Интерферометрия

Ко времени проведения I Генеральной конференции по мерам и весам (1889 г., введение эталона метра) А. А. Майкельсон и Э. У. Морли указали, что с помощью интерферометра (интер­ферометра Майкельсона, сокра­щенно ИМ) возможно сопоставле­ние метра с длиной волны светового излучения, т. е. определение того, сколько длин волн света укладывается на 1м. В ИМ (рис.7) пучок света от возможно более монохроматического источника Q расщепляется делителем 5 (по­лупрозрачное зеркало) на два пучка, один из которых отража­ется затем от зеркала S₁, а дру­гой — от зеркала S₂. Эти два пучка объединяются затем в В. Мнимое изображение зеркала S₁ на плече S₂ находится в поло­жении S₁'. В положении В имеет место минимум интерференции, если расстояние 2d равно полу­целому кратному используемой длины волны. Путем подсчета смены минимумов и максимумов при перемещении зеркала S₂ можно производить калибровку микрометрического винта М в длинах волн.

При работе с интерферометром поступают следующим образом. Исполь­зуется более или менее протяженный источник света Q, чтобы в В можно было наблюдать систему интерференционных колец Фраунгофера. В центре колец при изменении d наблюдается возникновение новых колец или исчезновение старых. В современных регистрирующих интерферометрах в В помещается фотодиод, подключенный к счетно -регистрирующему электронному устройству. Если регистрируется зависимость интенсивности света в центре системы колец от расстояния d, получается так называемая интерферограмма, три примера которой приведены на рис. 8. На рис. 8, а представлена оптимальная для измерения метра картина, которую можно получить с помощью лазера как источника света. Требуется еще ввести нулевую отметку, которую следует связать с положением d=0, чтобы получить воспроизводимое начало отсчета. Это осуществляется с помощью интерферограммы белого света, которая изоб­ражена на рис. 8, б. Колебания интенсивности заметны здесь лишь в малой окрестности около d=0. Интерференция быстро пропадает, так как условия образования максимумов и минимумов включают в себя длину волны. Это тот самый случай, когда нет худа без добра: середина интерферограммы на рис. 8, б определяет точку d=0. Конечно, интерферометр должен быть при этом строго юстирован таким образом, чтобы действительно было обеспечено совпадение длин оптических путей до зеркал S₁ и S₂. Это обеспечивается, на­пример, внесением корректирующей стеклянной пластинки S" точно такой же толщины, что и S, чтобы скомпенсировать путь, пройденный лучом в стекле к зеркалу S₂. Как видно из интерферограммы на рис. 8, в, свет обычной ртутной лампы не пригоден для измерения метра, ибо в этом спектре присутст­вуют отдельные дискретные длины волн. Необходима хорошая монохроматич­ность спектра лампы. Она определяется так называемой длиной когерент­ности — тем расстоянием d, на которое может быть произведен сдвиг без размытия системы колец.

В принципе счет - интерференционных полос (или максимумов интерферограммы) в точности совпадает с процедурой измерения метра в длинах волн.

На практике можно воспользоваться несколько видоизмененным способом наблюдения для отыскания определенной картины полос. Пусть, например, найдено положение d=0, после чего одно из зеркал S₁ или S₂ немного наклоняется. В зрительную тру­бу при этом будут наблюдаться полосы равной ширины, а нулевая линия интерферограммы для белого света видна в поле зрения трубы в сопровождении цветных полос по сторонам, постепенно становящихся все более размытыми. Когда расстояние до зеркала увеличивается, наблюдается картина бегущих полос (для монохроматического света) в поле зрения зрительной трубы. Такого типа картина.изображена на рис. 7

Майкельсон и Бенуа провели в 1892—1893гг. первые опыты с наибольшим расстоянием 20 см, используя красную линию кадмия с l=644 нм (6440 А), обладающую наибольшей известной тогда длиной когерентности. Расчеты показывают, что на протяжении 20 см должно насчитываться около 3*10⁵ максимумов или минимумов. Если при этом каждую секунду регистрировать одну полосу, то экспериментаторам пришлось бы затратить на их счет около 80 часов, т. е. 3 дня!

При более новых измерениях используют метод частичных примеров, к которому мы еще возвратимся позднее. В 1905—1906 гг. и в 1913 г. Бенуа, Фабри и Перо воспользовались другим интерференционным спектромет­ром, более простым в обращении при прецизионном сравнении масштабов.

Интерферометр Фабри - Перо (ИФП, рис. 9), который в современной спектроскопии сохраняет репутацию отлич­ного инструмента, также использует параллельный пучок света
от протяженного источника. Здесь происходит многолучевая интерференция — интерферируют друг с другом лучи 1, 2, 3 и т. д., так что в плоскости изображения В возникает система колец. Разность фаз двух непосредственно следующих друг за
другом дробных лучей в проходящем свете равна 6=2p/l2dcosa, где a — угол падения света. При переходе от максимума к мини­муму величина 6 изменяется на 2l. Отношение d/l порядка нескольких десятков.тысяч. Существенное отличие от ИМ состо­ит в том, что невозможно установить значение разности хода d—0. Поэтому такой интерферометр пригоден лишь для сравне­ния малых расстояний.

С 1892 по 1940 г. таким образом, были проведены девять промеров красной линии кадмия и най­дено, что на 1 м укладывается точно 1 553 164, 13 ее длины вол­ны. Следовательно, длина волны красной линии кадмия равна

l cd = (643,84696 ±0,0001) нм

(в воздухе при 15°С, 1,013 бар (=1 атм), 0,03%-ном объемном содержании СО2). В 1927 г. это значение было допущено в ка­честве стандарта наряду с эталоном метра. Недостатком такого определения является связь с конкретными условиями среды. Основания для выбора данной линии мы рассмотрим теперь, исходя из схемы термов атома кадмия (рис. 11).

Схема термов — это схема энергетических уровней. Чем выше горизон­тальный штрих, тем больше энергия соответствующего состояния атома. При переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией разность энергий излучается атомом:

DE=hv.

Термы обозначаются с помощью символов (сгруппированных соответствующим образом), которые указывают величину момента импульса. Орбитальный момент импульса элект­ронов (всех вместе взятых) обозначается большими буквами S, P, D, F,... (что соответствует значениям квантового числа момента импульса 0,.1, 2, 3,...). Правый нижний индекс дает квантовое число полного момента J, а левый верхний характеризует мультиплетность (кратность) термов, равную 2S+1, где S — значение полного спина (здесь равное 0 или 1).

Каждая из двух последних электронных оболочек атома кад­мия соответствует конфигурации 4d105s2 x). Ввиду наличия в Ss-оболочке обоих s-электронОв получается синглет-триплетная схема термов, подобная известной для гелия (2Не, Is2) или для ртути (g0Hg, 5d10 6s2). Поэтому в спектре содержатся простые (синглетные) и тройные (триплетные) линий. Та линия, о которой идет речь, соответствует переходу 5lD%-+b1Pi синглетной систе­мы и является простой, так что ее длина волны, естественно, точ­нее определена, чем у триплетной линии (например, соответст­вующей переходу 635i->53P2,i,o).

Прежде чем перейти к современному определению метра, обсудим еще некоторые спектроскопические предпосылки прецизионного измерения длины. С выбором стандарта длины волны оказался связан тот неожиданный недо­статок, что линии спектра обладают неудовлетворительной резкостью и дают при измерениях размытие.