Principy Huygens-Fresnel: interference, difrakce, polarizace světla

Principy Huygens-Fresnel se staly základem teorie světla a částic. Na počátku XIX. Století Christiaan Huygens, který experimentuje s lehkými vlnami, naznačil, že existují částice, které jsou nositeli "světelné energie". Tento proces mu byl předložen jako postupný přenos energie z jednoho tělesa na druhý přes srážky. Vědci, kteří podpořili tuto teorii, argumentovali, že světlo pohne éterem, médiem se zvláštními fyzikálními vlastnostmi, které umožňují částicím, aby neztratili energii při pohybu. Tento éter proniká celým okolním prostorem a také prochází předměty, které umožňují šíření světlých vln ve všech směrech.

Základy teorie

Na principu Huygens-Fresnelových principů lze formulovat takto: šíření světla spočívá ve skutečnosti, že světelné buzení pocházející ze zdroje světla se přenáší na sousední body v prostoru, které generují sekundární světelné vlny a přenášejí je do sousedních míst. Oblasti šíření sekundárních vln ze sousedních bodů jsou navzájem překrývají, zesilují nebo blednou. Tato teorie je potvrzena difrakcí, interferencí, disperzí a reflexí, která bude podrobněji popsána níže.

Rušení

Když se dvě světlá vlny překrývají, mohou buď působit jako zesilující faktor nebo oslabovat navzájem oscilace. Objev tohoto jevu nastaly sedmnáct let před formulací principu Huygens, v 1801 Thomas Jung, Angličan, doktor školení. Vědec poznamenal, že pokud by byly na kartonu umístěny dva velmi malé otvory vedle sebe a obrazovka byla umístěna v cestě úzkého paprsku světlých vln, například štěrbiny v zácloně, pak by na stěně za obrazovkou bylo několik světelných a tmavých kroužků namísto očekávaných dvou světlých bodů. K tomu, aby zkušenost byla úspěšná, je nutná pouze jedna podmínka - světelné vlny musí být přizpůsobeny jejich kmitům.

Difrakce

Světelná vlna, která prochází aerosoly, kapalinami nebo pevnými látkami, se může odchýlit od rovné osy pohybu. Tento jev se nazývá difrakce. Používá se v optických zařízeních pro získání jasného obrazu i těch nejmenších objektů nebo objektů v značné vzdálenosti.

Současně s Huygensem, v roce 1818, přednesl Fresnel zprávu o difrakci Parížské vědecké společnosti. Jeho zkušenosti a teoretické výpočty byly schváleny a jeden z členů komise, fyzik Poisson, dospěl na základě této teorie k závěru, že pokud položíte neprůhlednou kulatou překážku v podobě difrakčně odrazených paprsků, pak se na obrazovce promítne jasná skvrna, nikoli stín objektu. Později tento předpoklad ověřil empiricky fyzik D.F. Arago. Světlo difrakce (princip Huygens-Fresnel) byl potvrzen tím, co se zdálo být v rozporu s hypotézou. Vlna teorie světla zaujímá své místo mezi dalšími ověřenými postuláty fyziky.

Disperze

Vedle difrakce a interference zahrnují principy Huygens-Fresnel také fenomén disperze. Ve skutečnosti je to rozložení paprsku světla do jednotlivých vln po průchodu aerosolem, kapalinou nebo pevnou látkou. Tento jev byl zatím objeven Isaac Newton během experimentů s hranolem. Rozdělení světla lze vysvětlit skutečností, že bílý paprsek se skládá ze světlých vln různých délek. Při průchodu překážkou se světlo odráží v různých úhlech, protože koeficient odrazu přímo závisí na vlnové délce. Protože vlny stejné délky tvoří oddělené trámy, které vnímáme v jiném barevném spektru: od červené až po fialovou.

Polarizace

Je obtížné tento fyzický princip vysvětlit. Pro větší jasnost můžete využít zkušenosti s průchodem světla mezi dvěma hranoly. Podstatou toho je, že pokud jsou pevné průhledné těla orientovány stejně, světlo prochází skrze je, aniž by ztratilo jas, ale pokud je položíte vzájemně kolmo, pak paprsek neprojde. To je způsobeno směrovým vzorem světelných vln. Pokud se shoduje s rovinou, na níž je krystal umístěn, nedochází k útlumu, a pokud se tak nestane, pak se světelný paprsek stane méně jasným nebo vůbec neprojde skrze objekt, protože některé vlny zhasly.

Reflexe

Pokud se na cestě světelné vlny objeví pevné nebo tekuté tělo, pak se zcela nebo částečně odráží. Tak můžeme vidět objekty kolem nás. Když světlá vlna dosáhne rozhraní média (například plyn / kapalina nebo plyn / pevná látka), je zcela nebo částečně odražena zpět. Úhel, který se vytváří mezi paprskem světla a kolmicí, která je pruhovaná na povrchu (hranice fáze), se nazývá úhel dopadu a úhel mezi kolmým a odraženým paprskem je úhel odrazu.

Zákony reflexe:

1. Incident a odražené paprsky a kolmice existují ve stejné rovině.
2. Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.
3. Průběh světelných paprsků je reverzibilní.

Difuzní a zrcadlové odrazy

V závislosti na typu povrchu, ze kterého se paprsek odráží, je možné rozlišit zrcadlový a difúzní odraz. Zrcadlo je odraz, který je pozorován z velmi hladkého povrchu, když nepravidelnosti nepřesahují vlnovou délku. Potom bude odražený paprsek paralelní s událostí. Objevuje se v zrcadlech, skle, leštěném kovu. Pokud jsou povrchové nepravidelnosti větší než vlnová délka světla, jsou odražené paprsky směřovány v různých úhlech vzhledem k úhlu dopadu. Právě kvůli tomu vidíme objekty, které nejsou zdrojem světla sami. Poprvé k tomuto závěru pomohl princip Huygens. Zákon o odrazu světla obdržel matematické a praktické ospravedlnění založené na již známých pojmech interference a difrakce.

Praktická aplikace

Principy Huygens-Fresnel vytvořily základ pro návrh optických zařízení a také se staly základem teorie světla a částicové vlny. Angličan D. Tabor, nositel Nobelovy ceny ve fyzice, který tento zákon použil, vynalezl holografii. Ačkoli jeho praktická realizace byla možná pouze se zavedením úzkopásmových intenzivních světelných zdrojů - lasery do hromadného použití. Ve skutečnosti je hologram obrazem rušení, zachyceného na fotografické desce, tvořené světelnými vlnami, které se vzájemně zesilují a oslabují, odrážející se od objektu v různých úhlech.

Technika zachycení trojrozměrného obrazu se používá v oblasti ukládání informací, protože větší množství dat je umístěno na malém povrchu hologramu než na mikrofotografiích. Jako ilustrativní příklad lze uvést umístění encyklopedického slovníku o tisících tři sta stránkách na fotografickém štítku 3x3 cm.

Taková zařízení jako holografický elektronový mikroskop se vyvíjejí, což umožňuje vytvářet trojrozměrné obrazy nejmenších strukturálních jednotek živé hmoty, stejně jako holografické kino a televize, jejichž prvními verzemi jsou 3D-filmové přehlídky.