Принципи Хуигенс-Фреснел-а: интерференција, дифракција, поларизација светлости

Принципи Хуигенс-Фреснела постали су основа таласне честице теорије светлости. Почетком КСИКС века Цхристиаан Хуигенс, експериментишући са светлосним таласима, сугерисао је да постоје честице које су носиоци "светлосне енергије". Овај процес му је представљен као секвенцијални пренос енергије из једног корпуса у следећи кроз сударе. Научници који су подржали ову теорију тврдили су да светлост покреће етар, медиј са посебним физичким својствима који омогућавају да честице не губе енергију приликом кретања. Овај етар прожима читав околни простор и пролази кроз објекте, омогућавајући ширењу светлосних таласа у свим правцима.

Фундаменталс оф Тхеори

Оно на чему су засновани принципи Хуигенс-Фреснел-а могу се формулисати на следећи начин: ширење светлости лежи у чињеници да се ексцитација светлости која долази из извора светлости преноси на суседне тачке у простору, које генеришу секундарне светлосне таласе и преносе их на суседне тачке. Поља ширења секундарних таласа из суседних тачака се надовезују једни на друге, појачавају или бледе. Ова теорија је потврђена дифракцијом, интерференцијом, дисперзијом и рефлексијом, о чему ће бити више речи у наставку.

Интерференце

Када се два светлосна таласа преклапају, они могу или да делују као фактор појачања или да ослабе једни друге осцилације. Откриће овог феномена догодило се седамнаест година пре формулисања принципа Хуигенса, 1801. године, од стране Томаса Јунга, Енглеза, доктора на обуци. Научник је приметио да ако су две врло мале рупице пробијене једна поред друге на картону и да је екран постављен на путању уског снопа светлосних таласа, на пример, прореза у завеси, онда ће на зиду иза екрана бити неколико светлих и тамних прстенова уместо очекиваних два светла места. Да би искуство било успјешно, потребан је само један увјет - свјетлосни валови се морају ускладити у својим осцилацијама.

Дифракција

Светлосни талас, који пролази кроз аеросоле, течности или чврсте материје, може одступати од равне осе кретања. Овај феномен се назива дифракција. Користи се у оптичким уређајима како би се добила јасна слика чак и најмањих објеката или објеката на значајној удаљености.

Паралелно са Хуигенсом, 1818. године, Фреснел је представио извештај о дифракцији Паришком научном друштву. Његово искуство и теоретски прорачуни су одобрени, а један од чланова комисије, физичар Поиссон, закључио је на основу те теорије да ако поставите непрозирну округлу препреку на путу дифракционо одбијених зрака, тада ће се на екрану одразити свијетла точка, а не сјена објекта. Касније је ова претпоставка емпиријски потврђена од стране физичара Д.Ф. Араго. Дифракција светлости (Хуигенс-Фреснелов принцип) је потврђено кроз оно што се чинило супротним хипотези. Вална теорија светлости заузела је своје место међу другим потврђеним постулатима физике.

Дисперзија

Поред дифракције и интерференције, принципи Хуигенс-Фреснел-а укључују и феномен дисперзије. У ствари, то је распадање светлосног снопа у појединачне таласе након проласка кроз аеросол, течност или чврсту супстанцу. Овај феномен је још откривен Исаац Невтон током експеримената са призмом. Раздвајање светлости може се објаснити чињеницом да се бели сноп састоји од светлосних таласа различите дужине. Пролазећи кроз препреку, светлост се рефлектује под различитим угловима, јер је коефицијент рефлексије директно зависан од таласне дужине. Због тога, таласи исте дужине формирају одвојене греде, које опажамо у различитом спектру боја: од црвене до љубичасте.

Поларизација

Тешко је објаснити овај физички принцип. За више јасноће, можете користити искуство проласка светлости између две призме. Суштина је да ако су чврста транспарентна тела подједнако оријентисана, светлост пролази кроз њих без губитка светлости, али ако их ставите окомито један на другог, онда сноп неће проћи. То је због правца кретања светлосних таласа. Ако се поклопи са равнином на којој се налази кристал, онда нема пригушења, а ако не, онда светлосни сноп постаје мање светао или уопште не пролази кроз објекат, с обзиром на чињеницу да су неки од таласа угасени.

Рефлецтион

Ако се на путању светлосног таласа појави чврсто или течно тело, онда се он у потпуности или делимично рефлектује од њега. Тако можемо да видимо објекте око нас. Када светлосни талас досегне интерфејс медија (на пример, гас / течност или гас / чврста материја), он се потпуно или делимично одбија. Угао који се формира између снопа светлости и окомитог правца који је публикован на површини (фазна граница) назива се угао упада, а угао између окомице и рефлектованог зрака је угао рефлексије.

Закони рефлексије:

1. Инцидентни и рефлектовани зраци и перпендикуларни постоје у истој равни.
2. Угао упада једнак је куту рефлексије.
3. Ток светлосних зрака је реверзибилан.

Дифузно и огледало

У зависности од типа површине на којој се рефлектује сноп, могуће је разликовати рефлектујуће и дифузне рефлексије. Огледало је рефлексија која се посматра са веома глатке површине, када неправилности не прелазе таласну дужину. Онда ће рефлектовани сноп бити паралелан са инцидентом. Налази се у огледалима, стаклу, полираном металу. Ако су површинске неправилности веће од таласне дужине светлости, рефлектовани зраци су усмерени под различитим угловима у односу на угао удара. Управо због тога можемо видети предмете који нису сами извори светлости. Први пут да дође до овог закључка помогао је принцип Хуигенса. Закон рефлексије светлости добио је математичко и практично оправдање, засновано на већ познатим концептима интерференције и дифракције.

Практична примена

Принципи Хуигенс-Фреснел-а су били основа за пројектовање оптичких уређаја, а такође су постали основа таласне честичне теорије светлости. Енглез Д. Табор, добитник Нобелове награде за физику, користећи овај закон, измислио је холографију. Иако је његова практична примена постала могућа само увођењем у масовну употребу уско фокусираних интензивних извора светлости - ласера. У ствари, холограм је слика интерференције, снимљена на фотографској плочи, формирана од светлосних таласа, који се јачају и слабе, рефлектујући се од објекта под различитим угловима.

Техника хватања тродимензионалне слике користи се у области чувања информација, јер се већа количина података поставља на малу површину холограма него на микрофотографије. Као илустративан пример може се навести локација енциклопедијског речника од хиљаду три стотине страница на плочи за фотографије 3к3 цм.

Развијају се уређаји као што је холографски електронски микроскоп, који омогућава креирање тродимензионалних слика најмањих структурних јединица живе материје, као и холографског филма и телевизије, чије су прве верзије 3Д-филмске емисије.