Kvant. Интерференция на столе
Амстиславский Я. Интерференция света... на письменном столе //Квант. — 1991. — № 4. — С. 45-48.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Вот бесспорно самая странная из гипотез! Неожиданностью было
видеть ночь среди ясного дня,... но кто бы мог подумать,
что свет, слагаясь со светом, может вызвать мрак!
Д. Араго
Приведенные в эпиграфе слова написаны полтора с лишним столетия назад и относятся к изумившему ученый мир опыту Юнга и выдвинутой им идее интерференции света. Однако, несмотря на выдающиеся достижения интерференционной оптики последних десятилетий и широкое проникновение ее в современную практику, получение протяженной интерференционной картины от теплового (нелазерного) источника, тем более в виде красочной картины интерференционных полос в белом свете, в наши дни оказывается делом столь же непростым, как и на заре интерференционной эры. И если, тем не менее, опыт оказывается удачным, он, наряду с познавательным эффектом, приносит радость и удовлетворение.
К числу таких опытов можно по праву отнести опыт по интерференции в воздушной прослойке между двумя призмами, осуществленный впервые У. Гершелем еще в 1809 году. Рассмотрим вариант этого опыта, который позволяет в условиях домашней лаборатории наблюдать интересные и поучительные интерференционные явления. Схема опыта изображена на рисунке 1.
Пучок белого света от небольшой лампочки накаливания Л падает на прижатую к краю стола стеклянную призму, сечение которой представляет собой прямоугольный треугольник с углом 45°. Пусть для центрального луча угол падения на грань AD равен предельному углу полного внутреннего отражения \(~i_0 = \arcsin \frac 1n\), где n — показатель преломления стекла. Часть 1 падающего пучка, для которой i > i0, полностью отражается от AD, как от зеркала, и образует на экране Э ярко освещенную область O’D’. Часть же 2, для которой i < i0, испытывает на грани AD частичное отражение и частичное преломление, так что тоже делится, в свою очередь, на две части. Отраженная часть 2o образует на экране слабо освещенную (полутемную) область B’O’, смежную с областью O’D’, а преломленная часть образует пучок 2n, проходящий через грань AD.
Отразим пучок 2n в направлении пучка 2o, используя в качестве отражателя стеклянную пластинку. Это может быть отмытая от эмульсии фотопластинка, или кусок оконного стекла, или черное стекло, или пластинка оптического стекла, или вторая призма, или еще что-нибудь. Поднесем отражатель к призме. Тогда в полутемной области B’O’ экрана произойдет наложение пучка 2n на пучок 2o, и освещенность экрана заметно возрастет. В этом можно убедиться непосредственно, сместив отражатель вверх или вниз вдоль призмы, или используя отражатель меньшего, чем призма, размера, или наклонив отражатель, образовав прослойку в виде воздушного клина (рис. 2).
Убедившись в наличии перекрывающихся пучков, снова прижмем отражатель к призме. Однако никакой интерференционной картины пока не возникает. Может быть, слишком велика толщина воздушной прослойки? Попробуем уменьшить ее. С этой целью очистим соприкасающиеся грани от загрязнения и пыли, например, подышав на грани и затем тщательно протерев затуманенные поверхности сухой чистой тряпочкой. Снова приложим отражатель к призме и легкими круговыми движениями со слабым давлением будем притирать его к грани AD. Если соприкасающиеся поверхности достаточно гладкие и не имеют заметных дефектов, вы почувствуете легкое скольжение отражателя. Ощущение такое, будто между призмой и отражателем появился слой маловязкой жидкости. Обычно таким способом удается сократить толщину воздушной прослойки до нескольких микрон. Вот тут-то на экране в области перекрывания пучков и «разгораются» интерференционные спектры с узкой темной пограничной полосой. Изменяя местоположение сжимающего усилия, можно изменять конфигурацию и ширину полос, насыщенность их красками и т. п. На рисунках 3 и 4 представлены черно-белые фотографии картин такого рода, сделанные с экрана.
Как же все-таки получить такую картину в условиях домашней лаборатории? Оказывается, это можно сделать двумя способами. В первом, который по существу мы уже обсудили, призму накрывают треугольной накладкой из фанеры и прижимают к краю письменного стола струбцинкой так, чтобы гипотенузная грань призмы на несколько миллиметров выступала за край стола. Источником света может служить кинопроекционная лампа (например, лампа К-12-30 от детского фильмоскопа), а экраном наблюдения — наволочка, наброшенная на спинку стула. Картину наблюдают в отраженных лучах по схеме, изображенной на рисунке 5.
Во втором способе незакрепленный прибор просто кладут на письменный стол, и прослойку прибора рассматривают непосредственно глазом в рассеянном дневном свете в отраженных или проходящих лучах (соответственно схемам на рисунках 6,б и 6,а). Этот способ более прост и доступен, а также он дает возможность одновременного наблюдения и сопоставления картин в проходящем и отраженном свете. Его мы и обсудим более подробно.
На стол кладут листок белой писчей или ватманской бумаги ББ, на него накладывают два граненых карандаша, располагая их параллельно друг Другу на расстоянии 4-5 см, покрывают эти «рельсы» отмытой от эмульсии фотопластинкой Пл размером 9 × 12 см, на пластинку ставят призму П, предварительно тщательно протерев соприкасающиеся поверхности, а обращенную к окну грань призмы покрывают накладкой ЧН из черной бумаги, вырезанной по размерам этой грани, с бортиком-отгибом шириной 2-3 см.
Для наблюдения картины в отраженных лучах надо белый фон заменить черным и наоборот: на стол кладут листок черной бумаги и непосредственно на него — стеклянную пластинку с поставленной на нее призмой. На обращенную к окну грань можно наложить полупрозрачную накладку ПН, например из папиросной бумаги.
Особый интерес представляет одновременное наблюдение и сопоставление обеих картин — ив проходящих, и в отраженных лучах. С этой целью используют расположение приборов по рисунку 6,а, но под стеклянную пластинку с одной ее стороны (поверх одного из карандашей) вводят лист черной бумаги примерно на полширины пластинки, а призму располагают так, чтобы половина ее гипотенузной грани находилась над черной подкладкой. При этом черная накладка на входную грань призмы должна прикрывать противоположную половину входной грани. Смещая подкладку или накладку, добиваются того, чтобы оба поля зрения — темное на светлом фоне и светлое на темном фоне — располагались впритык.
Что же можно увидеть в прослойке под призмой? Оказывается, очень многое. Мы же вынуждены ограничиться описанием лишь одного наблюдения.
При сочетании призмы с простой стеклянной пластинкой (например, с отмытой от эмульсии фотопластинкой) прослойка имеет изменяющийся от места к месту рельеф, обусловленный не идеально плоской поверхностью пластинки. Этот рельеф и определяет ход интерференционных полос и их деформацию. Наблюдение можно проводить следующим образом: а) держа приграничную область неподвижной призмы в поле зрения и перемещая взор по высоте, переходить к новым и новым участкам прослойки; б) сдвигать призму по поверхности пластинки в том или ином направлении; в) надавливать на противоположные края или вершины пластинки; г) осторожно приподнимать призму со стороны наблюдателя и увеличивать толщину прослойки, образовывая воздушный клин; д) взять прибор для наблюдения интерференционной картины в отраженных лучах в руки и надавливать пальцем на стеклянную пластинку под призмой.
Опыт убеждает в том, что в случае достаточно плоской поверхности оптического стекла или хорошего светофильтра полосы имеют правильную форму (см. фотографии на рисунке 3). В случае менее качественной фотопластинки полосы искривлены, причем степень искривления можно менять, деформируя прослойку тем или иным способом (см. фотографии на рисунке 4).
