I principi di Huygens-Fresnel: interferenza, diffrazione, polarizzazione della luce

I principi di Huygens-Fresnel divennero la base della teoria delle particelle d'onda della luce. All'inizio del XIX secolo, Christiaan Huygens, facendo esperimenti sulle onde luminose, suggerì che ci sono particelle che sono portatrici di "energia luminosa". Questo processo gli è stato presentato come un trasferimento sequenziale di energia da un corpuscolo all'altro attraverso le collisioni. Gli scienziati che hanno sostenuto questa teoria, hanno sostenuto che la luce muove l'etere, un mezzo con proprietà fisiche speciali che consentono alle particelle di non perdere energia durante lo spostamento. Questo etere permea l'intero spazio circostante e passa anche attraverso gli oggetti, permettendo alle onde luminose di diffondersi in tutte le direzioni.

Fondamenti di teoria

Ciò su cui si basavano i principi di Huygens-Fresnel può essere formulato come segue: la propagazione della luce sta nel fatto che l'eccitazione luminosa proveniente da una sorgente luminosa viene trasmessa ai punti vicini nello spazio, che generano onde luminose secondarie e le trasmettono ai punti vicini. I campi di propagazione delle onde secondarie dai punti vicini sono sovrapposti l'uno sull'altro, amplificando o sbiadendo. Questa teoria è confermata dalla diffrazione, dall'interferenza, dalla dispersione e dalla riflessione, che saranno discussi in maggior dettaglio di seguito.

interferenza

Quando due onde luminose si sovrappongono, possono agire come un fattore di amplificazione o indebolire le oscillazioni l'una dell'altra. La scoperta di questo fenomeno avvenne diciassette anni prima della formulazione del principio di Huygens, nel 1801 da Thomas Jung, un inglese, un medico addestrato. Lo scienziato notò che se due fori molto piccoli venivano perforati l'uno accanto all'altro sul cartone e lo schermo era posto sul percorso di un fascio stretto di onde luminose, ad esempio, una fessura nella tenda, allora ci sarebbero diversi anelli chiari e scuri sulla parete dietro lo schermo invece dei previsti due punti luce. Affinché l'esperienza abbia successo, è necessaria una sola condizione - le onde luminose devono essere abbinate nelle loro oscillazioni.

diffrazione

L'onda luminosa, che passa attraverso aerosol, liquidi o solidi, può deviare dall'asse rettilineo del movimento. Questo fenomeno è chiamato diffrazione. Viene utilizzato nei dispositivi ottici per ottenere un'immagine nitida anche degli oggetti più piccoli o degli oggetti a una distanza considerevole.

Contemporaneamente con Huygens, nel 1818, Fresnel fece una presentazione del rapporto di diffrazione alla Società Scientifica di Parigi. La sua esperienza e i calcoli teorici sono stati approvati, e uno dei membri della Commissione, il fisico Poisson, ha concluso sulla base di questa teoria che se si pone un ostacolo tondo opaco sulla via dei raggi defraestrati, allora un punto luminoso si rifletterà sullo schermo, non sull'ombra dell'oggetto. Successivamente questa ipotesi fu verificata empiricamente dal fisico D.F. Arago. Diffrazione della luce (il principio Huygens-Fresnel) è stato confermato attraverso ciò che sembrava contraddire l'ipotesi. La teoria ondulatoria della luce ha preso il suo posto tra gli altri postulati verificati della fisica.

dispersione

Oltre alla diffrazione e all'interferenza, i principi di Huygens-Fresnel includono il fenomeno della dispersione. In effetti, è la decomposizione di un raggio di luce in singole onde dopo aver attraversato un aerosol, liquido o solido. Questo fenomeno è stato ancora scoperto Isaac Newton durante gli esperimenti con il prisma. La scissione della luce può essere spiegata dal fatto che il raggio bianco è costituito da onde luminose di diverse lunghezze. Passando attraverso un ostacolo, la luce viene riflessa ad angoli diversi, poiché il coefficiente di riflessione dipende direttamente dalla lunghezza d'onda. Per questo motivo, onde della stessa lunghezza formano fasci separati, che percepiamo in uno spettro cromatico diverso: dal rosso al viola.

polarizzazione

È abbastanza difficile spiegare questo principio fisico. Per maggiore chiarezza, puoi usare l'esperienza del passaggio della luce tra i due prismi. L'essenza di ciò è che se i corpi trasparenti solidi sono ugualmente orientati, la luce li attraversa senza perdere la sua luminosità, ma se li si mettono perpendicolari l'uno all'altro, allora il raggio non passerà. Ciò è dovuto al modello direzionale delle onde luminose. Se coincide con il piano su cui si trova il cristallo, allora non c'è attenuazione, e se non lo fa, allora il raggio di luce diventa meno luminoso o non passa affatto attraverso l'oggetto, in considerazione del fatto che alcune delle onde si estinguono.

riflessione

Se un corpo solido o liquido appare sulla traiettoria di un'onda luminosa, allora viene completamente o parzialmente riflesso da essa. Quindi, possiamo vedere gli oggetti intorno a noi. Quando l'onda luminosa raggiunge l'interfaccia del supporto (ad esempio gas / liquido o gas / solido), viene riflessa completamente o parzialmente. L'angolo che si forma tra un raggio di luce e una perpendicolare che è pubescente sulla superficie (confine di fase) è chiamato l'angolo di incidenza e l'angolo tra il raggio perpendicolare e il raggio riflesso è l'angolo di riflessione.

Le leggi della riflessione:

1. I raggi incidente e riflesso e perpendicolare esistono nello stesso piano.
2. L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione.
3. Il corso dei raggi di luce è reversibile.

Riflessione diffusa e speculare

A seconda del tipo di superficie da cui viene riflesso il raggio, è possibile distinguere riflessioni speculari e diffuse. Lo specchio è il riflesso che si osserva da una superficie molto liscia, quando le irregolarità non superano la lunghezza d'onda. Quindi il raggio riflesso sarà parallelo all'incidente. Si trova in specchi, vetro, metallo lucido. Se le irregolarità della superficie sono maggiori della lunghezza d'onda della luce, i raggi riflessi sono diretti a diversi angoli rispetto all'angolo di incidenza. È per questo che possiamo vedere gli oggetti che non sono fonti di luce stesse. Per la prima volta, arrivare a questa conclusione ha aiutato il principio di Huygens. La legge di riflessione della luce ha ricevuto una giustificazione matematica e pratica, basata su concetti già noti di interferenza e diffrazione.

Applicazione pratica

I principi di Huygens-Fresnel formarono la base per la progettazione di dispositivi ottici, e divennero anche la base della teoria delle particelle d'onda della luce. L'inglese D. Tabor, il premio Nobel per la fisica, usando questa legge, inventò l'olografia. Sebbene la sua attuazione pratica sia diventata possibile solo con l'introduzione nell'uso massiccio di sorgenti luminose intense strettamente focalizzate - i laser. In effetti, un ologramma è un'immagine di interferenza, catturata su una lastra fotografica, formata da onde luminose, che si rafforzano e si indeboliscono a vicenda, riflettendo dall'oggetto a diverse angolazioni.

La tecnica di acquisizione di un'immagine tridimensionale viene utilizzata nel campo della memorizzazione delle informazioni, poiché una quantità maggiore di dati viene posizionata su una piccola superficie di un ologramma rispetto alle microfotografie. Come esempio illustrativo, si può citare la posizione di un dizionario enciclopedico di milletrecento pagine su un piatto fotografico di 3x3 cm.

Si stanno sviluppando dispositivi come un microscopio elettronico olografico, che consente di creare immagini tridimensionali delle più piccole unità strutturali della materia vivente, oltre a cinema e televisione olografica, le cui prime versioni sono rappresentazioni di film in 3D.