20. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

В прошлом уроке свет вёл себя как лучи. Теперь сюрприз: свет — это волна (а на самом деле и то и другое!). Волновая оптика объясняет, откуда берутся радуги, что такое интерференция и почему некоторые поверхности переливаются.

Свет как волна

Свет — электромагнитная волна: колеблются электрическое и магнитное поля. Характеристики волны:

c = λ·ν = 3·10⁸ м/с
Скорость света в вакууме

Видимый диапазон

Видимый свет — крошечная часть спектра: от фиолетового (λ≈400 нм) до красного (λ≈760 нм). Радиоволны длиннее, гамма-лучи короче, а ты живёшь в этом узком окошке видимости.

Интерференция

Когда две когерентные волны встречаются, они складываются: гребень с гребнем — вспышка (усиление), гребень с впадиной — темнота (погашение). Разница хода определяет результат:

Δd = k·λ — усиление
Разность хода кратна целой длине волны
Δd = (k+½)·λ — ослабление
Разность хода — нечётное число полуволн

Мыльные пузыри переливаются, потому что плёнка разной толщины по-разному интерферирует со светом. Бензин на луже — тоже. Это не краска, это интерференция.

Дифракция

Волны огибают препятствия. Звук легко обходит угол, свет — почти не обходит, пока не сузить щель или не упереться в край. Дифракционная решётка — стекло с тысячами щелей — разлагает белый свет на спектр.

d·sin φ = k·λ
Условие главных максимумов решётки

Как меряют свет

Дифракционная решётка — это как линейка с точностью до нанометра. С её помощью узнают химический состав звёзд: линии в спектре = какие элементы светятся.

Дисперсия

Скорость света в веществе зависит от длины волны. Красный преломляется слабее, фиолетовый сильнее. Белый свет раскладывается на радугу — это дисперсия.

Именно поэтому призма даёт спектр, а радуга появляется на каплях дождя, каждая из которых работает как мини-призма.

Поляризация

Обычный свет — волны, дрожащие во всех плоскостях. Поляризатор пропускает колебания только в одной плоскости. Поэтому поляризационные очки убирают блики: свет, отражённый от воды, поляризован горизонтально.

Свет — это и волна, и частица

Волновая оптика — полная правда о свете, но не последняя. Когда вопрос про взаимодействие света с веществом (фотоэффект!), выясняется, что свет ведёт себя как частицы — кванты. Это тема квантовой физики.

Спектры

Каждый элемент даёт свой уникальный набор линий — как отпечаток пальца. Так астрономы понимают, из чего состоят далёкие галактики.

← Назад: Геометрическая оптика Дальше: Квантовая физика →