История дифракции и интерференции

Простой опыт по интерференции  света наблюдал Гримальди. Опыт заключается в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.

Другой случай интерференции  примерно в те же годы исследовал английский физик Роберт Гук. Он изучал цвета  мыльных пленок и тонких пластинок  из слюды. При этом он обнаружил, что  эти цвета зависят от толщины  мыльной пленки или слюдяной пластинки. Гук подошел к изучению этих явлений с правильной точки зрения. Он полагал, что свет это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными. Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, и поэтому не смог разработать теорию интерференции. Толкование Гука содержит первый, правда, чисто качественный и расплывчатый вариант того, что мы сейчас называем интерференционным объяснением. Но никто, в том числе и Гук, не смог разобраться в этом явлении.

После открытия явления интерференции  света его практически сразу  же начали изучать. Исаак Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции  света в тонких пленках.

Количественные исследования в этой области был трудны, так как толщина споев – порядка 1/1000 мм. Вот, как поступал Ньютон: на плоскую стеклянную поверхность он кладет выпуклой стороной плоско-выпуклую линзу - объектив телескопа с очень большим радиусом кривизны. Тогда между нижней плоской и верхней выпуклой поверхностями образуется чрезвычайно тонкий слой воздуха, обнаруживающий пестрые яркие цвета; цветные кольца в белом свете и чередование одноцветных светлых и темных колец - в однородном.

Ломоносов считал, что свет – это распространяющееся колебательное  движение частиц эфира, т. е. неощутимой среды, заполняющей все мировое  пространство и пронизывающей поры весомых тел.

Против корпускулярной теории света, по Ломоносову, говорит то обстоятельство, что световые лучи, проходя через  прозрачное тело с разных сторон, не мешают друг другу. Вокруг алмаза, пишет  Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи пучков света  будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет – это поток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобно волнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь, световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу.

Из изложенного видно, что Ломоносов уже подходил к  пониманию явления интерференции.

Эйлер, так же как и Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он уже отчетливо представлял  свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этом Эйлер впервые  высказал идею о том что цвет определяется частотой колебаний в световой волне.

Однако ни Ломоносов, ни Эйлер  не смогли привлечь ученых на сторону  волновой теории света.

В конце XVIII в. оптическими  исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг. Он пришел к важной идее, что кольца Ньютона очень  просто можно объяснить с точки  зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. 0н же впервые и ввел название «интерференция» (от латинских слов inter – взаимно и ferio – ударяю).

Весьма вероятно, что интерференцию  Юнг открыл, наблюдая это явление  для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: «Представим себе, что некоторое  количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера  с некоторой постоянной скоростью  и попадает в узкий канал, выходящий  из озера. представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в капал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю законом интерференции света».

На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась  статья, содержащая грубые нападки  на него. Корпускулярная теория света  по-прежнему казалась непоколебимой.

Французский инженер, ставший  впоследствии знаменитым физиком, Огюстен  Френепь начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 г. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.

В 1817 г. Академия наук Франции  объявила конкурс на лучшую работу по дифракции света. Френель решил  участвовать в этом конкурсе. Он написал работу, в которой изложил  результаты своих исследований, и  направил ее в Академию наук в 1818 г. В этой работе Френель изложил  ряд случаев интерференции света, которые он исследовал. В частности, он описал опыт по интерференции света  при прохождении через две  соединенные вместе призмы. Опыт Френеля ясно показывает случай интерференции от двух источников света. С помощью этого опыта Френель подсчитал длину волны для красного света. При этом она получилась равной длине волны для красного света, определенной из других опытов.

По Гюйгенсу, волновую поверхность  в данный момент времени t можно рассматривать  как огибающую всех сферических  волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности  в более ранний, предыдущий момент времени t0.

По Френелю, значение амплитуды  световой волны в какой-либо точке  пространства в момент времени t можно  рассматривать как результат  интерференции всех сферических  волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности  в более ранний, предыдущий момент времени t0.

Френель, используя этот принцип, исследовал разные случаи дифракции  и рассчитал расположение полос  для этих случаев.

Так, он рассмотрел прохождение  света через маленькое отверстие  и определил, какая картина должна быть видна на экране, поставленном за этим отверстием. По его расчетам, получалось, что на экране будут  видны темные и светлые кольца, если свет монохроматический. При этом Френель вычислил радиусы этих колец  в зависимости от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия и расстояния отверстия  до экрана, на котором наблюдается  дифракционная картина. Френель описал и другие случаи дифракции света от различных экранов и рассчитал расположение дифракционных полос, исходя из волновой теории. При этом все расчеты Френеля совпадали с результатами, наблюдаемыми на опыте.