Измерение показателя преломления веществ.

Измерение значения абсолютного показателя преломления веществ основано на свойстве смещения интерференционной картины двух когерентных источников волн в зависимости от разности начальных фаз их колебаний.

Рис.7.8

Рассмотрим устройство измерения значения абсолютного показателя преломления веществ в интерферометре Жамена, упрощенное устройство которого показано на рис 7.8. В интерферометре Жамена свет от когерентного источника с длиной волны с помощью светоделительного устройства, представляющего собой линзу, освещающую две щели в непрозрачном экране, разделяется на два параллельных пучка. Один из световых пучков проходит до щели в экране кювету длиной с исследуемым веществом, имеющим неизвестный показатель преломления , а другой через кювету той же длины, внутри которой воздух. Оба световых пучка при облучении каждым соответствующей щели в непрозрачном экране имеют оптическую разность хода , вычисляемую по формуле . Учитывая, что оптической разности хода лучей соответствует определённое значение разности начальных фаз колебаний световых волн интерферирующих световых пучков, следует ожидать смещения интерференционной картины на некоторое число интерференционных полос относительно направления центрального максимума,, который имел место для кювет, заполненных воздухом . Поскольку каждой из интерференционных полос соответствует оптическая разность хода, равная длине волны , значение показателя преломления исследуемого вещества может быть найдено по формуле:

.

Для измерений, использующих интерферометр Жамена, характерна весьма высокая точность.

На рис. 7.9 изображена оригинальная схема интерферометра Жамена, в которой расщепление светового пучка от источника S на два световых пучка с помощью двух пластинок P₁ и P₂ , изготовленных из однородного стекла. Наблюдается интерференционная картина в фокальной плоскости зрительной трубки T. Переотражения световых пучков от внутренней и внешней поверхностей пластинок P₁ и P₂ позволяет достаточно далеко

Рис.7.9

развести лучи AB и CD, чтобы на их пути разместить трубки с исследуемыми газами, как об этом говорилось выше.

Интерферометр Майкельсона.

С помощью этого интерферометра Майкельсон совместно с Морли в 1887г. провёл знаменитый опыт с целью обнаружения движения Земли относительно гипотетического эфира, а в 1890-1895гг. Майкельсоном впервые было произведено сравнение длины красной линии кадмия с длиной нормального метра.

Рассмотрим упрощённую конструкцию интерферометра Майкельсона (рис. 7.10). В этом приборе свет от источника с помощью светоделительной (полупрозрачной) пластинки направляется на два зеркала и , после отражения от которых в окуляре зрительной трубы наблюдается их интерференция. В конструкцию интерферометра входит компенсирующая пластинка , назначение которой скомпенсировать различие фазовых набегов разделяемых световых пучков, возникающих из-за того, что пучок, отразившийся от зеркала проходит светоделительную пластинку один раз, а пучок от три раза.

Характер интерференционной картины, наблюдаемой в окуляре зрительной трубы зависит от юстировки зеркал и , осуществляемой микрометрическими винтами - двумя винтами и одним винтом . С помощью винтов (рис. 4.25b) изменяется угол между плоскостями зеркал и мнимого изображения зеркала светоделительной пластинке . Винтом можно смещать относительно мнимое изображение . Таким образом, с помощью микрометрических винтов и наблюдаемая интерференционная картина будет иметь вид полос равного наклона при параллельных плоскостях и или полос равной толщины, если их плоскости непараллельные.

Рис.7.10

Рис. 4.25.

При слегка расходящемся световом пучке и параллельных плоскостях и интерференционные полосы будут иметь вид концентрических окружностей. При вращении винта в центре картины будут возникать новые или исчезать интерференционные полосы, стягиваясь в точку. Смещение наблюдаемой картины на одну полосу соответствует перемещению винта на . В монохроматическом свете, соответствующей красной линии кадмия, Майкельсон наблюдал интерференционную картину при разности хода лучей в 510⁵ длин волн.

Дифракция света

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики.

Рис.7.11

Пусть на плоскую преграду с отверстием падает параллельный ей фронт волны (рис. 7.11). По Гюйгенсу каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит центром вторичных волн, которые в однородной и изотропной среде будут сферическими. Построив огибающую вторичных волн, мы убеждаемся в том, что за отверстием волна проникает в область геометрической тени (на рисунке границы этой области показаны пунктиром), огибая края преграды.

Дифракция, в частности, приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени. Огибание препятствий звуковыми волнами (т. Е. дифракция звуковых волн) наблюдается постоянно в обыденной жизни. Для наблюдения дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это обусловлено малостью длин световых волн. Мы знаем, что в пределе при l>¦ 0 законы волновой оптики переходят в законы геометрической оптики. Следовательно, отклонения от законов геометрической оптики при прочих равных условиях оказываются тем меньше, чем меньше длина волны.

Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции волн. По историческим причинам перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным числом дискретных когерентных источников, принято называть интерференцией волн. Перераспределение интенсивности, возникающее вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно, принято называть дифракцией волн. Поэтому говорят, например, об интерференционной картине от двух узких щелей и о дифракционной картине от одной щели. Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором возникает дифракционная картина. Различают два вида дифракции. Если источник света S и точка наблюдения Р расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку Р, образуют практически параллельные пучки, говорят о дифракции в параллельных лучах или о дифракции Фраунгофера. В противном случае говорят о дифракции Френеля. Дифракцию Фраунгофера можно наблюдать поместив за источником света S и перед точкой наблюдения Р по линзе так, чтобы точки S и Р оказались в фокальной плоскости соответствующей линзы .