Дифракция в природе: Явления, связанные с интерференцией и дифракцией света
Явления, связанные с интерференцией и дифракцией света
- Подробности
- Категория: Оптические явления в природе
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
После дождя, когда мокрый асфальт кажется черным, в местах автомобильных стоянок, где на воду в лужах пролито масло и бензин, особенно отчетливо видны блестящие пятна, отливающие всеми цветами радуги. Больше всего заметны цвета зеленый и желтый, но местами видны голубой, синий и пурпурный.
Такие же пятна можно видеть на поверхности воды в реках, озерах и лужах, если они загрязнены нефтью или ее продуктами.
Кто из нас в детстве не выдувал мыльные пузыри. Тонкая пленка мыльного пузыря, так же как и тонкая пленка нефти на поверхности воды, приобретает цветную окраску, тонкий целлофан отсвечивает цветами радуги.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ
В тонких пленках нефти или мыльной воды происходит разделение, а затем соединение световых волн.
На рисунке 46 представлен ход лучей в пленке. Здесь h — толщина пленки (в сильно увеличенном масштабе), S — источник света. Пусть на пленку из точки S падают два монохроматических пучка лучей 1 и 2. Если источник света расположен далеко (а в случае освещения нефтяных пятен на лужах источником является небосвод, т. е. свет, рассеянный воздухом), его можно считать исходящим из бесконечности. Тогда лучи 1 и 2 будут практически параллельны, а фронт световой волны АВ перпендикулярен им.
Обозначим абсолютный показатель преломления света среды n1, а пленки n2.
Пучок лучей света, встретив пленку в точке А, частично преломляется, а частично отражается.
Что же получается на экране? Как видно из рисунка, пучки лучей 2, 2 прошли разные пути до встречи в точке С: первый прошел расстояние AD + DC = 2AD в среде с показателем преломления n
Геометрическая разность хода лучей равна 2AD — ВС; оптическая же разность 1 составляет:
где λ/2 — поправка на потерю полуволны при отражении света от среды, обладающей большим показателем преломления.
Если разность хода равна целому числу волн (Δ = Nλ), то точка С будет наблюдаться ярко светящейся определенным цветом, соответствующим длине волны, для нее будут выполняться условия максимума освещенности. Если же разность хода равна нечетному числу полуволн, то для данной волны выполняется условие минимума освещенности в точке С.
Разность хода Δ можно выразить как функцию толщины пленки h, угла падения (и наблюдения) a и длины волны λ или как функцию толщины пленки и угла преломления ϒ.
Эта зависимость выглядит следующим образом:
На поверхности пленки всегда найдется много точек, для которых соблюдены одинаковые условия интерференции для данной длины волны. Эти точки расположены цепочками. Их геометрические места представляют полосы светлые или темные в зависимости от длины волны и условий интерференции.
Для светлых полос при данной длине волны выполняется условие:
для темных:
Если пленка освещена полихроматическим (сложным, многоцветным) светом, например белым, то для каждой длины волны (для каждого цвета) найдутся полосы максимума освещенности, вне которых для данной длины волны имеет место минимум освещенности.
В месте минимума данной волны может оказаться максимум другой волны (другого цвета). Таким образом, максимумы раз личных длин волн расположены друг за другом рядом. В результате образуется спектр.
Спектров может образоваться несколько порядков в зависимости от толщины пленки и угла наблюдения. Может случиться, что соседние спектры накладываются друг на друга своими крайними цветами. Красный накладывается на фиолетовый, в результате чего получается темно-пурпурный, а иногда коричневый цвет.
Цвета, составляющие середину спектра — желтый, зеленый, голубой, всегда видны хорошо.
Если за освещенной пленкой наблюдать несколько минут, то можно заметить изменение очертаний цветных полос. Это происходит вследствие растекания масла, а следовательно, и изменения толщины пленки.
Если на полированную стеклянную пластинку положить плоско-выпуклую линзу, то между линзой и пластинкой возникнет тонкая воздушная прослойка, в которой при определенном освещении (рис. 47) можно наблюдать светлые и темные кольца, соответствующие одинаковой толщине пленки.
Явление интерференции применяется для многих практически полезных целей.
Так, при помощи интерференции можно проверить качество полировки поверхности деталей машины. На явлении интерференции света основано устройство приборов-интерферометров, служащих для измерения длин с точностью до 0,1 длины волны света, определения показателей преломления и др.
ЯВЛЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА. НАБЛЮДЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ
Дифракцию света можно наблюдать, например, посмотрев на свет далекого яркого фонаря через капроновый платок, держа его на расстоянии вытянутой руки.
Дифракционные спектры хорошо видны и при рассматривании источника света, например лампы сквозь ресницы.
Если сложить два пальца так, чтобы между ними образовалась узкая щель, и сквозь эту щель смотреть на источник рассеянного света (небо, абажур лампы и т.
Дифракционная картина хорошо видна, если в алюминиевой фольге концом иголки (не протыкая насквозь) проколоть маленькое отверстие и смотреть сквозь него на яркий источник света.
Царапины на оконном стекле тоже дают возможность наблюдать дифракцию света. На стекле окон автобусов, троллейбусов имеются царапины. Они возникают при протирании окон, при обдувании их кристалликами песка. Естественно, что большая часть царапин направлена горизонтально или несколько наискось. Стекло с царапинами — это своеобразная дифракционная решетка, на которой дифрагирует свет фонарей, отклоняясь перпендикулярно им. В результате можно видеть два пучка света, исходящих от источника света.
Иногда, когда вы едете в автобусе, на замерзшем оконном стекле можно наблюдать красивую картину. Ледяной покров на окнах при попадании на них света Солнца или фонаря вдруг начинает сиять удивительно прозрачными и чистыми цветами спектра. Явление это несколько минут длится, а затем исчезает вследствие увеличения толщины слоя льда на стекле.
Это видение происходит вследствие дифракции света на иглах кристаллов льда. Возможно, что при некоторой толщине пластинок льда 1 мкм) и расстояниях между ними около 0,1 мм часть света проходит через пластинки, часть — мимо них. Ввиду различия скоростей света в пластинке и в воздухе происходит сдвиг колебаний по фазе. Это приводит к гашению некоторых длин волн вследствие интерференции, а в результате к «окрашиванию» поверхности замерзшего стекла в дополнительный цвет.
ВЕНЦЫ
Полупрозрачные белые облака медленно скользят перед Луной. И каждый раз, когда новое облако закрывает Луну, мы видим вокруг Луны чудесные разноцветные кольца, диаметр которых лишь в несколько раз больше диаметра Луны. Это венцы.
Аналогичные явления можно видеть и вокруг фонарей и Солнца (только при этом нужно позаботиться о том, чтобы Солнце не ослепляло нас, например надеть темные очки). Венцы не следует путать с гало. Диаметр гало 22 или 46°, в то время как диаметр венцов значительно меньше: 1 — 6°.
Объяснение этому явлению природы надо искать в дифракции света. Облака состоят из капелек воды. Проходя через капли, свет претерпевает дифракцию. Расхождение лучей при этом зависит от величины капли.
Множество капель не изменяет картину, а только усиливает ее. Ширина ореола зависит от величины капель: чем меньше капельки, тем шире ореол. Возможно, что венцы могут возникнуть и на облаке, состоящем из ледяных игл.
В некоторых случаях световые венцы («глазные») возникают вследствие дифракции света на зернах неоднородностей, имеющихся в роговице глаза. «Глазной» венец по размеру равен «облачному», и их трудно различить. Однако «облачный» венец можно отличить от «глазного». Если перед глазом поместить непрозрачный предмет, то «облачные» венцы остаются, а «глазные» немедленно исчезают.
Природа. Свет Дифракция и интерференция в природе
Это два наиболее
ярких свойства света. А в природе эти
эффекты можно наблюдать в сверкающей
радужной структурной окраске, часто
встречающейся в животном царстве, в
частности у птиц, насекомых и рыб. Для
такой окраски характерно то, что
наблюдаемые цвета изменяются в зависимости
от угла зрения. У животных известно
много примеров окраски, образующейся
в результате интерференции.
У многих насекомых тонкой пленкой, обусловливающей появление ряда интерферирующих цветов при рассматривании под разными углами, служит просвечивающее крыло. Многие бабочки имеют на поверхности чешуек крыльев пластинки с мельчайшими воздушными пузырьками между ними. Расстояние между пластинками примерно постоянно, поэтому в довольно широком диапазоне углов зрения окраска почти не меняется.
Окраска, обусловленная интерференцией, обычно встречается у птиц, например у самца павлина. Уплощенные крючочки на бородках пера пластинчатых структур, играющих роль интерферирующей пленки, повернуты таким образом, что их плоская поверхность обращена в сторону наблюдателя. Во многих случаях яркость переливающихся цветов усиливается в присутствии подстилающей черной поверхности (меланин), которая поглощает весь остальной свет. Благодаря такой подстилке оперение птиц часто имеет металлический блеск.
Довольно близкий
к описанному выше эффекту радужного
окрашивания дает дифракция, хотя она
менее характерна для природных тканей,
чем интерференция.
Искусственные
дифракционные решетки, используемые в
некоторых оптических приборах, состоят
из серии очень близко и на одинаковом
расстоянии друг от друга расположенных
параллельных линий, нанесенных на
отшлифованную поверхность. Примером
радужной окраски, образующейся на
природных пластинчатых структурах,
которые ведут себя как дифракционные
решетки, является перламутровая окраска
раковин моллюсков.
Так видит животных человек. А как же животные, насекомые, птицы воспринимают окружающий мир?
Каждое
животное видит мир по-своему. Сидя в
засаде, лягушка видит только движущиеся
предметы: насекомых, на которых они
охотятся, или своих врагов. Чтобы увидеть
все остальное, она должна сама начать
двигаться. Сумеречные и ночные животные
(например, волки и другие хищные звери),
как правило, почти не различают цветов.
А вот стрекоза хорошо различает цвета,
но только…нижней половиной глаз. Верхняя
половина смотрит в небо, на фоне которого
добыча и так хорошо заметна.
О хорошем зрении насекомых мы можем
судить хотя бы по красоте цветков
растений — ведь эта красота предназначена
природой именно для насекомых-опылителей.
Но мир, какими они его видят, сильно
отличается от привычного нам. Цветки,
которые опыляют пчелы, обычно не окрашены
в красный цвет: пчела этот цвет
воспринимает, как мы — черный.
Зато,
вероятно, многие невзрачные на наш
взгляд цветы приобретают неожиданное
великолепие в ультрафиолетовом спектре,
в котором видят насекомые. На крыльях
некоторых бабочек (например, лимонницы)
имеются узоры, скрытые от человеческого
глаза и видимые только в ультрафиолетовых
лучах. Удивительным образом используют
особенности зрения насекомых некоторые
пауки, поджидающие своих жертв внутри
цветков. Разумеется, будущая жертва,
садясь на цветок, не должна замечать
паука, между тем, на брюшках многих таких
пауков бросаются в глаза яркие красные
пятна. Чем это объяснить?
Оказывается,
когда на тех же пауков взглянули, так
сказать, глазами насекомых, пятна стали
совершенно незаметными.
Зато птицам,
которые могут склевать пауков, отпугивающие
пятна заметны превосходно. Значит, паук
«загримирован» для насекомых, но
«ярко раскрашен» для птиц. Кстати
говоря, насекомые определяют положение
солнца, чтобы находить дорогу, даже в
пасмурные дни. Ультрафиолетовые лучи
свободно проходят сквозь слой
облаков.
Когда муравьев в ходе опыта
стали облучать сильными ультрафиолетовыми
лучами, они побежали укрываться «в
тень» не под защиту пропускавшей
ультрафиолет темной дощечки, а под
прозрачное, на наш взгляд, стекло,
задерживающее эти лучи.
Часто встречается
в живой природе люминесценция, т.е.
холодное свечение. Примером фосфоресценции
(свечение под действием падающего света)
может служить свечение глаз кошки и
лошади, а хемилюминесценции (свечение
в результате химической реакции,
происходящих в организме) – свечение
гниющего пня, обусловленное действием
бактерий гниения. Свечение моря
объясняется наличием в нем мельчайших
беспозвоночных (ночесветок), внутри
которых живут искрящиеся бактерии.
Свечение ряда рыб происходит из – за
испускающих свет глаз, у других – из
– за особых органов, расположенных
вдоль тела. Очень интересны, встречающиеся
на большой глубине светящиеся черви,
моллюски, полипы.
Этот краткий и неполный перечень приемов, убедительно показывает, что физические закономерности играют немаловажную роль в жизни живой природы.
Интеграция просветления и дифракции света в природе: стратегия захвата света
Синьюэ Чжан, и Дэян Джи, б Тинг Лей, c Бин Чжао, б Кай Песня, б Вэньпин Ху, б Цзе-Ю Ван, c Цзянь Пей с и Япей Ван* и
Принадлежности автора
* Соответствующие авторы
и Химический факультет Китайского университета Жэньминь, Пекин 100872, Китай
Электронная почта: yapeiwang@ruc.
edu.cn
б Институт химии Китайской академии наук, Пекин 100190, Китай
с Колледж химии и молекулярной инженерии Пекинского университета, Пекин 100871, Китай
Аннотация
Репликация всего крыла цикады была проведена с использованием полимера флорина с низкой поверхностной энергией.
Реплицированные полимерные покрытия способны к высокоэффективному просветлению и рассеиванию света, что может улучшить светопропускание и изменить путь прохождения света. Уникальное улучшение улавливания света показывает, что эти биологические копии подходят для содействия эффективному использованию света в широком спектре оптических устройств.
Природа света — Гиперучебник по физике
[закрыть]
введение
Свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, видимую обычным человеком. Волновая природа света была впервые проиллюстрирована экспериментами по дифракции и интерференции. Как и все электромагнитные волны, свет может распространяться в вакууме. Поперечный характер света можно продемонстрировать через поляризацию.
- В 1678 году Христиан Гюйгенс (1629–1695) опубликовал Traité de la Lumiere , где приводил доводы в пользу волновой природы света.
Гюйгенс заявил, что расширяющаяся световая сфера ведет себя так, как если бы каждая точка на фронте волны была новым источником излучения той же частоты и фазы. - Томас Юнг (1773–1829) и Огюстен-Жан Френель (1788–1827) опровергли корпускулярную теорию Ньютона.
Гюйгенс заявил, что расширяющаяся световая сфера ведет себя так, как если бы каждая точка на фронте волны была новым источником излучения той же частоты и фазы.источники
Свет производится одним из двух способов…
- Накал — излучение света от «горячего» вещества (T ≳ 800 K).
- Люминесценция — это излучение света, когда возбужденные электроны падают на более низкие энергетические уровни
(в материи, которая может быть или не быть «горячей»).
| тип | описание | пример(ы) |
|---|---|---|
| фотолюминесценция | вызванное поглощением оптического излучения (ИК, света, УФ) | включает флуоресценцию и фосфоресценцию |
| флуоресцентный | излучение испускается в течение 10 нс после возбуждения | люминесцентные лампы, черные светлые чернила |
| фосфоресценция | Излучение«запаздывает» после возбуждения более чем на 10 нс | «светящиеся в темноте» постеры и др. |
| электролюминесценция | вызванное действием электрического поля | немного наружной рекламы, немного ночников |
| радиолюминесценция | вызванные поглощением рентгеновских лучей или радиоактивного излучения | Наручные часы середины века с радиевым циферблатом |
| хемилюминесценция | вызвано выделением энергии в результате химической реакции | светящиеся палочки |
| биолюминесценция | хемилюминесценция в живых организмах | светлячки, удильщики |
| триболюминесценция | возникает, когда твердое тело трется или царапается (разрывается или раздавливается) | отслаивающаяся прозрачная лента, кусающая Wint-O-Green Life Savers |
| термолюминесценция | происходит при нагревании ранее возбужденного материала | термолюминесцентное датирование |
| катодолюминесценция | вызвано ударом электронов | ЭЛТ-дисплеи в телевизорах и компьютерах ХХ века |
скорость
Пока просто заметки.
Скорость света в вакууме обозначается буквой c от латинского celeritas — быстрота. Измерения скорости света.
Veramente non l’ho sperimentata, salvo che in lontananza piccola, cioè manco d’un miglio, dal che non ho potuto assicurarmi se veramente la comparsa del lume opposto sia Instantanea; ma ben, se non Instantanea, velocissima…. На самом деле я пробовал эксперимент только на небольшом расстоянии, менее мили, с которого я не мог с уверенностью установить, было ли появление противоположного света мгновенным или нет; но если не мгновенно, то чрезвычайно быстро …. Галилео Галилей, 1638 Галилео Галилей, 1638
Оле Рёмер (1644–1710) Дания. «Демонстрация трогательного движения люмьера Труве М. Ремера де л’Академии наук». Журнал де Скаванов .
7 декабря 1676 г. Идея Ремера заключалась в том, чтобы использовать транзиты спутника Юпитера Ио для определения времени. Не местное время, которое уже было возможно, а «всеобщее» время, которое было бы единым для всех наблюдателей на Земле. Зная стандартное время, можно было бы определить свою долготу на Земле — полезная вещь при навигации по земному шару. безликие океаны.
К сожалению, Ио не получились хорошими часами. Рёмер заметил, что время между затмениями становилось короче по мере приближения Земли к Юпитеру и увеличивалось по мере того, как Земля удалялась от него. Он предположил, что это изменение связано со временем, которое требуется свету для прохождения меньшего или большего расстояния, и подсчитал, что время прохождения светом диаметра земной орбиты, расстояние в две астрономические единицы, составляет 22 минуты.
- Скорость света в вакууме является универсальной константой во всех системах отсчета.
- Скорость света в вакууме зафиксирована на уровне 299 792 458 м/с по текущему определению метра.
- Скорость света в среде всегда меньше скорости света в вакууме.
- Скорость света зависит от среды, через которую он распространяется. Скорость всего, что имеет массу, всегда меньше скорости света в вакууме.
другие характеристики
Амплитуда световой волны связана с ее интенсивностью.
- Интенсивность — абсолютная мера плотности мощности световой волны.
- Яркость — это относительная интенсивность, воспринимаемая обычным человеческим глазом.
Частота световой волны связана с ее цветом.
- Цвет — настолько сложная тема, что ей посвящен отдельный раздел в этой книге.
- Монохроматический свет описывается только одной частотой.
- Лазерный свет практически монохроматичен.
- В английском (и многих других языках) есть шесть простых названных цветов, каждый из которых связан с полосой монохроматического света. В порядке возрастания частоты это красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый .
- Свет иногда также называют видимым светом , чтобы отличать его от «ультрафиолетового света» и «инфракрасного света» .
- Другие формы электромагнитного излучения, невидимые для человека, иногда неофициально называют «светом»
- Полихроматический свет описывается множеством различных частот.
- Почти каждый источник света является полихроматическим.
- Белый свет полихроматичен.
График зависимости интенсивности от частоты называется спектром (множественное число: спектры ).
Хотя этот термин часто ассоциируется со светом, его можно применять к любому волновому явлению.
- A непрерывный спектр — это тот, в котором каждая частота присутствует в некотором диапазоне.
- Излучатели черного тела излучают непрерывный спектр.
- Дискретный спектр — это спектр, в котором присутствует только хорошо определенный набор изолированных частот.
(Дискретный спектр — это конечный набор монохроматических световых волн.)- Возбужденные электроны в газе излучают дискретный спектр.
Длина волны световой волны обратно пропорциональна ее частоте.
- Свет часто описывается длиной волны в вакууме .
- Свет имеет длину волны от 400 нм на фиолетовом конце до 700 нм на красном конце видимого спектра.
Разность фаз между световыми волнами может создавать видимые интерференционные эффекты.
(В этой книге есть несколько разделов, посвященных явлениям интерференции и свету.)
Остатки про животных.
- Сокол может видеть на 10 см. объекта с расстояния 1,5 км.
- Fly’s Eye имеет скорость слияния мерцаний 300/с. У людей скорость слияния мерцаний составляет всего 60/с при ярком свете и 24/с при тусклом свете. Скорость слияния мерцаний — это частота, с которой «мерцание» изображения невозможно различить как отдельное событие.
