Principi Huygens-Fresnela: interferencija, difrakcija, polarizacija svjetlosti

Principi Huygens-Fresnela postali su temelj teorije svjetlosnih valova i čestica. Početkom XIX. Stoljeća Christiaan Huygens, eksperimentirajući na svjetlosnim valovima, sugerira da postoje čestice koje su nositelji "svjetlosne energije". Taj mu je proces predstavljen kao sekvencijalni prijenos energije iz jednog korpusa u sljedeći kroz sudare. Znanstvenici koji su podržavali tu teoriju tvrdili su da svjetlost pokreće eter, medij s posebnim fizičkim svojstvima koji omogućuju da čestice ne gube energiju prilikom kretanja. Taj eter prožima cijeli okolni prostor i prolazi kroz objekte, omogućujući širenju svjetlosnih valova u svim smjerovima.

Osnove teorije

Ono na čemu su se temeljili principi Huygens-Fresnela mogu se formulirati na sljedeći način: širenje svjetla leži u činjenici da se svjetlosna pobuda koja dolazi iz izvora svjetlosti prenosi na susjedne točke u prostoru, koje generiraju sekundarne svjetlosne valove i prenose ih na susjedne točke. Polja širenja sekundarnih valova iz susjednih točaka se nadovezuju jedni na druge, pojačavaju ili blijede. Ova teorija je potvrđena difrakcijom, interferencijom, disperzijom i refleksijom, o čemu će biti više riječi u daljnjem tekstu.

interferencija

Kada se dva svjetlosna vala preklapaju, oni mogu ili djelovati kao faktor pojačanja ili oslabiti međusobne oscilacije. Otkriće ovog fenomena dogodilo se sedamnaest godina prije formulacije načela Huygensa, 1801. godine, od strane Thomasa Junga, Engleza, liječnika po obuci. Znanstvenik je primijetio da ako su dvije vrlo male rupice probijene jedna pored druge na kartonu i da je zaslon postavljen na put uskog snopa svjetlosnih valova, na primjer, prorez u zavjesama, tada bi na zidu iza ekrana umjesto nekoliko očekivanih svjetlosnih točaka bilo nekoliko svjetlosnih i tamnih prstenova. Da bi iskustvo bilo uspješno, potreban je samo jedan uvjet - svjetlosni valovi se moraju uskladiti u svojim oscilacijama.

difrakcija

Svjetlosni val, koji prolazi kroz aerosole, tekućine ili krute tvari, može odstupati od ravne osi gibanja. Ovaj fenomen se naziva difrakcija. Koristi se u optičkim uređajima kako bi se dobila jasna slika čak i najmanjih predmeta ili objekata na značajnoj udaljenosti.

Paralelno s Huygensom, 1818. godine, Fresnel je predstavio difrakcijski izvještaj Pariškom znanstvenom društvu. Njegovo iskustvo i teoretski izračuni su odobreni, a jedan od članova komisije, fizičar Poisson, zaključio je na temelju te teorije da ako postavite neprozirnu okruglu prepreku na putu difrakcijski odbijenih zraka, tada će se na zaslonu reflektirati svijetla točka, a ne sjena objekta. Kasnije je tu pretpostavku provjerio fizičar D.F. Arago. Difrakcija svjetlosti (Huygens-Fresnelovo načelo) potvrđeno je kroz ono što se činilo suprotnim hipotezi. Valna teorija svjetla zauzela je svoje mjesto među ostalim potvrđenim postulatima fizike.

disperzija

Osim difrakcije i interferencije, principi Huygens-Fresnela uključuju i fenomen disperzije. Zapravo, to je raspadanje svjetlosnog snopa u pojedinačne valove nakon prolaska kroz aerosol, tekućinu ili krutinu. Ovaj fenomen još je otkriven Isaac Newton tijekom pokusa s prizmom. Razdvajanje svjetlosti može se objasniti činjenicom da se bijela zraka sastoji od svjetlosnih valova različite duljine. Prolazeći kroz prepreku, svjetlo se reflektira pod različitim kutovima, budući da je koeficijent refleksije izravno ovisan o valnoj duljini. Zbog toga valovi iste duljine tvore odvojene grede, koje opažamo u drugačijim spektrima boja: od crvene do ljubičaste.

polarizacija

Teško je objasniti ovaj fizički princip. Za više jasnoće, možete koristiti iskustvo prolaska svjetlosti između dviju prizmi. Suština je da ako su čvrsta transparentna tijela jednako orijentirana, svjetlost prolazi kroz njih bez gubitka svjetline, ali ako ih stavite okomito jedan na drugoga, onda snop neće proći. To je zbog smjera svjetlosnih valova. Ako se podudara s ravninom na kojoj se nalazi kristal, onda nema prigušenja, a ako ne, onda svjetlosni snop postaje manje svijetao ili uopće ne prolazi kroz objekt, s obzirom na to da su neki od valova ugašeni.

odraz

Ako se čvrsto ili tekuće tijelo pojavi na putu svjetlosnog vala, tada se on u potpunosti ili djelomično reflektira. Tako možemo vidjeti predmete oko nas. Kada svjetlosni val dosegne sučelje medija (na primjer, plin / tekućina ili plin / krutina), on se u potpunosti ili djelomično odbija. Kut koji nastaje između zrake svjetlosti i okomice koja je dlakava na površini (fazna granica) naziva se kut upadanja, a kut između okomice i reflektiranog zraka je kut refleksije.

Zakoni refleksije:

1. Incidentni i reflektirani zraci i okomiti postoje u istoj ravnini.
2. Kut upada jednak je kutu refleksije.
3. Tijek svjetlosnih zraka je reverzibilan.

Difuzni i zrcalni odraz

Ovisno o vrsti površine iz koje se zrake reflektiraju, moguće je razlikovati refleksiju zrcala i difuznu refleksiju. Ogledalo je refleksija koja se promatra s vrlo glatke površine, kada nepravilnosti ne prelaze valnu duljinu. Tada će reflektirana zraka biti paralelna s incidentom. Nalazi se u ogledalima, staklu, poliranom metalu. Ako su površinske nepravilnosti veće od valne duljine svjetlosti, reflektirani zrake su usmjerene pod različitim kutovima u odnosu na kut upada. Upravo zbog toga možemo vidjeti predmete koji nisu sami izvori svjetlosti. Po prvi put došao do tog zaključka pomogao je načelo Huygensa. Zakon refleksije svjetlosti dobio je matematičko i praktično opravdanje, temeljeno na već poznatim konceptima interferencije i difrakcije.

Praktična primjena

Principi Huygens-Fresnela činili su osnovu za projektiranje optičkih uređaja, a također su postali temelj teorije svjetlosnih valova i čestica. Englez D. Tabor, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku, koristeći ovaj zakon, izumio je holografiju. Iako je njegova praktična primjena postala moguća samo uvođenjem u masovnu uporabu usko fokusiranih intenzivnih izvora svjetlosti - lasera. U stvari, hologram je slika interferencije, snimljena na fotografskoj ploči, koju čine svjetlosni valovi, koji se međusobno jačaju i slabe, reflektirajući se od objekta pod različitim kutovima.

Tehnika hvatanja trodimenzionalne slike koristi se u području pohranjivanja informacija, jer se veća količina podataka postavlja na malu površinu holograma nego na mikrofotografije. Kao ilustrativan primjer može se navesti mjesto enciklopedijskog rječnika od tisuću tri stotine stranica na ploči s fotografijama 3x3 cm.

Razvijaju se takvi uređaji kao holografski elektronski mikroskop, koji omogućuju stvaranje trodimenzionalnih slika najmanjih strukturnih jedinica žive materije, kao i holografske kinematografije i televizije, čije su prve verzije 3D filmske emisije.