Свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, что находится в полном соответствии с выводами материалистической диалектики.

Когерентность и монохроматичность световых волн. Интерференцию света можно объяснить рассматривая интерференцию волн. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность, т. е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны - неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Так как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентны. Поэтому на опыте не наблюдается интерференция света от независимых источников, например от двух электрических лампочек.

Понять физическую причину немонохроматичности, а следовательно, и некогерентности волн, испускаемых двумя независимыми источниками света, можно исходя из самого механизма испускания света атомами. В двух самостоятельных источниках света атомы излучают независимо друг от друга. В каждом из таких атомов процесс излучения конечен и длится очень короткое время (t 10^-8 с). За это время возбужденный атом возвращается в нормальное состояние и излучение им света прекращается. Возбудившись вновь, атом снова начинает испускать световые волны, но уже с новой начальной фазой. Так как разность фаз между излучением двух таких независимых атомов изменяется при каждом новом акте испускания, то волны, спонтанно излучаемые атомами любого источника света, некогерентны. Таким образом, волны, испускаемые атомами, лишь в течение интервала времени 10^-8 с имеют приблизительно постоянные амплитуду и фазу колебаний, тогда как за больший промежуток времени и амплитуда, и фаза изменяются. Прерывистое излучение света атомами в виде отдельных коротких импульсов называется волновым цугом.

Интерференция света. Предположим, что две монохроматические световые волны, накладываясь друг на друга, возбуждают в определенной точке пространства колебания одинакового направления: и . Под х понимают напряженность электрического Е или магнитного Н полей волны; векторы Е и Н колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Напряженности электрического и магнитного полей подчиняются принципу суперпозиции. Амплитуда результирующего колебания в данной точке. Так как волны когерентны, то cos (j₂-j₁) имеет постоянное во времени (но свое для каждой точки пространства) значение, поэтому интенсивность результирующей волны (I ~ A ²)

В точках пространства, где cos(j₂-j₁)>0, интенсивность I > I ₁+ I ₂, где cos(j₂-j₁)<0, интенсивность I < I ₁+ I ₂. Следовательно, при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией света.

Как можно создать условия, необходимые для возникновения интерференции световых волн? Для получения когерентных световых волн применяют метод разделения волны, излучаемой одним источником, на две части, которые после прохождения разных оптических путей накладываются друг на друга и наблюдается интерференционная картина.

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в определенной точке О. До точки М, в которой наблюдается интерференционная картина, одна волна в среде с показателем преломления п ₁прошла путь s ₁, вторая - в среде с по­казателем преломления п ₂ - путь s ₂. Если в точке О фаза колебаний равна w t, то в точке М первая волна возбудит колеба­ние А ₁cosw(t - s ₁/ v ₁), вторая волна - колебание А ₂cosw(t - s ₂/ v ₂), где v ₁ =с/п ₁, v ₂ =с/п ₂ - соответственно фазовая скорость первой и второй волны. Разность фаз колебаний, возбуждаемых волнами в точке М, равна

(учли, что w/ с =2pn/ с =2p/l_о, где l_o - длина волны в вакууме). Произведение геометрической длины s пути световой волны в данной среде на показатель п преломления этой среды называется оптической длиной пути L, a D= L ₂- L ₁ - разность оптических длин проходимых волнами путей - называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме D= ± m l_о (m = 0, 1, 2,..),то d= ±2 m p и колебания, возбуждаемые в точке М обеими волнами, будут происходить в одинаковой фазе. Следовательно, это является условием интерференционного максимума.

Если оптическая разность хода D= ± (2 m+ 1) (m = 0, 1, 2,..), то d=±(2 m +1)p и колебания, возбуждаемые в точке М обеими волнами, будут происходить в противофазе. Следовательно, это является условием интерференционного минимума.

Интерференция света в тонких пленках. В природе часто можно наблюдать радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах), возникающее в результате интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки.

Пусть на плоскопараллельную прозрачную пленку с показателем преломления п и толщиной d под углом i (рис.249) падает плоская монохроматическая волна (для простоты рассмотрим один луч). На поверхности пленки в точке О луч разделится на два: частично отразится от верхней поверхности пленки, а частично преломится. Преломленный луч, дойдя до точки С, частично преломится в воздух (n _о=1), а частично отразится и пойдет к точке В. Здесь он опять частично отразится (этот ход луча в дальнейшем из-за малой интенсивности не рассматриваем) и преломится, выходя в воздух под углом i. Вышедшие из пленки лучи 1 и 2 когерентны. Если на их пути поставить собирающую линзу, то они сойдутся в одной из точек Р фокальной плоскости линзы и дадут интерференционную картину, которая определяется оптической разностью хода между интерферирующими лучами.

Оптическая разность хода, возникающая между двумя интерферирующими лучами от точки О до плоскости АВ, D= n (ОС + СВ)-(ОА ±l_о/2), где показатель преломления окружающей пленку среды принят равным 1, а член ±l_о/2 обусловлен потерей полуволны при отражении света от границы раздела. Если n > n _о, то потеря полуволны произойдет в точке О и вышеупомянутый член будет иметь знак минус, если же п<п _о, то потеря полуволны произойдет в точке С и l_о/2 будет иметь знак плюс. Согласно рис.249, OC=CB=d/ cos r, OA = OB sin i =2 d tg r sin i. Учитывая для данного случая закон преломления sin i = п sin r, получим

С учетом потери полуволны для оптической разности хода получим

Для случая, изображенного на рис. 249 (п>п _о),

В точке Р будет максимум, если

и минимум, если

Полосы равного наклона (интерференция от плоскопараллельной пластинки). Из выше сказанного следует, что интерференционная картина в плоскопараллельных пластинках (пленках) определяется величинами l_о, d, п и i. Для данных l_о, d и п каждому наклону i лучей соответствует своя интерференционная полоса. Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами, называются полосами равного наклона.

Лучи 1 ' и 1 ", отразившиеся от верхней и нижней граней пластинки (рис.250), параллельны друг другу, так как пластинка плоскопараллельна. Следовательно, интерферирующие лучи 1 ' и 1 " «пересекаются» только в бесконечности, поэтому говорят, что полосы равного наклона локализованы в бесконечности. Для их наблюдения используют собирающую линзу и экран (Э), расположенный в фокальной плоскости линзы. Параллельные лучи 1 ' и 1 " соберутся в фокусе F линзы (на рис.250 ее оптическая ось параллельна лучам 1 ' и 1 "), в эту же точку придут и другие лучи (на рис.250 - луч 2), параллельные лучу 1, в результате чего увеличивается общая интенсивность. Лучи 3,наклоненные под другим углом, соберутся в другой точке Р фокальной плоскости линзы. Если оптическая ось линзы перпендикулярна поверхности пластинки, то полосы равного наклона будут иметь вид концентрических колец с центром в фокусе линзы.

Полосы равной толщины (интерференция от пластинки переменной толщины). Пусть на клин (угол a между боковыми гранями мал) падает плоская волна, направление распространения которой совпадает с параллельными лучами 1 и 2 (рис.251). Из всех лучей, на которые разделяется падающий луч 1, рассмотрим лучи 1 ' и 1 ", отразившиеся от верхней и нижней поверхностей клина. При определенном взаимном положении клина и линзы лучи 1 ' и 1 " пересекутся в некоторой точке А, являющейся изображением точки В. Так как лучи 1 ' и 1 " когерентны, они будут интерферировать. Оптическая разность хода уже определяется толщиной d'. Таким образом, на экране возникает система интерференционных полос. Каждая из полос возникает за счет отражения от мест пластинки, имеющих одинаковую толщину (в общем случае толщина пластинки может изменяться произвольно). Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины, называются полосами равной толщины. Так как верхняя и нижняя грани клина не параллельны между собой, то лучи 1 ' и 1 " (2' и 2";) пересекаются вблизи пластинки, в изображенном на рис. 251 случае - над ней. Таким образом, полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности клина.