з точністю до часток довжини хвилі світла (нанометри), визначають показники заломлення газів і рідин, контролюють якість полірування оптичних поверхонь. Принцип дії простий: зміна різниці ходу на одну довжину хвилі зсуває інтерференційну картину на одну смугу, і за кількістю смуг, що «пройшли» повз мітку, судять про величину вимірюваної величини.
Розгляньмо типові завдання на інтерференцію світла в тому форматі, у якому вони трапляються на НМТ.
Приклад 1. Вибір однієї відповіді
У точці простору зустрічаються дві когерентні світлові хвилі з довжиною хвилі нм. Різниця ходу цих хвиль становить нм. Чи спостерігатиметься в цій точці інтерференційний максимум?
Розв'язання. Обчислимо відношення . Це ціле число, отже, у точці спостерігається максимум. Порядок максимуму (максимум другого порядку). Правильна відповідь: так, максимум другого порядку.
Чому інші варіанти неправильні:
«ні, мінімум» — відношення ціле, а не півціле, тому мінімуму немає;
«ні, мінімум другого порядку» — помилка в застосуванні умови;
«ні, точка нейтральна» — хибно, бо тут (ціле число), тобто в точці максимум. Проміжна інтенсивність буває в точках між максимумами й мінімумами, але не в цій.
Приклад 2. Коротка відповідь (число)
Різниця ходу двох когерентних світлових хвиль дорівнює мкм, а довжина хвилі — нм. Визнач порядок інтерференційного максимуму, що спостерігається в точці зустрічі цих хвиль.
Розв'язання. Переведемо довжину хвилі в мікрометри: нм = мкм. Обчислимо . Це ціле число, тому в точці максимум третього порядку. Відповідь: .
Приклад 3. Коротка відповідь (число)
За різниці ходу мкм спостерігається інтерференційний мінімум, для якого у формулі . Визнач довжину хвилі світла в нанометрах.
Розв'язання. Виразимо з формули мінімуму:
мкм = нм.
Відповідь: нм.
Приклад 4. Вибір однієї відповіді
Чому дві незалежні електричні лампи не дають стійкої інтерференційної картини?
Розв'язання. Світлові хвилі від двох незалежних ламп є некогерентними: частоти їхніх коливань приблизно однакові, але різниця фаз хаотично змінюється з часом через випадковий характер випромінювання атомів. Тому стійкої картини чергування максимумів і мінімумів не виникає — око встигає зареєструвати лише усереднену інтенсивність, яка дорівнює сумі інтенсивностей окремих ламп.
Чому інші варіанти неправильні:
«лампи випромінюють різні кольори» — навіть дві лампи одного кольору (однакової частоти) не дадуть інтерференції через хаотичну фазу;
«світло не є хвилею» — світло має хвильову природу, це доведено експериментально;
«хвилі не накладаються» — хвилі завжди накладаються (принцип суперпозиції), але без когерентності картина нестійка.
Вважати, що будь-які два джерела світла дають стійку інтерференційну картину. Насправді потрібна когерентність: однакова частота й стала різниця фаз. Дві лампи чи два ліхтарики ніколи не дадуть інтерференції.
Плутати умови максимуму й мінімуму. Максимум: (ціле число довжин хвиль). Мінімум: (непарне число півхвиль). Запам'ятай: ціле → максимум, півціле → мінімум.
Не переводити нанометри в мікрометри (або навпаки) під час порівняння і . Наприклад, мкм і нм — це мкм і мкм. Якщо поділити на , отримаєш , що не має фізичного сенсу.
Вважати, що в мінімумі енергія світла зникає. Енергія не зникає — вона перерозподіляється в просторі. У точках мінімуму інтенсивність менша, а в сусідніх точках максимуму — більша, ніж була б без інтерференції. Повна енергія зберігається.
Плутати нумерацію мінімумів. Для маємо , для — , для — . Не плутай із номером півхвилі: — це порядок, а кількість півхвиль дорівнює .
Тема «Інтерференція світла» входить до теми «Оптика» програми НМТ з фізики. Довідкові матеріали, які надають на тестуванні, містять формули умов інтерференційних максимуму й мінімуму:
(максимум), (мінімум).
У демонстраційному варіанті НМТ 2026 року тему «Оптика» представлено завданнями № 12 (заломлення) і № 21 (тонка лінза); окремого завдання на інтерференцію там немає. Завдання можуть бути двох форматів:
Вибір однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г) — 1 бал. У таких завданнях перевіряють розуміння умов когерентності або вміння визначити, чи буде максимум чи мінімум.
Коротка відповідь (число) — завдання № 17–22, оцінюється в 0 або 2 бали. Потрібно обчислити порядок максимуму, довжину хвилі або різницю ходу. Відповідь записують числом в одиницях, указаних в умові.
Стратегія розв'язування:
Уважно прочитай умову: які величини дано (, , ) і що потрібно знайти.
Переконайся, що всі довжини виражено в однакових одиницях. За потреби переведи нанометри в мікрометри ( мкм = нм).
Обчисли відношення .
Порівняй результат із цілим і півцілим числом. Ціле → максимум, півціле → мінімум.
Якщо в задачі згадано середовище з показником , використовуй оптичну різницю ходу .
Чому плівка бензину на воді кольорова?
Світло відбивається від верхньої й нижньої поверхонь тонкої плівки бензину. Ці два відбиті пучки когерентні (походять від одного джерела) й інтерферують. Товщина плівки в різних місцях різна, тому для одних довжин хвиль (кольорів) виконується умова максимуму, а для інших — мінімуму. Око бачить суму кольорів, для яких виникло підсилення, — звідси райдужне забарвлення.
Що таке когерентність простими словами?
Когерентність — це «узгодженість» двох хвиль. Уявіть, що двоє людей розгойдують мотузку з однаковою частотою. Якщо вони рухають руки в такт (одночасно вгору й униз), хвилі когерентні — у деяких точках мотузка підніматиметься вдвічі вище (максимум), а в інших залишатиметься нерухомою (мінімум). Якщо ж кожен розгойдує мотузку у своєму ритмі, узгодженої картини не буде. Так само й зі світлом: когерентні хвилі мають однакову частоту й «пам'ятають» свою різницю фаз.
Куди зникає енергія світла в мінімумі?
Енергія не зникає — вона перерозподіляється. У точках мінімуму інтенсивність менша, ніж була б від кожної хвилі окремо, а в точках максимуму — більша. Сумарна енергія в усіх точках простору залишається такою самою, як сума енергій окремих хвиль. Це випливає із закону збереження енергії. Інтерференція лише «переставляє» світлову енергію з одних місць в інші.
Як просвітлення оптики збільшує кількість світла, що проходить крізь лінзу?
На поверхню лінзи наносять тонку прозору плівку, товщина якої дорівнює чверті довжини хвилі в плівці: . Світло, відбите від верхньої поверхні плівки, і світло, відбите від нижньої поверхні (межі плівка–скло), інтерферують. Оптична різниця ходу цих хвиль , тому вони опиняються в протифазі й гасять одна одну. Зсуви фази на відбуваються на обох межах і взаємно компенсуються, тож гасіння визначає саме різниця ходу. У результаті відбиття від лінзи різко зменшується, а отже, більше світла проходить крізь лінзу — пропускання зростає.
Інтерференція — це накладання когерентних хвиль, що дає стійкий розподіл максимумів і мінімумів інтенсивності.
Когерентні хвилі мають однакову частоту й сталу в часі різницю фаз.
Максимум: ().
Мінімум: ().
Кольори мильних плівок, кільця Ньютона й просвітлення оптики — практичні застосування інтерференції.
Енергія світла при інтерференції перерозподіляється, а не зникає.