Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света

Принцип Гюйгенса — Френеля в рамках волновой теории должен был ответить на вопрос о прямолинейном распространении света. Френель решил эту задачу, рассмотрев взаимную интерференцию вторичных волн и применив прием, получивший название метода зон Френеля.

Рис. 257

Найдем в произвольной точке М амплитуду световой волны, распространяющейся в однородной среде из точечного источника S (рис. 257). Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, заменим действие источника S действием воображаемых источников, расположенных на вспомогательной поверхности Ф, являющейся поверхностью фронта волны, идущей из S (поверхность сферы с центром S). Френель разбил волновую поверхность Ф на кольцевые зоны такого размера, чтобы расстояния от краев зоны до М отличались на /2, т. е. Р₁М – Р₀М = Р₂М – Р₁М = Р₃М – Р₂М =... = /2. Подобное разбиение фронта волны на зоны можно выполнить, проведя с центром в точке М сферы радиусами , , ,..., . Так как колебания от соседних зон проходят до точки М расстояния, отличающиеся на /2, то в точку М они приходят в противоположной фазе и при наложении эти колебания будут взаимно ослаблять друг друга. Поэтому амплитуда результирующего светового колебания в точке М

(177.1)

где — амплитуды колебаний, возбуждаемых 1-й, 2-й,..., m-й зонами.

Для оценки амплитуд колебаний найдем площади зон Френеля. Внешняя граница m-й зоны выделяет на волновой поверхности сферический сегмент высоты h_m (рис. 258). Обозначив площадь этого сегмента через , найдем, что площадь m-й зоны Френеля равна , где — площадь сферического сегмента, выделяемого внешней границей (m – 1)-й зоны. Из рисунка следует, что

(177.2)

После элементарных преобразований, учитывая, что << а и << b, получим

(177.3)

Площадь сферического сегмента

а площадь m-й зоны Френеля

(177.4)

Выражение (177.4) не зависит от m; следовательно, при не слишком больших m площади зон Френеля одинаковы. Таким образом, построение зон Френеля разбивает волновую поверхность сферической волны на равные зоны.

Согласно предположению Френеля, действие отдельных зон в точке М тем меньше, чем больше угол (рис. 258) между нормалью к поверхности зоны и направлением на М, т. е. действие зон постепенно убывает от центральной (около Р _о) к периферическим (до нуля). Кроме того, интенсивность излучения в направлении точки М уменьшается с ростом m и вследствие увеличения расстояния от зоны до точки М. Учитывая оба этих фактора, можем записать

А ₁ > А ₂ > А ₃ > А ₄ >....

Общее число зон Френеля, умещающихся на полусфере, очень велико; например, при а = 6 = 10 см и = 0,5 мкм 8×10⁵.

Рис. 258

Поэтому в качестве допустимого приближения можно считать, что амплитуда колебания от некоторой m-й зоны Френеля равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон, т. е.

(177.5)

Тогда выражение (177.1) можно записать в виде

(177.6)

так как выражения, стоящие в скобках, согласно (177.5), равны нулю, а оставшаяся часть от амплитуды последней зоны ± А _m/2 ничтожно мала.

Таким образом, амплитуда, создаваемая в произвольной точке М сферической волновой поверхностью, равна половине амплитуды, создаваемой одной центральной зоной. Следовательно, действие всей волновой поверхности на точку М сводится к действию ее малого участка, меньшего центральной зоны.

Если в выражении (177.2) положим, что высота сегмента << a (при не слишком больших m), тогда . Подставив сюда значение (177.3), найдем радиус внешней границы m-й зоны Френеля:

(177.7)

При а = b =10 см и = 0,5 мкм радиус первой (центральной) зоны = 0,158 мм. Следовательно, распространение света от S к М происходит так, будто световой поток распространяется внутри очень узкого канала вдоль SM, т. е. прямолинейно. Таким образом, принцип Гюйгенса — Френеля позволяет объяснить прямолинейное распространение света в однородной среде.

Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально. Для этого используются зонные пластинки — в простейшем случае стеклянные пластинки, состоящие из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец, построенных по принципу расположения зон Френеля, т. е. с радиусами зон Френеля, определяемыми выражением (177.7) для определенных значений а, b и (m = 0, 2, 4,... для прозрачных и m =1, 3, 5,... для непрозрачных колец). Если поместить зонную пластинку на расстоянии а от точечного источника и на расстоянии b от точки наблюдения на линии, соединяющей эти две точки, то для света длиной волны она перекроет четные зоны и оставит свободными нечетные начиная с центральной. В результате этого результирующая амплитуда А = А ₁ + A ₃ + A ₅ +... должна быть больше, чем при полностью открытом фронте. Действительно, на опыте зонная пластинка во много раз увеличивает интенсивность света в точке М, действуя подобно собирающей линзе.