какое волновое явление невозможно наблюдать в вакууме

Дифракция света

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т.Юнгом. Независимо от него в 1818 г. французский ученый О.Френель развил количественную теорию дифракционных явлений. В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса об огибающих вторичных волнах Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом. Принцип Гюйгенса–Френеля также представлял собой определенную гипотезу, но последующий опыт подтвердил ее справедливость. В ряде практически важных случаев решение дифракционных задач на основе этого принципа дает достаточно хороший результат. Рис. 3.8.1 иллюстрирует принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля. ΔS₁ и ΔS₂ – элементы волнового фронта, и – нормали

Пусть поверхность S представляет собой положение волнового фронта в некоторый момент. В теории волн под волновым фронтом понимают поверхность, во всех точках которой колебания происходят с одним и тем же значением фазы (синфазно). В частности, волновые фронта плоской волны – это семейство параллельных плоскостей, перпендикулярных направлению распространения волны. Волновые фронта сферической волны, испускаемой точечным источником – это семейство концентрических сфер.

Для того чтобы определить колебания в некоторой точке P, вызванное волной, по Френелю нужно сначала определить колебания, вызываемые в этой точке отдельными вторичными волнами, приходящими в нее от всех элементов поверхности S (ΔS₁, ΔS₂ и т. д.), и затем сложить эти колебания с учетом их амплитуд и фаз. При этом следует учитывать только те элементы волновой поверхности S, которые не загораживаются каким-либо препятствием.

Рассмотрим в качестве примера простую дифракционную задачу о прохождении плоской монохроматической волны от удаленного источника через небольшое круглое отверстие радиуса R в непрозрачном экране (рис. 3.8.2).

Дифракция плоской волны на экране с круглым отверстием

Точка наблюдения P находится на оси симметрии на расстоянии L от экрана. В соответствии с принципом Гюйгенса–Френеля следует мысленно заселить волновую поверхность, совпадающую с плоскостью отверстия, вторичными источниками, волны от которых достигают точки P. В результате интерференции вторичных волн в точке P возникает некоторое результирующее колебание, квадрат амплитуды которого (интенсивность) нужно определить при заданных значениях длины волны λ, амплитуды A₀ падающей волны и геометрии задачи. Для облегчения расчета Френель предложил разбить волновую поверхность падающей волны в месте расположения препятствия на кольцевые зоны (зоны Френеля) по следующему правилу: расстояние от границ соседних зон до точки P должны отличается на половину длины волны, т. е.

…

Если смотреть на волновую поверхность из точки P, то границы зон Френеля будут представлять собой концентрические окружности (рис. 3.8.3).

Границы зон Френеля в плоскости отверстия

Из рис. 3.8.2 легко найти радиусы ρm зон Френеля:

где Am – амплитуда колебаний, вызванных m-й зоной.

С хорошим приближением можно считать, что амплитуда колебаний, вызываемых некоторой зоной, равна среднему арифметическому из амплитуд колебаний, вызываемых двумя соседними зонами, т. е.

Так как расстояния от двух соседних зон до точки наблюдения отличаются на λ / 2, следовательно, возбуждаемые этими зонами колебания находится в противофазе. Поэтому волны от любых двух соседних зон почти гасят друг друга. Суммарная амплитуда в точке наблюдения есть

Источник

Интерференция и дифракция

Интерференция – это сложение колебаний. В результате интерференции в каких-то точках пространства происходит рост амплитуды колебаний, а в других – их уменьшение. Неизменная картина интерференции наблюдается только тогда, когда разность складываемых колебаний постоянна (они когерентны). Очевидно, что когерентными могут быть колебания одинаковой частоты. Поэтому чаще всего изучают интерференцию монохроматических колебаний.

На фото изображена интерференция волн на поверхности воды.

Интерференцию световых волн можно наблюдать, если положить стеклянную линзу на стеклянную пластинку (см. рисунок справа) и посмотреть на них сверху. Луч света (красные стрелки) падает сверху на линзу, преломляется, отражается от её нижней искривлённой поверхности и выходит из линзы (луч 2). Однако часть луча, упавшего на нижнюю поверхность линзы, выходит из неё, падает на стеклянную пластинку, отражается от неё, проходит через линзу и выходит из неё (луч 1). Лучи 1 и 2 когерентны, т.к. они возникли из одного луча.

Если попав в глаз, фаза этих лучей будет отличаться на целое число периодов, то эти лучи будут усиливать друг друга и мы увидим яркое пятно. В тех случаях, когда их разность фаз составит нечётное число полупериодов (Т/2, 3Т/2, 5Т/2 и т.д.) лучи уничтожат друг друга, и мы увидим тёмное пятно.

Очевидно, что разность фаз между лучами 1 и 2 зависит от толщины зазора между линзой и пластинкой. Поэтому, смотря сверху мы увидим чередующиеся тёмные и светлые кольца – кольца Ньютона (см. рисунок).

На фото ниже показаны интерференционные полосы для синего света (левая), для красного света (средняя) и для белого света (правая).

Интерференционные полосы можно наблюдать в свете, отражённом от вертикально расположенной мыльной плёнки (см. рисунок ниже). Толщина плёнки увеличивается сверху вниз, что изменяет разность хода между лучами, отражёнными от обеих поверхностей плёнки. На рисунке а схематически показан верхний красный луч, падающий слева на фиолетовую плёнку (в разрезе). Этот луч сразу отражается и получает обозначение (луч 1). Другая часть того же луча преломляется в плёнке, отражается от другой её поверхности (луч 2) и продолжает двигаться рядом с лучом 1. Если при этом разница фаз между лучами 1 и 2 станет кратной периоду колебаний, то лучи будут усиливать друг друга, и мы увидим яркую полосу. Если же эта разница фаз составит нечётное число полупериодов (Т/2, 3Т/2, 5Т/2 и т.д.), то они уничтожат друг друга, а мы увидим тёмную полосу.

Следует отметить, что волны при отражении изменяют фазу на 180° (или p), если отражаются от более оптически плотной среды, например, при отражении света в воздухе от воды. Если отражение происходит от менее оптически плотной среды, то изменение фазы волны не происходит.

где l0 – длина волны света в вакууме.

Дифракцией называют явления, связанные со свойством волн огибать препятствия, т.е отклоняться от прямолинейного распространения.

На рисунке ниже показано, как меняют направление звуковые волны после прохождения через отверстие в стене. Согласно принципа Гюйгенса области 1-5 становятся вторичными источниками сферических звуковых волн. Видно, что вторичные источники в областях 1 и 5 приводят к огибанию волнами препятствий.

Ниже показано фото тени от монеты на экране при освещении её источником монохроматического света. Видно, что в центре тени есть яркое пятно, образованное интерференцией лучей, огибающих край монеты. Интерференция этих лучей приводит к появлению чередующихся тёмных и ярких колец, окружающих тёмный диск тени. Этот эксперимент тоже является иллюстрацией явления дифракции света.

Ниже показано увеличенное фото тени верхнего края непрозрачной стены на экране. Видно, что переход из тёмной части тени в освещённую происходит не резко, а через последовательность чередующихся тёмных и ярких полос. Эти полосы являются результатом дифракции лучей света на краю препятствия и последующей их интерференции.

Если расстояние L до экрана, на котором наблюдают дифракционную картину, гораздо больше ширины a щели (см. рисунок ниже), то угол, под которым виден первый дифракционный минимум номер n (см. yn на рисунке), можно вычислить из соотношения

Дифракция света наблюдается, если он проходит через круглое отверстие (см. левый рисунок). При этом дифракционная картина состоит из центрального яркого пятна, окружённого чередой тёмных и ярких колец. При этом угловой диаметр q1 центрального яркого пятна равен

Таким образом, чем больше будет диаметр входной линзы или зеркала телескопа, тем больше звёзд мы увидим на небе.

Дифракционная решётка – это прозрачная пластинка, на которую через одинаковое расстояние d (период решётки) нанесены параллельные штрихи. Плоский фронт световой волны падает слева на дифракционную решётку (см. рисунок) и претерпевает дифракцию на её штрихах. После интерференции прошедших через решётку лучей появляются направления, вдоль которых наблюдаются дифракционные максимумы и минимумы интенсивности света.

Угол qn, под которым виден первый дифракционный максимум номер n, легко вычислить, если считать, что расстояние до экрана Р гораздо больше периода решётки d:

На рисунке справа показано, как дифракционная решётка расщепляет голубой луч лазера.

Дифракционная решётка не только может отклонять лучи, как призма, но и разлагать их в спектр. Справа показано, что происходит с белым светом, после того, как он проходит через дифракционную решётку. Видно, что дифракционная картина в этом случае представляет собой наложение дифракционных картин для цветов, образующих белый свет

Явления дифракции и интерференции света помогают Природе раскрашивать всё живое, не прибегая к использованию красителей

Источник

ст.7 Оптика и волновые явления

Содержание

Волновые явления. Волны разрежения энергии в пространстве.

Под волновыми явлениями наука понимает механические колебания и всякого рода излучения (микроволны, радиоволны, свет и пр.). И совершенно не рассматривает в качестве волновых явлений процессы поглощения энергии.

Согласно концепции четырех субстанций, процессы поглощения энергии в нашей галактике количественно на много порядков превышают процессы излучения.

Рассмотрим вкратце самый элементарный процесс образования волны разрежения энергии в результате единичного акта движения элементарной частицы материи.

В полном соответствии закону цикличности (см « размышления о диалектике» ), цикл движения элементарной частицы делится на две фазы:

В первой фазе элементарная частица поглощает энергию из окружающего пространства, сворачивает ее и присоединяет к своей массе. В данной точке пространства образуется «вакуум» свободной энергии – ее отсутствие. На этом первая фаза завершается.

На этом единичный цикл аннигиляции (цикл поглощения энергии элементарной частицей материи) заканчивается. В его результате:

В результате непрерывного движения элементарной частицы, непрерывно повторяющегося цикла аннигиляции (поглощения энергии), сама частица непрерывно создает волны разряжения свободной энергии в пространстве вселенной.

Налицо явное наличие волновых характеристик элементарной частицы материи. Только это – волны разряжения энергии.

Элементарные частицы складываются в атомы, атомы – в молекулы, молекулы – в физические тела. Соответственно, все элементарные частицы внутри атомов, молекул, физических тел взаимодействуют между собой и своими волновыми характеристиками. Порождая волновые характеристики атомов, молекул, физических тел…

Любой физический объект во вселенной, двигаясь в пространстве, порождает волны разрежения энергии. А, значит: обладает волновыми характеристиками. Исключение – физические объекты, двигающиеся в пространстве со скоростью света. Они не поглощают энергию, а, значит – не создают и волн разряжения свободной энергии. То есть – не обладают волновыми характеристиками.

Волновые явления делятся на несколько категорий:

Фотоны света

Явление «свет» давно волновало умы ученых. Мнение ученых, как маятник, склонялось то к корпускулярной теории света, то – к волновой, в зависимости от успехов в исследовании света. Наука, опираясь на теорию относительности, так и не внесла ясность в этот вопрос, дав весьма сомнительное определение: «свет есть одновременно и волна и корпускула».

Концепция четырех субстанций дает четкий конкретный ответ на вопрос о природе света:

«Световое излучение есть поток легчайших квантов материи, образовавшихся в результате жесткого стороннего воздействия на парную структуру из элементарных частиц материи (структуру «протон — нейтрон»), и ее разрыва. При взаимодействии с материальными телами потоки этих легчайших квантов проявляют свойства, схожие с волновыми».

То есть, свет — это корпускулярное излучение.

Элементарная частица материи имеет форму вытянутой в пространстве нити . При жестком стороннем воздействии, элементарная частица способна разрываться, образуя, при этом, весь спектр неустойчивых «элементарных частиц». Одни из них и есть пресловутые «фотоны света«.

У противников корпускулярной теории света есть «железные» доводы:

В данной статье мы рассмотрим это. И, как увидит читатель, эти «железные» доводы совершенно несостоятельны, когда разговор идет о таком явлении как «свет».

процесс горения

Рассмотрим процесс образования светового излучения на примере процесса горения. Процесс горения начинается с быстрого поступления дополнительной свободной энергии (зажгли спичку) в молекулярную структуру физического тела, например — фитиля свечи.

Элементарные частицы материи в фитиле свечи не могут мгновенно свернуть такое большое количество дополнительной свободной энергии – возникает ее переизбыток во внутреннем пространстве фитиля. В результате: потоки энергии, соединяющие молекулы в структуру физического тела, слабеют. (Это мы часто наблюдаем в виде увеличения объема физического тела — как известно: при нагревании тела расширяются).

Если дополнительная энергия поступает слишком быстро, то происходит разрыв молекулярных связей. Распад молекулы сопровождается освобождением энергии химических связей. Которая поддерживает процессы горения.

В процессе горения эта освобождающаяся энергия создает переизбыток свободной энергии во внутреннем пространстве фитиля свечи.

— В том числе и во внутриатомном.

Сила воздействия которого на элементарную частицу материи становится способной ее разорвать. Элементарные частицы атома просто не успевают свернуть дополнительную энергию. Эта волна разрывает двойную структуру из элементарных частиц (структуру «протон-нейтрон»).

При этом: разрыва в месте их объединения в парную структуру произойти не может. Сила притяжения между элементарными частицами в структуре атома чрезвычайно высока и не может разрушиться в результате поступления такого относительно малого количества энергии.

Разрыв происходит в обеих элементарных частицах двойной структуры (или одной – если это одиночная частица). От двойной структуры из элементарных частиц материи отрывается «кончик» легчайших квантов материи. Такие «кончики» и образуют световой поток – поток фотонов света.

Допустим, разрыв произошел одновременно в обеих элементарных частицах парной структуры. Тогда этот оторвавшийся «кончик» состоит из двух точек аннигиляции (точек поглощения энергии).

И является ничем иным, как двумя, четырьмя, шестью, восемью, и так далее — самыми легкими квантами материи – квантами последних порядковых номеров. Мизерной их массой объясняется факт, что эти кванты чрезвычайно быстро набирают скорость света.

фотоны

Такой легкий, летящий со скоростью света фотон, «влетев» в материальное (непрозрачное) тело, почти мгновенно останавливается, и освобождает лишнюю энергию. Но, ввиду сверхлегкой массы кванта, освобождается очень незначительное количество энергии. Которое, например, не вызывает ожогов на теле человека, а лишь слегка разогревает его.

Как ведут себя фотоны с большой массой? «Влетев» в тело человека, и остановившись, фотон освобождает большое количество энергии, пропорциональное своей массе. Такие тяжелые фотоны в теле человека будут вести себя как миниатюрные кипятильники. Белок вокруг них будет коагулировать. И если тяжелых фотонов будет много, то тело как бы сваривается изнутри. Такая картина идеально объясняет картину последствий радиоактивного облучения человека.

Итак, оторвавшиеся кванты материи последних порядковых номеров представляют собой фотоны. Фотоны имеют разную массу. Самые легкие фотоны состоят, вероятно, из двух квантов. Они образуют нижнюю границу корпускулярного излучения. Фотоны, состоящие из 4, 6, 8 … и более квантов, образуют различную степень микро- и инфракрасного излучения. Далее идет нижняя граница цветового спектра. Сначала — различные оттенки красного цвета. Затем — фотоны оранжевой линии спектра, затем остальные: желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Количество квантов материи в них будет возрастать по мере смещения к фиолетовой части спектра. (Далее идут фотоны ультрафиолетового излучения, рентгеновского и гамма — излучения…)

Принцип строения фотонов света:

Преломление света, дифракция, интерференция

Образование цветового спектра после прохождения луча света сквозь стеклянную призму есть результат прохождения потока фотонов света разной массы сквозь область сгущения свободной энергии высокой плотности. Чем, по сути, является прозрачная призма.

Представим себе точку дегиляции (точку освобождения энергии) внутри такой призмы. Эта точка дегиляции создает избыток свободной энергии внутри призмы. Потоки избыточной свободной энергии внутри призмы пойдут во всех направлениях, но наиболее сильные потоки будут направлены в сторону ближайшего края призмы (смотри рисунок). Здесь мы видим проявление основной закономерности диффузии (движения энергии): диффузия свободной энергии, в первую очередь, происходит в направлении значения наименьшей плотности энергии.

А плотность свободной энергии вне призмы намного меньше, чем внутри. Граница призмы является границей между разными величинами плотности свободной энергии: внутри тела и вне его.

Фотон летит со скоростью света. Это значит (очень важный момент!): высокая плотность свободной энергии межмолекулярного и межатомного пространства призмы не может вызвать процессы аннигиляции (поглощения энергии) этим фотоном. И вызывает не увеличение скорости фотона, а его торможение .

Попадая внутрь физического тела, фотон попадает внутрь сгущения материи высокой плотности. Где:

В результате, фотон попадает под действие двух сил:

Степень отклонения фотона от траектории прямолинейного движения зависит от его массы: более массивные фотоны отклоняются меньше, менее массивные фотоны – отклоняются больше. Таким образом, фотоны разной массы, летящие с равной скоростью, попадая внутрь стеклянной призмы, отклоняются в ней на разные углы.

При выходе из призмы такой разложенный, по массе, поток фотонов и будет представлять собой цветовой спектр.

Вернемся к «железным» доводам противников корпускулярной теории света.

Таким образом, поток фотонов в непосредственной близости от физического тела попадает под действие импульсов сил его притяжения. Которые отклоняют этот поток также импульсами, в соответствии со своей частотой. Вот и получаем чередующиеся светлые и темные полосы на экране – типичную картину интерференции.

Поляризация света, явление поляроида объясняются все теми же закономерностями. Кристаллы турмалина обладают конкретными, характерными только для него, волновыми характеристиками. Которые, в известном эксперименте, и вызывают эффект поляроида при прохождении сквозь них светового потока.

Подведем некоторый итог. Схожие с волновыми, свойства явления «свет» объясняются рядом факторов:

Двухщелевой эксперимент Юнга

С позиции всего вышесказанного мы можем легко объяснить и результаты знаменитого двухщелевого эксперимента Юнга. Рассмотрим эксперимент, как описывает Р. Фейман в своих лекциях.

Фейман проводит сравнение электронной пушки с пулемётом. Разница только в том, что электронная пушка «стреляет» электронами, а пулемёт — свинцовыми пулями.

В этом эксперименте электронная пушка (пулемёт) «стреляет» сквозь две щели, расположенные в непрозрачном (пуленепробиваемом) экране. В результате, на другом экране — детекторе электронов, расположенном позади щелей, наблюдается типичная интерференционная картина (решётка из полос). Но не две полосы, как если бы сквозь эти щели пролетали бы пули от пулемёта.

— Бред, с позиции здравого смысла.

— Но этот бред общепринят в науке как истина.

Квантовая механика не знает или не учитывает двух досточно очевидных вещей:

Свинцовые пули от пулемёта, пролетая сквозь щели экрана, попадают под действие гравитационных волн от краёв щелей. Но эти волны для них — что чих комара для паровоза. Свинцовые пули, видимо,никак никак не реагируют на волны гравитации от краёв щелей — слишком велика их масса.

Иное дело — электроны. Их масса очень мала. И гравитационные волны краёв щелей оказывают на них заметное влияние. И наш электрон отклонится в зависимости от того, вблизи какого края щели пролетел электрон, и в какую фазу притяжения — непритяжения гравитационной волны он попал. В результате и получаем на экране — детекторе типичную интерференционную решётку.

Таким образом, двухщелевой эксперимент Юнга, являющийся «краеугольным камнем» квантовой физики, имеет иное, нежели принятое наукой, вполне логичное здравое объяснение. И никакой «суперпозиции» электронов здесь нет. Электрон — он и «в Африке» электрон. Он омеет вполне чёткие определённые характеристики электрона и до того, как пролететь сквозь щели экрана и после, как попасть на экран детектора.

Источник