Проведем расчет интерференционной картины, полученной методом Юнга (пример пространственной когерентности).
Рис. 4. |
В опыте Юнга источниками когерентных световых волн являются две щели S1 и S2 в непрозрачном экране. Эти щели, в свою очередь, освещаются щелью S от протяженного источника света (рис. 4, источник света не показан).Результат интерференции в некоторой точке А на экране (рис. 4) будет зависеть от оптической разности хода d = Dr = (r2 - r1)n и длины волны падающего света l. Условия максимума и минимума интерференции, независимо от метода наблюдения, известны.
Запишем их в виде dмах = 2m, dmin = (2m+1).
Наша задача состоит в том, чтобы, используя метод щелей Юнга, найти оптическую разность хода в интересующей нас точке на экране, например в точке А.
Если известны расстояние от щелей до экрана L, расстояние между щелями d, длина волны падающего монохроматического света l и абсолютный показатель среды n, то можно найти координаты максимума или минимума интерференционной картины в т. А.
Из треугольников S2АВ и S1АC, имеем
(4)
или . (5)
Из математики известно, что
,
где разность r2 - r1 = d, а сумма
r2 + r1 = 2L (r» L, d << L),
т. е. = 2Ld. (6)
Решив совместно (5) и (6), получим 2уd» 2Ld
или
у @ . (7)
При dмах = 2mполучаем, что координата максимума интерференции в точке наблюдения
умах = m l, (8)
где m = 0, ±1, ±2,..., - порядок интерференции.
При dmin = (2m + 1)находим, что координата минимума интерференции в точке наблюдения
. (9)
Таким образом, на экране будет наблюдаться интерференционная картина в виде чередующихся светлых (максимум) и темных (минимум) полос (рис. 4). Распределение интенсивности света, описываемое формулой
J = 2J0(1 + cos), (10)
которая при у << L, d << L, представляет собой серию максимумов одинаковой высоты.
Это положение основано на том, что каждая щель одна равномерно освещает весь экран, что в действительности не выполняется.
Найдем ширину интерференционной полосы.
Например, максимум первого порядка (m = 1) располагается между соседними минимумами первого и второго порядков, т. е.
Dумах = у2min - у1min = , (11)
где
у1min = , (m = 1);
у2min = , (m = 2).
Аналогично можно определить ширину интерференционного минимума, т. е. минимум любого порядка находится между соседними максимумами.
Вывод: Ширина максимума и минимума интерференции в методе щелей Юнга одинакова.
Если щели освещаются белым светом, то на экране все максимумы образуют цветной спектр от красного до фиолетового, причем внутренний цвет - фиолетовый, а внешний - красный, кроме максимума нулевого порядка, где все цвета, складываясь, образуют белый свет (рис. 4, б).