МАЗМҰНЫ

 

КІРІСПЕ

 

І ЖАРЫҚТЫҢ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯСЫ

• Тербелістер мен толқындардың когеренттігі және интерференция

1.2. Жарық интерференциясын бақылау  әдістері

1.3.  Толқындық шепті бөлу арқылы когерентті шоқтарды алу әдістері

1.4 Интерференциялық жолақтардың ені

1.5 Жарық көзі мөлшерінің интерференциялық көрініс сапасына әсері

1.6  Жарықтың монохроматты болмауының интерференцияға әсері

1.7 Оптикалық жол ұзындығы

1.8  Амплитуданы бөлу арқылы оптикада когерентті шоқтарды алу амалдары

1.9  Жұқа пленкалардың түстері

1.10 Бірдей қалыңдық жолақтары

1.11  Бірдей көлбеулік жолақтары

 

ІІ  ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ҚҰБЫЛЫСЫНЫҢ ЗЕРТТЕУЛЕРДЕ ҚОЛДАНЫЛУЫ

2.1 Интерференциялық аспаптар

2.2  Екі сәулелік интерферометрлер

 

ІІІ ЖАРЫҚ ТАБИҒАТЫ ЖӨНІНДЕГІ КӨЗҚАРАСТЫҢ ДАМУ ТАРИХЫ

3.1  Даму тарихы туралы қысқаша шолу

3.2 Жарықтың толқындық теориясының шығуы

3.3 Жарықтың корпускулалық теориясының шығуы

3.4 Жарықтың толқындық теориясының қайта дамуы, оның электромагниттік табиғатының бекуі

3.5 Жарықтың кванттық теориясының шығуы

 

ҚОРЫТЫНДЫ

ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КІРІСПЕ

 

Қазіргі заманғы ғылыми-техникалық прогресті үздіксіз дамытып отыруда, оптика-механикалық прибор құрылысының маңызы өте зор. Өйткені, металлургияның, машина жасау саласының, химияның, геологияның, геодезияның, медицинаның, космонавтиканың оптика-механикалық аспаптарды қолданбайынша қарқынды өркендеуі мүмкін емес.

Жұмыстың өзектілігі: Оптиканы оқыту – физика ғылымының негіздері – эксперименттік фактлерді, заңдарды, теорияларды және олардың практикалық қолданылуын, аспаптар мен құрал жабдықтарды пайдалана білу, өлшеу нәтижелерін дұрыс ала білуге үйрету. Оптикада жарық пен рентген сәулелерінің табиғаты мен қасиеттері және олардың затқа ететін әсерлері қарастырылады.

Жарық – табиғаттың, өмірдің, өндірістің, техниканың ең басты факторы. Олай болса, материяның айрықша формасы – жарық туралы оқушылардың бойында диалектикалық материалистік көзқарасты қалыптастыру – оптиканы оқытудың басты қажеттілігі болып табылады.

Жұмыстың мақсаты: Жарықтың толқындық қасиетін оқыту барысында табиғаты әр түрлі тербелістер мен толқындар туралы оқушылардың түсініктері жалпыланып қорытындыланады және олар жарықтың табиғаты жөніндегі көзқарастың дамуымен танысады. Жарықтың кванттық қасиетін оқыту барысында оқушыларда оның фотондар ағыны екендігі көзқарас қалыптасып, оны растайтын фотоэффект, Комптон-эффект, жарықтың қысымы, фотохимиялық реакция сияқты құбылыстармен танысады.

Жарық жөніндегі ілімнің даму тарихы оқушыларға таным процесінің шексіз екендігін және оның диалектикалық сипатын толық ашып көрсетуге көмегін тигізеді.

Бұл жұмыста жарықтың қасиеттерін жеткілікті жоғары дәрежеде оқыту барысында оқушылар толқындық-корпускулалық дуализмдік қасиет тек фотондарға ғана емес, барлық бөлшектерге тән қасиет екендігін дұрыс ұғына білетіндігі қарастырылады.

І ЖАРЫҚТЫҢ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯСЫ

 

1.1. Тербелістер мен толқындардың когеренттігі  және интерференция

 

Күнделікті тәжірибеден жақсы белгілі нәрсе, екі жарық көзінің бақылау жүргізілетін қалқаның (экранның) кез-келген нүктесін жарықтандыруы әрбір жарық көзінің жеке жарықтандыруларының қосындысына тең болатындығы. Осы эмпирикалық заң (фотометриялық қосылу заңы) аумақты жарық көзінің әртүрлі бөліктері шығаратын жарығына да қолданылады.

Суперпозиция принципіне сәйкес бір толқынның жарық векторы басқа толқынның жарық векторымен ешқандай өзгеріске ұшырамай-ақ қосылады. Осының нәтижесінде амплитудасы қосылатын толқындардың амплитудалары қосындысына тең толқын алынуы мүмкін. Ал толқын энергиясы амплитуданың квадратына пропорционал болатындықтан, қорытқы толқын энергиясы, жалпы алғанда, қосылатын толқындардың энергиялары қосындысына тең болмайды; өйткені бірнеше шамалардың қосындысының квадраты бұлардың квадраттарының қосындысына тең болмайды. Сонымен тәжірибе деректері бір қарағанда жарық жайындағы толқындық түсініктермен қайшы келетін сияқты. Бұдан басқа, бірқатар бұрыннан белгілі оптикалық құбылыстарда жарықталудың кезектесіп келетін максимум мен минимумдар, максимум және минимум жарықталулардың кезектесуі, яғни кеңістікте жарық энергиясы ағынының қайта үлестірілуі байқалады. Екі жарық шоғы қосылып қараңғылық туғыза алады. 1801 ж. ашылған (Юнг) осы ғажайып құбылыс жарықтың интерференциясы деп аталады. Осындай құбылыстар геометриялық оптика шеңберінде түсіндірілмейді. Жарықты толқын деп қарастырғанда ғана интерференцияны сәтті түсіндіруге болады. Осылай, жарықтың электромагниттік табиғаты ашылудан көп бұрын жарықтың толқын екендігі тағайындалды.

Әрине, осы аталған деректердің бәрі қандай да бір жалпы теориялық түсініктер тұрғысынан түсіндірілуі тиіс, яғни теория интерференциялық жолақтардың алынуы үшін қандай шарттардың орындалуы қажет екендігін көрсетуі, неліктен әдеттегі жарықтандыру жағдайында интерференциялық жолақтардың байқалмайтындығын түсіндіруі тиіс.

Периодтары бірдей бір бағытта тербелетін екі гармоникалық тербеліс

 

                              ;                   (1)

 

қосылған кезде қайтадан гармоникалық тербеліс

 

                                                                     (2)

 

алынады; мұндағы -оның амплитудасы:

 

                                                          (3)

 

(3) өрнегінен қорытқы тербеліс амплитудасының квадраты қосылатын тербелістердің амплитудалары квадраттарының қосындысына тең емес, яғни қосынды тербеліс энергиясы жеке тербеліс энергияларының қосындысына тең болмайтындығы келіп шығады. Қосылу нәтижесі бастапқы тербелістердің фазалары () айырымына тәуелді болады.

Ескеретін нәрсе, таза гармоникалық тербелістер, яғни амплитудасы өзгермейтін шексіз ұзақ созылатын тербелістер болмайтындығы белгілі. Кез-келген нақты тербеліс белгілі уақытқа созылады, бұдан кейін оның үзілуі мүмкін, содан қайтадан, бірақ басқа фазада пайда болуы, тағы да үзілуі мүмкін т.т. Осы жағдайда амплитуда квадратына пропорционал қорытқы интенсивтік те уақытқа байланысты өзгеретін болады, және де осы өзгерістер өте тез өтеді болады. Интенсивтіктің тез өзгерісін сезетіндей қабылдағыштың болмауынан біз интенсивтіктің қайсыбір орташа мәнін тіркеуге мәжбүр боламыз; бұл айнымалы токпен қоректенетін электр лампысының жарықтылығындағы тербелістерді ілесе алмай қайсыбір тұрақты жарықтылықты тіркейтін көзге ұқсас.

Қорытқы тербеліс интенсивтігінің қайсыбір  уақыт аралығындағы орташа мәнін есептейік:

мұндағы . Егер  бақылау уақыты ішінде  өзгеріссіз қалатын болса (бұл уақыт қабылдағыш аспаптың инерттігіне сәйкес таңдалып алыну тиіс), онда

,

демек , яғни .

Егер тербелістер кездейсоқ үзілетін болса, немесе орташалау уақыты ішінде бұлардың фазалары бейберекет өзгеретін болса, онда

,

сонда , яғни  болады.

Сонымен периодтары бірдей екі тербеліс қосылғанда мынадай екі жағдай байқалады:

• бақылау үшін жеткілікті уақыты ішінде екі тербелістің фазалар айырымы тұрақты болып қалады (). Мұндай тербелістер когерентті деп аталады. Когерентті тербелістер қосылғанда қорытқы тербеліс интенсивтігі бастапқы тербелістердің интенсивтіктері қосындысынан өзгеше болады. Бұл құбылыс тербелістердің интерференциясы деп аталады;
• уақыт ішінде фазалар айырымы бейберекет түрде өзгереді. Мұндай тербелістер когерентті болмайды да тербелістердің қорытқы интенсивтігі бастапқы тербелістердің интенсивтерінің қосындысына тең болады. Когерентті емес тербелістер қосылғанда интерференция байқалмайды.

Қосылатын тербеліс саны көп болғанда қорытқы амплитуда былай анықталады

                                              (4)

Когерентті тербелістер үшін фазалардың айырмалары берілген нүктеде нақты және тұрақты мәнге ие болады да (4) өрнекке сәйкес қосынды интенсивтік жеке тербелістердің интенсивтіктерінің  қосындысынан үлкен де, кіші де бола алады. Амплитудалар  бірдей болған жағдайда барлық тербелістер бірдей фазада келетін нүктелердегі интенсивтік

 болады,

яғни интенсивтіктің шұғыл өсуі (есе) байқалады. Басқа нүктелерде интенсивтіктер өзара бірін-бірі өшіреді. Интерференция салдарынан кеңістікте тербелістердің интенсивтігі (энергиясы) қайта үлестіріледі.

Егер тербелістер когерентті болмаса, яғни бір-бірінен тәуелсіз өтетін болса, онда бұлардың фазалары 0-ден -ге дейінгі кездейсоқ мәндер қабылдайды, ал  бірдей ықтималдықпен оң да, теріс те (+1-ден –1-ге дейінгі) мәндер қабылдайды. Осы жағдайда (4) өрнегіндегі екінші қосындының орташа мәні нөлге тең болады. Сондықтан интенсивтіктің орташа мәні үшін мынаны жазуға болады

,

яғни қорытқы интенсивтік жеке тербеліс интенсивтерінің қосындысына тең болады.

Сонымен, кез-келген екі гармоникалық тербеліс әрқашан когерентті. Гармоникалық тербелістер интерференциялануға қабылетті монохромат толқындарды туғызады. Толқын ұзындықтары бірдей толқындардың интерференциялану шарты-бұлардың когеренттігі, яғни бақылау үшін жеткілікті уақыт ішінде фазалар айырымының өзгеріссіз сақталуы болып табылады.

 Ескеретін нәрсе, “когерентті” және “когерентті емес” терминдері іс жүзінде ешқашан іске аспайтын идеал (мінсіз) күйлерді бейнелейді. Жиіліктері бірдей монохромат толқындар, яғни толқындардың шексіз ұзын цугтары ғана анық когерентті болады. Бейкогеренттік, яғни фазалардың статистикалық мағынада тіптен қалай болса солай өзгеруі де сирек кездеседі: екі жарық шоғы шын мәнінде тәуелсіз болады.

Когерентті толқындардың интерференцияға қабылетті болуы осы толқындар жететін кез-келген нүктеде когеренттік тербелістердің іске асатындығын көрсетеді. Егер толқындардың бағдары мен поляризациясы тербелістер өзара бағыттас болатындай болса, онда толқындар интерференцияланатын болады. Интерференция нәтижесі бақылау жүргізілетін орындағы интерференцияланушы толқындардың фазалар айырымымен анықталады. Фазалардың осы айырымы толқындардың бастапқы фазалар айырымына, және де толқындардың жарық көздерінен бақылау нүктесіне дейінгі жүрген жол айырымына тәуелді болады.

 және  әрқайсысы монохромат толқын шығаратын жарық көзі болсын (1-сурет). Толқындар жазық және  қалқадағы (экрандағы)  бақылау нүктесінде бұлардың амплитудалары бірдей деп ұйғарайық. Сонда бірінші және екінші толқындардың нүктесінде туғызатын тербелістері мына түрде өрнектеледі

 

 

 және , мұндағы ; -бастапқы фазалар айырымы.

  нүктесіндегі қорытқы тербеліс мына түрде болады

 

                            (5)

мұндағы

 

қорытқы тербеліс амплитудасы.

Бақылау нүктесіндегі тербеліс интенсивтігі амплитуда квадратына пропорционал

                                               (6)

 

Когерент толқындар үшін  тұрақты, демек, нүктесіндегі жарық интенсивтігі  қашықтықтарының айырымына ғана тәуелді; -шамасы жол айырымы деп аталады. Жол айырымы болуы себепті, осы екі толқынның бастапқы фазалары бірдей болған жағдайда да, осы толқындар кездесетін (түйісетін) нүктеде бұлардың туғызатын тербелістерінің фазалар айырымы болады.

Жол айырымы себепші болатын фазалар айырымы мынаған тең

                     .                                      (7)

 

(7) өрнегін зерттеу арқылы жол айырымы мәндері қандай болғанда максимум және минимум интенсивтік байқалатындығын табамыз. Егер бастапқы фазалар бірдей болса (),  болған жағдайда тербелістер фазалары бойынша дәл келеді де интенсивтік  максимум мәніне  жетеді.  болған жағдайда, тербелістер қарама-қарсы фазада болады да қорытқы интенсивтік минимум болады: .  саны интерференция реті деп аталады, мәндер қабылдайды.

Бірдей амплитудалармен сипатталатын және  шартын қанағаттандыратын кеңістік нүктелерінің геометриялық орны  осі бар айналу гиперболоидының бетін береді (1-сурет).  және  нүктелері оның фокустары болады. Айналу гиперболоидтарының біреуінің сурет жазықтығымен қимасы пунктирмен көрсетілген.  сызығымен кескінделген ортаңғы жазықтық интенсивтігі максимум жазықтықты сипаттайды.

Интенсивтіктің осы баяндалған үлестірілуі бастапқы фазалар айырымы нөлге тең екі когерент толқынның интерференциясы нәтижесінде алынған интерференциялық көрінісі (суреті) болып табылады.

Когерент емес толқындар үшін әрбір  мәніне өзінің интерференциялық суреті сәйкес келеді және ол уақыттың өтуіне байланысты басқа суретке алмасады. Егер осындай алмасу жеткілікті тез өтетін болса, онда біз лездік интерференциялық суреттерді бақылай алмаймыз да, интенсивтіктің біркелкі үлестірілуіне сәйкес келетін қайсыбір орташаланған күйді қабылдайтын боламыз

 

1.2. Жарық интерференциясын бақылау  әдістері

 

Егер тәуелсіз екі жарық көзі немесе жарық шығарып тұрған дененің әртүрлі екі бөлігі кеңістіктің бір аймағына жарық толқындарын жіберетін болса, онда интерференция байқалмайды. Интерференциялық суреттің болмауы жарық көздері когерент емес толқындарды жіберетіндігін ғана көрсетуі мүмкін. Бұл жарық көздері шығаратын жарықтың монохромат еместігімен пара-пар, өйткені екі монохромат толқын әрқашан когерентті.

Жарық толқындарының монохромат еместігінің (когерент еместігін) физикалық себебі атомдық процестердің өту ерекшелігіне байланысты. Жарық шығарып тұрған дененің сәулесі зат құрамына кіретін атомдар шығаратын толқындардан құралады. Тәуелсіз екі жарық көзінде біз әрқашан атомдардың бір-бірімен байланыспаған сәуле шығаруымен істес боламыз. Жеке атомның сәуле шығару процесі өте қысқа уақытқа созылады (), бұдан кейін ол сәуле шығару түріндегі энергия шығыны салдарынан да, қоршаған атомдармен әсерлесуі нәтижесінде де үзіледі.  уақыты ішінде атом белгілі ұзындығы бар толқын цугын шығарып үлгереді. Мәселен, жарық жиілігі  болған жағдайда осындай цуг  толқын ұзындығын қамтиды, яғни осындай цугтың монохроматтығы өте жоғары болады. Сәуле шығаруы тоқтағаннан кейін атомның сәуле шығаруы қайтадан басталуы мүмкін, бірақ та толқындардың жаңа цугының фазасы оның алдындағы цуг фазасымен байланысы болмайды. Сондықтан осындай тәуелсіз екі атомның сәулелері фазаларының айырымы әрқашан сәуле шығарудың жаңа актысы басталған кезде өзгеретін болады.

Сонымен, жарық көзінде өтетін бірқатар физикалық процестер шығарылатын толқынның фазасы мен амплитудасын тұрақты деп санауға болатын ең кіші уақыт аралығын анықтайды. Осы уақыт аралығы когеренттік уақыты () деп аталады, ол шамамен  деп бағаланады. Когеренттік уақытын білу арқылы өте маңызды басқа физикалық шаманы-когеренттік ұзындығын бағалауға болады; ол-толқынның фазасы мен амплитудасы орташа алғанда тұрақты болып қалатын уақыт ішінде толқынның таралатын   қашықтығы.

Сірә, -тің қабылданған бағалануы жағдайында оптикадағы когеренттік ұзындығы 3-30 см болады. Кейбір дербес жағдайларда  толқын цугы ұзындығымен () дәл келуі мүмкін.

Осы айтылғандардан кәдімгі жарық көздері көмегімен интерференцияны алудың мүмкін еместігі жайында қорытынды жасауға болады. Осыған байланысты интерференциялық құбылыстар байқалатындай жағдайларды жасауға бола ма, және кәдімгі когерентті емес жарық көздерін пайдаланып өзара когерентті толқындарды алуға бола ма-деген сұрақ өзінен өзі туады. Осы сұраққа жауап беруге тырысайық.

Бір жарық көзі кеңістіктің  және  әртүрлі нүктелерінде туғызатын тербелістерді қарастырайық. Егер тәжірибенің қандай да бір шарттары орындалатын жағдайда осы тербелістер когерентті болып шықса, онда бұларды қайтадан бір нүктеге тоғыстыру амалын табуға болады. Сонда осы нүктеде сірә интерференция байқалуы тиіс.

 

 

           Алдымен нүктелік жарық көзімен, яғни сызықтық мөлшері оның шығаратын жарығының толқын ұзындығынан едәуір кіші болатын жарық көзін пайдаланамыз. Осы шектеудің ендірілуі сәуле шығарушы екі атом үшін қосымша жол айырымын ескермеуге мүмкіндік береді де, кез-келген нүкте үшін  деп алуға болады. Зерттелетін сәулені бір атомның шығаратын сәулесімен пара-пар, бірақ толқын фазасы мен амплитудасы когеренттік уақыты ішінде ғана тұрақты деп санауға болады.

   Нүктелік көзді  нүктесіне орналастырамыз,  және  нүктелеріне дейінгі қашықтықтарды  және  арқылы белгілейміз (2-сурет). Мұнда бірнеше жағдай болуы мүмкін:

1)  және  нүктелері нүктелік көзден бірдей () қашықтықта орналасады. Бұл нүктелер бір цуг аумағында болады, яғни бұлардағы тербелістер әрқашан когерентті.

2)  және  екі нүктенің орналасуындағы айырмашылық  орындалатындай болады. Осындай нүктелер кез-келген уақыт мезетінде әртүрлі толқын цугтарына жататын болады, яғни  бұлардағы тербелістер когерентті емес;

3)  және  нүктелері  болатындай орналасқан. Мұндай тербелістер жарым-жартылай когеренттік деп аталады, бұлар да орнықты интерференциялық суретті бақылауға мүмкіндік береді.

Демек, жарық көзі нүктелік болғанда, жол айрымы когеренттік ұзындығы аумағында жататын жағдайда, интерференцияны бақылауға болады. Бұл әйтеуір бір амалмен толқындардың екі жүйесін алып, бұдан кейін оларды кеңістіктің қандай да бір нүктесіне келтіру қажет екендігін білдіреді. Егер жол айырымы үшін  шарты орындалатын болса, онда интерференция бақылануы тиіс.

Оптикада толқындардың екі жүйесін алу үшін шағылу және сыну заңдарына негізделген әртүрлі қондырғылар қолданылады. Сонда бір жарық көзі орнына екі шын, немесе шын және жорымал немесе екі жорымал жарық көзін алуға болады да осылар арқылы интерференция бақыланады. Осы жарық көздеріндегі айырмашылық мардымсыз, өйткені шын жарық көзінен шығарылған толқын тиісті оптикалық құрылғы көмегімен қайсыбір аймақта интерференцияланатын екі жарық толқынына бөлінеді. Ал жорымал кескіндерді пайдалану интерференцияны бақылауға мүмкіндік беретін сәулелердің қабаттасу аймағын анықтаудың ыңғайлы амалы ғана болады. Интерференция құбылысын бақылауды мүмкін ететін әртүрлі бірнеше сұлба (схема) бар. Бұлардың кейбіреулерін қарастырайық.

 

1.3.  Толқындық шепті бөлу арқылы когерентті шоқтарды алу әдістері

 

Юнг әдісі. Жарықтың интерференция құбылысын бірінші бақылаған және оны дұрыс түсіндірген Т.Юнг болды (1802). Юнг тәжірибесінде (3-сурет) жарық көзі-жарықтандырылған саңылауы, бұдан шыққан жарық толқынының әртүрлі бөліктері және  жіңішке саңылауларына түсіп, бұларды жарықтандырады. Жарық және  кіші тесіктерден өтіп, дифракция нәтижесінде бастапқы бағытынан ауытқиды. Сондықтан толқынның екі бөлігі қабаттасады да, интерференцияланады. Юнг тәжірибесінде интерференцияны бақылау үшін саңылаулар ені өте кішкене болуы тиіс. Енінің мөлшері өте кіші болғанда ғана саңылауынан кейін сфераның бөлігі болып табылатын дұрыс толқындық шеп пайда болады. Бұл және  саңылауларындағы тербелістердің фазалары бірдей болуын қамтамасыз етеді. Тәжірибе жүргізгенде  және  арасы 2 м болғанда, саңылауының ені ~0,3 мм, ал және  арасы 1 мм-ден аспауы керек.

 

    Френельдің қос айнасы. Френель когерентті екі жарық көздері ретінде бір жарық көзінің екі жазық айнадағы кескіндерін пайдалануды ұсынды.  және  өте кішкене -бұрышпен көлбете орнатылған жазық айналар, -монохромат жарық көзі; -ден шыққан сәулелер  экранға тікелей түспеуі үшін  қалқа қойылған (4-сурет). және -жарық көзінің жорымал кескіндері. Сонда жазық айналардан шағылған жарық толқындарын осы және  жорымал кескіндерден шыққан деп қарауға болады. Бұлар когерентті жарық толқындары болып табылады. Өйткені олар, дұрысында, бір жарық көзінен шығып, қосайнадан шағылып, екі айрылған жарық толқындары. Бұлар берілген нүктеге әртүрлі жол жүріп келеді. Басқаша айтқанда алынған нүктеге келген толқындардың белгілі жол айырмасы болады. Сондықтан осы толқындар қосылысқан аймақта интерференциялық кескін байқалады. Френель тәжірибесінде жарық көзі айналар құрайтын  қырына  параллель жіңішке саңылау түрінде алынады. Осы интерференциялық максимумдар параллель жолақтар түрінде болады.

Френель қос призмасы. Френель сыну құбылысын пайдаланып та бір жарық көзінен шыққан жарықты екі шоққа айырып когерентті шоқтар алып, олардың интерференциясын бақылады (5-сурет).  жарық көзінен шыққан жарық төбесіндегі бұрышы 180⁰-қа жақын қос призмадан өтеді. Жарық көзі ретінде бипризманың (табандары тиістіріліп орнатылған призмалар) сындыру қырына параллель орнатылған жарықтандырылған тар саңылау алынады Қос призма жарық шоқтарын қарама-қарсы бағытта бұрады, сөйтіп екі жорымал когерентті және  жарық көздері пайда болады. Бұлардан шыққан жарық шоқтары бірімен-бірі қосылысып интерференциялық жолақтар береді.

 

Бийе қос линзасы. Бұл интерференциялық тәжірибе диаметрі бойынша қақ бөлінген линза көмегімен іске асырылады (6-сурет). Линзаның екі жартысы бір-бірінен аздаған шамаға ажыратылады да, бұлардың көмегімен  жарық көзінің және   шын кескіні алынады. Жартылай линзалардың арасындағы қуыс қалқамен жабылады. Интерференциялық көрініс және -ден шығатын жарық шоқтары қабаттасатын аймақта пайда  болады.

Интерференциялық сұлбалардың (схемалардың) кейбір сипаттамаларын енгізейік. Өйткені Бийе тәжірибесінде бұлардың ең маңызды жақтары айқын көрінеді.

 және  жарық көзінен шығатын сәулелер арасындағы  бұрышының максимум мәні  және  шартына сәйкес келеді, яғни  қалқанының шексіздікке орналасуына сәйкес келеді.  апертура шамасы жарықталудың қайта үлестірілуі өтетін интерференциялық жолақтар пайда болатын-интерференция өрісінің бұрыштық мөлшерін анықтайды.

 

-тен экранның орталық нүктесі -ға келетін сәулелер арасындағы  бұрышы  нүктесіндегі интерференциялық эффекті анықтайтын сәулелердің ажыратылу бұрышын сипаттайды. Осы бұрыш интерференциялық өрістің кез-келген басқа нүктесі үшін де сол мәнін сақтайды.  бұрышы интерференция апертурасы деп аталады. Интерференция өрісінде оған сәулелердің  түйісу бұрышы сәйкес келеді, мұның шамасы  бұрышымен кескіндерді тұрғызу ережелерімен байланысқан.

 Ллойд айнасы.  жарық көзінен кіші бұрышпен  жинақсыз жарық шағылдырғыш бетке-жазық металл айнаға түседі (7-сурет). Айна жазықтығына перпендикуляр орнатылған экранда интерференция бақыланады. Осы жағдайда  және оның айнадағы  жорымал кескіні когерентті жарық көздері болады. Металл айнадан шағылғанда толқын фазасы -ге өзгеретіндіктен,  және  синфазалы емес, қарама-қарсы фазаларда болады. Сонымен, Ллойд сұлбасында (схемасында) интерференциялық сурет түгелдей таза геометриялық есептеумен салыстырғанда жарты жолаққа ығысқан болады.

Ллойд тәжірибесінде интерференциялық суреттің айқындығы  қалқадағы бақылау орнына байланысты болады. Осы орын айна жазықтығынан қашықтаған сайын интерференциялық көрініс нашарлай түседі де, кейіннен тіпті жойылады (көрінбей кетеді). 7-суреттен  болатындығы көрінеді, яғни айнадан алыстағанда интерференция апертурасы өседі. Демек, интерференциялық сурет сапасы интерференция апертурасына тәуелді. Интерференция апертурасының  шамасы жарық көзінің мүмкін болатын мөлшерімен тығыз байланысты. Теория және тәжірибе  өскенде айқын интерференциялық сурет байқалатын жарық көзі енінің мүмкін болатын мөлшері кемитіндігін көрсетеді.

 

1.4 Интерференциялық жолақтардың ені

 

Жоғарыда қарастырылған интерференцияны бақылауға арналған схемаларда ортақ белгілер көп. Сондықтан схемалардың негізгі сипаттамаларын және бұлардың интерференциялық суретпен байланысын анықтау үшін қайсыбір жалпы схеманы пайдалануға болады (8-сурет).

және  когерентті екі жарық көзінің кескіндері болсын. және  бұрын қарастырылған әдістердің біреуі арқылы алынуы мүмкін, яғни жарық көзінің екеуі негізгі жарық көзінің шын да, жорымал да кескіндері бола алады. Кез-келген схема жағдайында интерференциялық суретті есептеу үшін және -нің өзара орналасуын және де бұлардың  қалқаға қатысты орнын білу жеткілікті. Егер қалқа мен -ні қосатын сызыққа перпендикуляр орналасқан болса, онда интерференциялық жолақтар концентрлік шеңберлер түрінде болады (айналу гиперболоидтардың қимасы). Қалқа  сызығына параллель орналасқан жағдайда жолақтар гиперболалар түрінде болады; бұлардың нүктелік көз жағдайында (сфералық толқын болғанда)  шарты орындалғанда параллель түзулерден айырмашылығы аз болады. жарық көзі ретінде, жүйенің симметрия жазықтығына параллель, жарықтандырылған саңылауды аламыз (мысалы, Бийе қос линзасының кесік диаметріне, Френель қос айнасының қырына және т.т.).

 

 

 

  Осындай сызықтық жарық көзі жағдайында  қалқадағы интерференциялық сурет саңылауға параллель жолақтар түрінде болады. Осындай орналасудың болуы есепті шешкенде сурет жазықтығын қарастырумен шектелуге мүмкіндік береді (8-сурет). және  когерентті жарық көздерінің ара қашықтығы , -ден экранға дейінгі қашықтық , ал және -ден экранның қандай да бір  нүктесіне дейінгі қашықтықтар тиісінше  және  болсын дейік. Егер және  жарық көздері с0инфазалы () болса, орталық максимум орталық сызықтағы  нүктесінде жатады ().

Қалқадағы нүктесінен  қашықтықта тұрған кез-келген  нүктесіне дейінгі  жол айырымын табайық:

 

Квадраттар айырмасы

 

 

немесе                                      

 

Толқын ұзындықтармен өлшенетін  жол айырымы әрқашан  және -ден едәуір кіші. Сондықтан  деп алуға болады, мұндағы , сонда

                                                                           ( 8)

Тәжірибенің көпшілігінде экранға дейінгі  қашықтық -ге қарағанда көп үлкен, сондықтан  деп санауға болады, сонда

                                                                             (9)

Жарық көздері шығаратын жарық монохроматты, толқын ұзындығы  деп ұйғарайық. Сонда 1-ге сәйкес интенсивтіктің макисмум мәні , ал минимум мәні-. Қалқада максимумдар мен минимумдардың орны  мәнімен анықталатын болады. (2.9) формуласына -ның тиісті мәндерін қойып, мынаны табамыз:

Максимумдар орны  болған жағдайда

Минимумдар орны  болған жағдайда.

Көрші максимумдар немес минимумдардың ара қашықтығы

                                                                                    (10)

жолақтың ені деп аталады. (10) формуладан жолақтар берілген және  мәндері жағдайында жарық көздерінің ара қашықтығы  неғұрлым кіші болса, соншалықты жолақтардың ені үлкенірек болады. Мысалы, =100 см;  болғанда  болады. Мұндай интерференциялық жолақтар жай көзбен жақсы бақыланады.

Интерференция жолағының енін интерференция апертурасымен байланысқан сәулелердің  түйісу бұрышы арқылы өрнектеуге болады. Көп жағдайда  бұрышы кіші болатындықтан, 8-суреті негізінде   немесе  деп жазуға болады. Сонда (10) формуласынан

                                                                      (11)

(10) және (11) формулалары қалқаға дейінгі қашықтыққа тәуелді интерференция жолағының сызықтық ендерінің мәндерін сипаттайды. -ді үлкейткенде жолақ ені шексіздікке дейін өсе алады. Сондықтан жарық көзі орналасқан орыннан байқалатын көрші максимумдар арасындағы бұрыштық қашықтықты сипаттайтын жолақтың бұрыштық енін енгізу қолайлы. Осы анықтамаға сәйкес 

                                                                   (12)

яғни жарық көздерінің  ара қашықтығы неғұрлым кіші болса жолақ ені соғұрлым үлкен (интерференциялық бейне ірірек) болады.

 

 

Қалқаның жарықталуы максимумнан минимумға ауысқанда біртіндеп өзгереді. Жарықталудың (интенсивтіктің) өзгеру заңын (6) және (9) формулаларын пайдаланып алуға болады

                                                (13)

 тригонометриялық формула көмегімен (13) өрнегі былай түрленеді

                                                         (14)

(14) формула қалқадағы жарықталудың  координатына байланысты өзгеруін көрсетеді (9-сурет), яғни қалқада жарықталудың периодты өзгеруі-жарық және қараңғы жолақтардың кезектесуі байқалады.

Бірақта атап өтетін нәрсе, кез-келген интерференциялық тәжірибеде кәдімгі жарық көздерін қолданған жағдайда қалқада болатындай жарықталудың периодтық өзгерісі байқалады. Сондықтан интерференциялық суреттің сапасын бағалау үшін көрімділік функциясы деп аталатын шама енгізіледі

                                                                                    (15)

Көрімділік функциясын табу үшін  және  өлшенеді, бұдан кейін (15) формула бойынша есептелінеді.

Сірә, интерференциялық сурет пайда болмайтын жарық көздері когерентті болмаған жағдайда,  болады, демек, осыдан көрімділік функциясы . Ал когерентті жарық көздері жағдайында қалқада интерференциялық бейне байқалады, мұндағы интенсивтіктің өзгерісі синусоидамен бейнеленеді, яғни  және  болады. Аралық жағдайда да интерференциялық сурет байқалады, бірақ оның сапасы когеренттік жарықтандыруға қарағанда нашарлау болады:  Осындай интерференциялық сурет беретін жарық көздерін толық емес когерентті деп атайды.

Қазіргі кездегі когерентті жарық көзі-лазер. Лазерлер еріксіз сәуле шығару негізінде жұмыс істейді. Осы жағдайда сәуле шығаратын атомдардың бәрінің фаза бойынша қатаң байланысқандығы бұлардың когеренттігіне себепші болады.

Лазерлердің көмегімен интерференция бойынша демонстрациялық тәжірибе қоюға болады. Бұл үшін толқын ұзындығы 632 нм жарық шығаратын  лазері қолданылады. Қарайтылған фотопластинка бетіне жақын орналасқан екі параллель сызық (штрих) (~0,3 мм) жасалады. Бұлар арқылы лазер сәулесін өткізіп қалқада орнықты интерференциялық сурет алынады. Лазер сәулесіне қатысты 30⁰-қа бұрып орнатылған қалқа бетінен 5-6 м қашықтықта лазер орналастырылады. Осы жағдайда интерференциялық жолақ ені ~1 см болады, бұл 20 м қашықтықтан жақсы көрінеді.

 

1.5 Жарық көзі мөлшерінің интерференциялық көрініс сапасына әсері

 

Бір нүктелік көзден шығарылған жарық шоғын екі шоққа бөлуге мүмкіндік беретін құрылғымен пайдаланғанда интерференцияны бақылауға болады. Демек, осындай жағдайларда тәуелсіз екі нүктелік жарық көздері (когерентті емес) екі интерференциялық сурет беретін болады. Егерде оптикалық жүйе көмегімен осы интерференциялық суреттерді кеңістіктің қайсыбір аймағына қосатын болсақ, онда тәжірибе жағдайына байланысты бұлар әртүрлі қорытқы жарықталу беретін болады. Сонда қандай да бір интерференциялық бейне бар () көрінетін жарықталудың орнықты үлестірілуін де, интерференция жоққа пара-пар () бірқалыпты жарықталуды да байқауға болады.

 Сонымен, екі интерференциялық сурет қабаттасқанда жарықталудың қорытқы үлестірілуінің көрімділік функциясы  мәндерін қабылдай алады. Интерференциялық суреттің көрімділік функциясының тәжірибе жағдайларына тәуелділігін қарастырайық.

 Когерентті емес бірдей екі нүктелік жарық көздері  және  бір-бірімен  қашықтықта орналасқан болсын (10-сурет).  және -ден шығарылған сәулені  және  параллель айналар көмегімен екі шоққа жіктейміз, яғни әрбір шын жарық көзі бұлардың екі жорымал кескіндерімен ауыстырылады (кескіндерді тұрғызу амалын суреттен көруге болады). Осылай алынған когерентті жарық көздерінің () ара қашықтығын  арқылы белгілейміз.  қалқада және  жарық көздерінен екі интерференциялық жолақтар жүйесі алынады, бұлар қосылып жарықталудың қандай да бір қосынды үлестірілуін береді. Осы үлестірілудің көрімділік функциясын зерттеу керек.

  және  жарық көздері орналасқан жазықтықтың  қалқаға дейінгі қашықтық жеткілікті үлкен деп есептейміз, демек,  және бұған сәйкес  болады. Суреттен  және  шартынан интерференция апертурасы өте кіші болады.

  және когерентті екі жарық көздерінен -қа байланысты қалқадағы жарықтанудың үлестірілуін (14)-ке сәйкес былай жазуға болады:

                                                                        (16)

-қа  қашықтыққа ығысқан екі когерентті жарық көздері (16) өрнегі беретін интерференциялық суретке салыстырғанда -ға ығысқан интерференциялық сурет түзеді, яғни

                                                                (17)

 және  когерентті болмағандықтан,  және  жарықталулары қосылғанда ешқандай интерференция алынбайды, яғни

                                                 (18)

 жолақ ені үшін (10) өрнегін пайдаланып, (18)-ді мына түрде жазамыз

                                                             (19)

(19) өрнегінен  болатын қалқа нүктелерінде максимум интенсивтік,  болатын нүктелерде минимум болады (болатын жағдайда). Демек, жарықталудың экстремум мәндері үшін

                                       ,                     (20)

мұндағы “+” белгісі- -ға, “-” белгісі—ге сәйке с келеді. Осыдан қорытқы интерференциялық суреттің көрімділік функциясы үшін

                                                                (21)

 

 

 Осы функцияның графигі 11-суретте келтірілген. (21) өрнегінен интерференциялық бейненің көрімділігі  жолақ еніне және жарық көздерінің  ара қашықтығына тәуелді екендігі көрінеді. Егер << болса, онда көрімділік функциясы бірге жуық (12,а-сурет), ал егер  болса, онда интерференциялық сурет тіпті жойылады (12,б-сурет).  және  ара қашықтығын бұдан әрі өсіргенде көрініс қайтадан жақсарады да = болғанда көрімдік функциясы 1-ге тең, ал  болғанда ол нөлге айналады.

Енді  аралығы бір аумақты жарық көзі болатын жалпы жағдайды қарастырайық. Мұны  қарапайым жарық көздеріне бөлеміз, бұлар, әрине, когерентті болмайды. Когерентті емес барлық осы жарық көздерінің қалқаның қайсыбір нүктесіне қосынды әсерін табу керек.

Оське қатысты  қашықтығына ығысқан кез-келген жарық көзі қалқаның  биіктігіндегі нүктесіне мынаған тең жарықталу жасайды деп санауға болады [(16), (17)]

Барлық қарапайым жарық көздерінің қосынды әсерін анықтау үшін осы өрнекті -дан -ға дейінгі шектерде интегралдау керек:

                                           (22)

Осы нәтижеден қалқада интерференциялық сурет байқалатындығы келіп шығады. Интенсивтіктің экстремум мәндері

;    

осыдан көрімділік функциясын оңай табуға болады

                                                                                        (23)

(23) формуласы  түріндегі функция болып табылады, мұндағы .  болғанда бұл функция бірге тең, ал  өскенде біртіндеп кемиді,  болғанда нөлге айналады.  бұдан әрі өскенде ол қайтадан өседі, бірақ кішірек экстремум мәнге дейін және  болғанда қайтадан нөлге айналады және  т.т. (13-сурет).

Жарық көзінің ені  болған жағдайда көрімділік функциясы 1-ден 0-ге дейін кемиді, және  болғанда  алынады. Егер  болса (), онда қосынды интерференциялық суретті бақылау үшін еткілікті жақсы деп санауға болады, 10-суреттен , сонда жолақ ені    үшін мына өрнекті аламыз:

                                                                                  (24)

 теңсіздігіндегі  мәнін (24) өрнектегі мәнімен алмастырып, толқын ұзындығы  жарық шығаратын жарық көзінің мүмкін болатын мөлшерлері мен интерференция апертурасы арасындағы байланысты табамыз

                                                                                 (25)

(25) өрнегінен  интерференция апертурасы неғұрлым кіші болса, жарық көзінің мүмкін мөлшері соншалықты үлкен болатындығы келіп шығады.

 

1.6  Жарықтың монохроматты болмауының интерференцияға әсері

 

Осыған дейін барлық интерференциялық схемаларды қарастырғанда бастапқы жарық көзі монохромат жарық шығарады деп ұйғарылды. Енді осы сәуле монохромат емес деп ұйғарайық. Сонда толқын ұзындығының әртүрлі мәні болады да  максимум шартына сәйкес қалқаның кез-келген  нүктесіне толқын ұзындықтарының біреуінің қандай да реттік максимумы сәйкес келеді. Демек, қалқаның кез-келген бөлігінде едәуір жарықталу байқалатын болады. Егерде жарық көзінде барлық толқын ұзындықтары бірдей интенсивтікте болса, ал қабылдағыштың барлық толқын ұзындығына сезгіштігі бірдей болса (мәселен, идеал панхромат пластинка), онда ешқандай интерференциялық көріністі байқау мүмкін болмас еді.

Интерференцияның байқалуы үшін толқын ұзындықтарының әртүрлілігін  және  арасында жататын қайсыбір спектрлік аралықпен шектеу керек. Енді осы интервалды табайық. Егер  толқын ұзындығы үшін -ші реттік максимум  үшін ()-і реттік максимуммен дәл келетін болса, онда интерференция байқалмайды

немесе                                                                      (26)

Осы жағдайларда көрші максимумдар арасындағы барлық аралық (түгелдей) осы интервалға кіретін толқын ұзындықтардың максимумдарымен толтырылған болады.

(26) шартынан интерференция реті  неғұрлым жоғары болса, интерференциялық суретті бақылау мүмкін болатын спектрлік интервал соншалықты тар болуы тиіс екендігі келіп шығады. Керісінше, жарықтың монохроматтығы төмен болса, соншалықты интерференцияның төменгі реттерін бақылау мүмкін болады.

 

 

 

 

1.7 Оптикалық жол ұзындығы

 

Жарықтың кез-келген зат арқылы таралуы, екі орта шекарасында жарықтың сынуы, оның беттен шағылуы және т.т. бұл интерференция азды-көпті дәрежеде білінетін процестер. Мәселен, жарық зат арқылы өткенде электромагниттік толқын зат құрамына кіретін электрондар мен иондарға әсер ететін болады. Жарық толқыны әсерінен осы зарядталған бөлшектер тербелмелі қозғалысқа түседі, осының нәтижесінде периоды бастапқы жарықтыкімен бірдей болатын екінші реттік электромагниттік толқындар шығарылады. Көршілес зарядтардың қозғалысы бір жарық толқыны әсерінен болатындықтан, осы екінші реттік толқындар өзара фазалары бойынша байланысқан, яғни когерентті болады. Екінші реттік толқындар өзара интерференцияланатын болады да, осы интерференция шағылу, сыну, дисперсия, жарықтың шашырауы және т.т. сияқты көптеген оптикалық құбылыстарды түсіндіруге мүмкіндік береді. Осы құбылыстардың түсіндірілуімен кейін танысамыз, ал қазір дербес жағдайлардың біреуін қарастырайық.

Егер жарықтың вакуумдағы жылдамдығы , ал толқын ұзындығы  болса, онда сыну көрсеткіші  ортада осы шамалар тиісінше  және  болады. Бір толқын сыну көрсеткіші  ортада  жол жүретін болсын, ал екінші толқын сыну көрсеткіші  екінші ортада  жол жүретін болсын. Нәтижесінде бұлардың арасында  фазалар айырымы пайда болады

.

Сыну көрсеткішінің жол ұзындығына көбейтіндісі  оптикалық жол ұзындығы деп аталады. белгілеуін енгіземіз, сонда:

                                        .                                  (27)

Егер ()=() болса, фазалар айырымы =0 болады да екі оптикалық жол бір-біріне пара-пар болады, яғни бұлар ешқандай фазалар айырымын енгізбейді. Мұндай жолдар таутохрондық деп аталады. Олар уақыт бойынша дәл келеді, өйткені жарық осы геометриялық ұзындық бойынша тең емес қашықтықтарда бірдей уақытта таралады.

 

 

 

 

1.8  Амплитуданы бөлу арқылы оптикада когерентті шоқтарды алу амалдары

 

Нүктелік көзден шығатын жарықтың шағылуы немесе сынуы нәтижесінде алынған екі толқынның интерференциясы кезінде пайда болатын орнықты көріністі осы (интерференцияланатын) жарық шоқтары қабаттасатын кеңістіктің кез-келген аймағынан байқауға болады. Фазалар айырымы тұрақты болатын беттердің шексіз тізбегі болатындығы, бұлар нүктелік көздер жағдайында гиперболоидтар болатындығы жоғарыда айтылған болатын. Интерференциялық жолақтар айналу гиперболоиданың бақылау жазықтығымен кез-келген қиылысында байқалады. Сондықтан байқалатын интерференциялық көріністі жайылған (локальданбаған) көрініс деп атайды. Жарық көздерінен бақылау жазықтығының қайсыбір нүктесіне келетін жарық сәулелері өзара өте аз бұрышқа жинақсызданады, және интерференциялық көріністің түзілуі үшін ешқандай фокустаушы құрылғының керегі болмайды.

Егер жарық интерференциясы аумақты көзден алынатын болса, онда қандай да бір фокустаушы құрылғы қажет. Жарық көзінің әртүрлі бөліктерінен берілген нүктеге келетін қос сәулелердің бәрі үшін фазалар айырымы бірдей немесе жуық түрде бірдей болғанда ғана айқын жолақтарды бақылауға болады. Жалпы алғанда осы шарт егер бақылау нүктесі қайсыбір белгілі бетте жататын болса қанағаттандырылады, яғни бақылаушы көзі (немесе оптикалық құрал) осы бетке туралап көзделгенде интерференциялық жолақтар көрінеді, мұндай интерференциялық жолақтар локалданған деп аталады.

Локалданған интерференциялық көрініс мысалына бірдей қалыңдық жолақтары және бірдей көлбеулік жолақтары жатады. Бірдей қалыңдық жолақтары интерференция алынатын пленка беті маңында болады және жарық сәулелері тік түскен жағдайда жолақтар оптикалық құрылғы пленкаға фокустанғанда ғана жақсы көрінетін болады. Бірдей көлбеулік жолақтары шексіздікке фокустанған оптикалық құрылғымен жұмыс істегенде жақсы көрінеді.      

                           1.9  Жұқа пленкалардың түстері

 

Аумақты жарық көздерімен жұқа пленкаларды жарықтандырғанда алынатын интерференция жұқа пленкалардың түстері деп аталады. Бұл құбылыс сабын көпіршіктерінде, су бетіне жайылған мұнай пленкаларында, бұларды Күн сәулесімен жарықтандырғанда байқауға болады. Осы құбылысты қарастыру интерферометрлерде, интерференциялық сүзгілерде (фильтрлерде) және басқа оптикалық құрылғыларда өтетін күрделірек процестерді түсінуге пайдасын тигізеді.

Жазық беттері параллель, қалыңдығы  мөлдір пластинаға толқын ұзындығы  монохромат жарық түсетін болсын. Бұл жарық пластинка бетінен жарым-жартылай шағылады, жарым-жартылай оның ішіне енеді де екінші бетінен тағы шағылады. Нәтижесінде қайсыбір жүріс айырымы бар екі когерентті толқын пайда болады. Толқынның бір бөлігі  жолымен, екінші бөлігі- жолымен кетеді. Осы толқындардың  бағытында қабылдаған фазалар айырымына байланысты бұлар әртүрлі интерференциялық нәтиже беретін болады.

Сәулелердің жүріс айырымын есептейік. Жарық көзінің қандай бір нүктесінен шығатын  және  сәулелерін параллель десе де болады, өйткені жұқа пленка үшін  мөлшері көзге дейінгі қашықтыққа салыстырғанда өте кіші. Демек, , мұндағы () және ()-оптикалық жол ұзындықтары;  және -тиісінше пластинканың және қоршаған ортаның сыну көрсеткіштері.

14-суреттен  болатындығы шығады, мұндағы -пластинка қалыңдығы; -түсу бұрышы. Осыдан жүріс айырымы           .

 сыну заңын қолданамыз, сонда

                                                              (28)

 

Жүріс айырымын есептеген кезде тағы да ескеретін нәрсе, ол шағылу кезінде фазаның -ге өзгеру мүмкін екендігі (жарты толқынның жоғалуы). Қарастырылып отырған жағдайда үстіңгі шекарадан шағылғанда электр векторы фазасын өзгертеді, ал төменгі шекарадан шағылғанда магниттік вектор фазасын өзгертеді. Егерде шыны пластиналар арасында ауа қабаты болса, онда көрініс керісінше болар еді, яғни кез-келген жағдайда векторлардың біреуі қосымша -ге фазалар айырымын қабылдайды. Сондықтан жалпы жағдайда (28) формуланы мына түрде жазуға болады

                                                                           (29)

(29)-ге сәйкес интерференциялық көрініс (28) формула бойынша есептеумен салыстырғанда жарты жолаққа ығысқан болады. (29) формулаға  мүшенің қосылуы жұқа пластинканың әрекеті жайындағы пайымдауларға принциптік ештеңе енгізбейді. Егер жұқа пластинка астынан және үстінен сәйкестендіріліп сайланып алынған әртүрлі затпен қоршалған болса, онда жарты толқынның жоғалуы болмауы да мүмкін (мысалы, шыны бетіндегі су қабыршағы). Сондықтан біз көбінесе  қосымша мүшені жазбай, (28) формуланы пайдаланатын боламыз. Бірақта максимумдар мен минимумдар орындарын анықтаған кезде әрқашан шағылу жағдайына байланысты қосымша фазалар айырымының пайда болу мүмкіндігін ескеру керек болады.

Жұқа пластинкадан жағылғанда интерференциялық көрініс мына шарт орындалғанда

                                                                               (30)

пайда болады, мұндағы -бүтін сан, және жұп мәндері максимударға, тақ мәндері минимумдарға сәйкес келеді.

Пластинка ақ жарықпен жарықтандырылғанда ,  және -ге байланысты шағылған жарықтың түсі (боялуы) әртүрлі болады.  және  сәулелері арасындағы бұрыш кішкене болатындықтан, яғни интерференция апертурасы кіші болатындықтан, (25)-ке сәйкес жұқа пленкалардағы интерференцияны бақылағанда аумақты жарық көзін пайдалана беруге болады.

Қарастырған мысалда біз екі сәуле интерференциясын қарастырдық, ал шындығында әрбір беттен көп қайтара шағылу болады. Дағдылы жағдайларда (сұйықтық пленкасы, шыны пластинка) осы қайтара шағылулар жарықты аз береді де бұларды ескермеуге болады. Бірақта кейбір арнайы жағдайларда кейінгі шағылулар мәні елеулі дәрежеде болуы мүмкін.

Қарастырылып отырған мәселеде маңызды бір жағдай пластниканың (пленканың) қалыңдығы қандай болғанда ақ жарықтан интерференцияның байқалуы мүмкін болатындығын тағайындау маңызды бір жағдай болып табылады.  қатынасынан (2.5. параграфты қараңыз) ақ жарықтың интерференциялық көрінісін тек жұқа пленкаларда бақылау мүмкін болатындығы шығады. Шынында да, адам көзі   интервалмен бөлінген түстерді ажырата алады. Ақ жарықтың орташа толқын ұзындығын 500 нм деп алып, интерференцияның мүмкін болатын реті  болатындығын табамыз.  мәні пленка қалыңдығына тәуелді  жүріс айырымының мүмкін болатын мәнін анықтайды. (28) қатынасынан интерференция максимумы үшін  өрнегі шығады, осыдан пленканың қалыңдығы мынаған тең болады:

                                                                           (31)

 және  (жарықтың тік түсуі) деп ұйғарғанда

 болатындығы шығады.

 

Монохроматтығы жоғарырақ сәулені зерттегенде (мысалы, сынаптың болатын спектрлік сызықтары) пленка қалыңдығын шамамен  есе ұлғайтуға болады.

Әртүрлі локалданған интерференциялық жолақтарды қарастыруға ауысқанда пластинкаларды жұқа деп есептейміз, яғни қосымша монохроматтануды қолданбай-ақ аумақты жарық көздерімен жұмыс істей беруге болады.

                                        

                           1.10 Бірдей қалыңдық жолақтары

 

Егер жұқа пластинканың беттері бір-біріне параллель болмаса, онда бұларды аумақты жарық көзімен жарықтандырған кезде тұрақты оптикалық қалыңдық жолақтары, немесе бірдей қалыңдық жолақтары пайда болады.

Бірдей қалыңдық жолақтарын қалқаға (экранға) пластина бетінің кескіні проекцияланған жағдайда бақылауға болады.

Егер линза көмегімен беттен шағылған сәулелерді жинап және бұларды жарық көзінен кескіні алынатындай қалқаға проекциялайтын болсақ, онда интерференциялық көрініс байқалмайтын болады. 15-суретте  жарық көзінің жеке бөлігінің кескіні кең сәуле шоқтары көмегімен алынады (суретте көздің шеткі  және  нүктелерінен шыққан сәуле жолдары келтірілген). Осындай шоқтардың әрқайсысы пленканың әртүрлі бөліктерінен шағылған сәулелер жиынтығы болып табылады, яғни әртүрлі  және  мәндеріне сәйкес келеді.  қалыңдығының бір нүктеден басқа нүктеге ауысқанда мәні әртүрлі болады.

Демек, кең шоқтардың әртүрлі бөліктері  өрнегінің әртүрлі мәндерін қанағаттандырады. Нәтижесінде шоқтың бір бөлігі тудырған интерференциялық эффект басқа бөліктің әрекетімен теңгеріліп, жарықталған беттің кескінінде интерференция белгісі болмайды да біркелкі жарықтанған күйінде қалады.

Енді қалқада пленканың беті проекцияланатындай етіп линзаны орналастырайық (16-сурет). Пленканың әрбір бөлігі қалқада линза жинайтын кең шоқ көмегімен кескінделеді, бірақ осы шоқтың жеке элементтері жарық көзінің әртүрлі бөліктерінен шығатын және пленканың бір жерінен шағылған сәулелерден құралған  жарық көзінің қандай да бір бөлігінің  сәулесі сыну және шағылу нәтижесінде  нүктесінен өтетін  сәулеге айналады. Жарық көзінен сәулелер әртүрлі бағыттарда таралатындықтан солардың арасынан ол да  нүктесіне түсетін  сәулесімен қандай да бұрыш жасайтын  сәулесін құрайтын  сәулесін табуға болады. Сәуленің екеуі де линза арқылы өтеді де  нүктесінің кескіні болатын  нүктесінде қиылысады. Сәуленің екеуі де көздің бір бөлігінен шығарылатындықтан, бұлар когерентті болады және интерференцияланады. Бұлардың арасындағы жол айырымына байланысты  нүктесінде максимум немесе минимум болады.

Егер жарық көзі пластинкадан үлкен қашықтықта тұрған болса, онда сәулелер оның бетіне бірдей дерлік бұрышпен түседі. Осы жағдайда жүрі с айырымы (28) формулаға сәйкес пластинканың  қалыңдығына тәуелді болады. Егер  нүктесіне линзаның тоғыстық жазықтығында жататын  нүктесіндегі максимум сәйкес келетін болса, онда максимум пластинканың қалыңдығы бірдей орындарында жататын барлық  нүктелер жиынтығына сәйкес келетін болады. Сонымен, линзаның тоғыстық жазықтығында пайда болатын интерференциялық жолақтар пластинаның қалыңдығы бірдей орындарына сәйкес келеді, яғни басқаша айтқанда қалқада айқын интерференциялық жолақтар алынуы үшін линзаны пластинка бетіне фокустау керек. Осындай жолақтар бірдей қалыңдық жолақтары деп аталады. Монохроматтық жарық жағдайында пластинка беті қараңғы және жарық жолақтармен, ал ақ жарық жағдайында-түрлі-түсті жолақтармен көмкерілген болады. Осы жолақтар пластина бетін қараған кезде айқын көрінетіндіктен, бірдей қалыңдық интерференциялық жолақтар пластинка бетіне локалданған деп айтады. Егер пластинка сына пішіндес болса, онда бірдей қалыңдық жолақтар сына қырына параллель интерференциялық жолақтар қатары түрінде болады. Пленканың осындай пішінін тік орналастырылған сым шеңберге керілген сабын пленкасы (қабыршығы) көмегімен алуға болады.

Ауырлық күші әсерінен пленка сына пішінін қабылдайды, ал бірдей қалыңдық жолақтары пленка бетінде горизонталь түзулер түрінде көрінеді, бұлар пленка ақауларынан ішінара түзуден ауытқуы мүмкін.

Жазық-дөңес линза мен жазық шыны пластинка арасындағы ауа қабатында пайда болатын бірдей қалыңдық жолақтарының мысалына Ньютон сақиналары жатады. Ньютон заманында сақиналардың пайда болуын түсіндіру өте қиын болды. Мәселен, Гук сақиналардың түзілу себебін интенсивтігі әртүрлі шағылған екі шоқтың болуынан көрді, ал Ньютон сақиналардың пайда болуы линзаның қисықтық радиусына тәуелді болатындығын тағайындады. Тек кейіннен (1802 ж) Юнг интерференция ұғымын енгізіп, осы құбылысты түсіндірді.

Ньютон сақиналары қисықтығы аз линзаның дөңес беті шыны пластинаның жазық бетімен қайсыбір нүктеде түйіскен жағдайда, бұлардың араларындағы түйісу нүктесінен шеттеріне қарай біртіндеп өсетін, сына пішіндес ауа қабатында пайда болады (17-сурет). Линзаға монохроматты жарық ағыны тік түсетін болсын. Сонда жарық толқындарының ауа қабатының үстіңгі және астыңғы шекараларынан шағылуы нәтижесінде интерференция байқалады. Шағылған жарықта бақылағанда түйісу нүктесінде қараңғы дақ болады да, ал оны ені кеміп отыратын жарық және қараңғы концентрлік сақиналар жүйесі қоршап тұрады. Орталық қараңғы дақ геометриялық жүріс айырымы нөлге тең болатындықтан және жазық шыны пластина бетінен шағылған кезде жарты толқынның жоғалуы нәтижесінде пайда болады. Өткен жарықтағы интерференциялық көрініс шағылған жарықта байқалатын көрініске қосымша көрініс, яғни бір жағдайдағы жарық жолақтар екінші жағдайда қараңғыға ауысады. 17-суреттен тиісті сақина радиусы үшін өрнекті алуға болады.

Ауа қабатының -і сақинаға сәйкес келетін  қалыңдығы осы сақинаның  радиусы және линзаның  қисықтық радиусымен мына қатынаспен байланысқан

                                                                             (32)

(29) формуладағы  (жарық тік түседі) және  (линза мен пластинка арасында ауа) деп алып, -і қараңғы сақинаның түзілу шартын табамыз

                                                               (33)

(33) формулаға (32)-дегі  мәнін қойып, сақина (шеңбер) радиусы үшін өрнекті аламыз:

                                                                                  (34)

(34) формуладан  және  болғанда, яғни центрде, қараңғы дақ болатындығы келіп шығады. Бұдан кейін интерференция реті неғұрлым үлкен болса, көрші сақиналардың радиустары арасындағы айырмашылық соншалықты аз болады, яғни сақиналар жиірек орналасатын болады.  және  белгілі болса, -ді өлшеп, толқын ұзындықты жеткілікті дәл анықтауға болады.

Егер түсетін жарық монохроматты болмаса, онда шағылған жарықта әртүрлі толқын ұзындықтарына әртүрлі  сәйкес келеді де экранда түрлі-түсті сақиналар жүйесі байқалатын болады. Өткен жарықта, әрине, шағылған жарықтағы түске қосымша түстер көрінетін болады.

 

1.11  Бірдей көлбеулік жолақтары

 

(28) формуладан жазық параллель пластинка үшін () жүріс айырымы сәулелердің пластинкаға түсу бұрышына ғана тәуелді болатындығы келіп шығады. Егер осындай пластинка, мәселен, тоғысатын монохроматты жарық шоғымен жарықтандырылатын болса, әрбір  бұрышы мәніне өзінің жүріс айырымы сәйкес келеді. Сірә, -ның бір мәніне сәйкес барлық сәулелер, яғни көлбеуліктері бірдей сәулелер, бірдей жүріс айрымын беретін болады. Бұл интерференциялық жолақтар сәулелердің бірдей көлбеулігі жағдайында пайда болатындығын білдіреді, осыдан бұлар бірдей көлбеулік жолақтары деп аталады.

 Бірдей көлбеулік жолақтарының алыну схемасы 18-суретте келтірілген. Пластинкаға белгілі  бұрышпен түсетін барлық сәулелер (мәселен  сәулесі және оған параллель барлық сәулелер) экрандағы  нүктесіне жиналады. Пластинканың жоғарғы және төменгі беттерінен шағылған 1 және 2  сәулелері параллель болатындықтан  нүктесі линзаның тоғыстық (фокаль) жазықтығында жатады, яғни пластинкадан жеткілікті үлкен қашықтықта жатады (идеал жазық параллель пластинка үшін шексіздікте). Сондықтан бірдей көлбеулік жолақтары шексіздікте локальданған болады.

Әдетте тәжірибеде аумақты жарық көзі қолданылады, сонда  бұрышпен көп сәуле түседі. Жалпы айтқанда, осындай сәулелердің бүтін конусы болады, бұлар экранда бір  нүктесін емес,  болатын нүктелер үйірін береді, яғни бірдей көлбеулік интерференциялық жолақ шығады. Көлбеулігі басқа сәулелер (мысалы  сәуле) көлбеулігі бірдей басқа жолақты береді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІ  ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ҚҰБЫЛЫСЫНЫҢ ЗЕРТТЕУЛЕРДЕ ҚОЛДАНЫЛУЫ

 

2.1 Интерференциялық аспаптар

 

Интерференциялық аспаптар (интерферометрлер)-жарықтың интерференция құбылысы мөлдір орталардың сыну көрсеткіштерін, спектрлік сызықтардың толқын ұзындықтарын, бұрыштарды және т.т. дәл өлшеулер үшін қолданылатын оптикалық құрылғылар, яғни интерферометрлер электромагниттік сәуленің негізгі сипаттамаларын зерттеу үшін пайдаланылады. Сондықтан интерферометрдің оптикалық схемасы кейбір қосымша талаптарды қанағаттандыруы тиіс. Мәселен, өлшеу дәлдігін арттыру үшін жүріс айырымын едәуір өсіру керек болады, яғни интерференцияның жоғары реттері жағдайында жұмыс істеуге тура келеді. Осындай жағдайларда сәуленің жоғары монохроматтығы және оптикалық жүйенің юстировкасына аса жоғары талаптар қажет.Барлық белгілі интерференциялық аспаптарды негізінен екі топқа бөлуге болады: екі сәулелік және көп сәулелік.

 

2.2  Екі сәулелік интерферометрлер

 

 Пластинканың алдыңғы және артқы беттерінен шағылған екі сәуленің интерференциясы іске асырылғанда, бұл іс жүзінде қарапайым екі сәулелік интерферометр болады. Егер пластинка жеткілікті қалың болса, онда интерференцияланатын 1 және 2 сәулелер едәуір қашықтыққа ажыратылады және бұлардың кез-келгеніне зерттелетін затты ендіруге болады, бұл қосымша жүріс айырымын туғызады, оны өлшеуге болады. Бірақ пластинка қалыңдығы артуымен жоғары монохроматты жарықпен жұмыс істеу қажеттігіне байланысты белгілі қиындықтар пайда болады. Бір қалың шыны пластинка орнына екі пластинка арасындағы ауа қабатын пайдалануға болады.

Екі сәулелік интерференцияны іске асыру үшін жиіліктері бірдей екі монохроматты толқын болуы қажет. Мұндай толқындардың анықтама бойынша, уақыт бойынша ұзақтығы шексіз болады және бұлардың табиғатта кездеспейтіндігі анық. Сондықтан квазимонохроматтық толқындармен шектелуге мәжбүр боламыз.

Бір толқынның екі бөлікке бөлінуі нәтижесінде пайда болған екі толқын интерференцияға жарамды толқындар болады. Толқынның екі бөлігінің фазаларының уақыт бойынша өзгеруі дәл бастапқы толқындікімен бірдей болады. Бірақта монохроматтық толқындардың интерференциясымен толық ұқсастық мұнда алынбайды, өйткені толқындардың әрқайсысының өзінің шектеулі когеренттік уақыты болады (осы уақыт ішінде толқындар шынымен интерференцияланады).

Сондықтан монохроматтық толқындардың интерференциялық көрінісі шын жарық көздерінен алынатын толқындардың интерференциясын зерттеуде тек бірінші жуықтау болып табылады.

Оптикада интерференцияны іске асыру үшін толқындарды алу екі жолмен орындалады:1) толқын амплитудасын бөлу; 2) толқын шебін (фронтын) бөлу.

Жамен интерферометрі. Бұл интерферометр (19-сурет) бірдей екі жазық параллель қалыңдығы  және сыну көрсеткіші  шыны пластинадан тұрады.  жарық көзінен жарық бірінші пластинаның алдыңғы бетіне түседі де жартылай шағылу және сыну нәтижесінде, бірінен бірі қайсыбір қашықтықта болып, екінші пластинкаға баратын, 1 және 2 сәулелері пайда болады.

 

  Екінші пластинада шағылып және сынғаннан кейін, одан  төрт сәуле шығады; бұлардың екеуі (2 және 1) интерференцияланады. Бұлардың арасындағы жүріс айырымы (28) теңдеуіне сәйкес мынаған тең: .

Егер екі пластина бір-біріне дәлме-дәл параллель болса, онда ,  және , яғни 1 және 2 сәулелері арасында ешқандай жүріс айырымы болмайды. Егер пластиналар өзара  бұрыш жасап тұрса, онда , 1 және 2 сәулелері мынадай жүріс айырымын қабылдайтын болады:

                                                                            (2.28а)

Пластиналар арасындағы  бұрыш кіші болған жағдайда  және  бұрыштарының бір-бірінен айырмашылығы шамалы болады, сонда  деп белгілеп

                                                                              (35)

 болатындығын табамыз.  шамасын  бұрышымен байланыстыруға болады. Егер жарықтың пластинаға түсу бұрыштары  және  болса, онда .  сыну заңын пайдаламыз, сонда

Әдетте сәулелердің интерферометрдегі түсу бұрышы , ал шынының сыну көрсеткіші , сонда осындай сан мәндері жағдайында . Табылған  мәнін (35) формулаға қойып 1 және 2 сәулелері арасындағы жүріс айырымы үшін өрнекті табамыз:

                                                                       (36)

Интерферометрдің бірінші пластинасын монохроматты жарықтың параллель шоғымен жарықтандырғанда кез-келген қос сәуле үшін бірдей жүріс айырымы пайда болады. Сәулелер пластиналардың екеуінен шағылғаннан кейін біркелкі жарықтанған интенсивтігі жүріс айырымының мәніне тәуелді өріс алынады.  толқын ұзындықтардың бүтін санына тең болған жағдайда интенсивтік максимум, жүріс айырымы ұзындықтардың тақ санына тең болған жағдайда-интенсивтік минимум болады. Ақ жарықпен жарықтандырған жағдайда өріс біркелкі боялған сияқты көрінеді. Егерде пластинаға монохроматты жарық шоғы бағытталатын болса, белгілі  мәніне сәйкес келетін интерференциялық жолақтардың жүйесін аламыз, яғни бірдей көлбеулік жолақтары алынады.  , мұндағы -жұп сандар, шартын қанағаттандыратын сәулелер үшін максимум алынады.  мәндері тақ болған жағдайда минимум байқалады.

Жолақтар арасындағы бұрыштық қашықтық  бұрышының  өзгерісіне тәуелді. Сонда жүріс айырымы -ға өзгереді, яғни

немесе

                                                                              (37) 

(37) формуладан жолақтардың ара қашықтығы пластиналар арасындағы бұрыш кішірейген сайын арта түсетіндігі келіп шығады.

Жамен интерферометрінің пластиналары арасындағы 1 және 2 сәуле шоқтарын үлкенірек қашықтыққа ажырату үшін пластиналар қалың етіліп (2см-ге дейін) жасалады. Бұл шоқтардың біреуінің жолына қоршаған ортаның (ауа) сыну көрсеткішіне қарағанда сыну көрсеткіші басқаша қандай бір зат қабатын ендіруге, сөйтіп бұлардың арасында қосымша жүріс айырымын туғызуға мүмкіндік береді. Ендірілген зат қабатының қалыңдығы  оның сыну көрсеткіші , ал ауаның сыну көрсеткіші  болсын. Сонда сәулелер арасында қосымша  жүріс айырымы пайда болады. Егер жүріс айырымы  болса, интерференциялық көрініс түгелдей  жолаққа ығысады.  шамасының, сірә, бөлшек сан болуы да мүмкін  ығысуын сенімді бақылауға болатындығы тәжірибеден белгілі. Демек,  қатынасынан сыну көрсеткіштерінің  тіпті азғантай айырмашылықтарын анықтауға болады. Мысалы,  және  болғанда

яғни сыну көрсеткіштерінің айырымын үтірден кейінгі алтыншы таңбаға шейін өлшеуге болады.

Жарықтың сыну көрсеткіштерін өлшеу рефрактометрия деп аталатын метрология саласына жатады. Интерферометриялық әдіс салыстырмалы өлшеулердің жоғары сезгіштігін береді, бірақ оны іске асыру үшін интерференциялық сурет өте жоғары орнықты болуы қажет. Бұл тұрғыдан Жамен интерферометрінің сәулелерді жеткілікті шамаға ажырату үшін қалың пластиналарды қолданылуымен байланысты елеулі кемшілігі бар. Мұндай пластиналар біртекті шыныдан жасалуы тиіс, бұларда кернеулер болмауы тиіс және т.т. Пластиналар қоршаған орта температурасына дейін баяу жылынатындықтан, бұл интерференциялық суреттің ұзаққа созылатын және нашар бақыланатын өзгірісін туғызады. Қуатты жарық көздерін қолдану жылулық тепе-теңдікті бұзады, өйткені жарық ағынының бір бөлігін интерферометр пластиналары  жұтады. Осыған байланысты Жамен интерферометрі кең қолданылу тапқан жоқ.

Рождественский интерферометрі (20-сурет).

Жамен интерферометрінің өзгертілген түрі. Ол  төрт айнадан тұрады, бұлардың екеуі () толық шағылдырушы, қалған екеуі () жарық шоқтарын бөлушілер қызметін атқаратын жартылай мөлдір.  айналарының шағылдыру коэффициенті 50% шамасында болады, өйткені 1 және 2 жарық шоқтарының интенсивтіктері шамамен бірдей болғаны жөн.

Интерферометр бір-бірінен тәуелсіз екі бөліктен жасалады, бұлардың әрқайсысы: біреуі жартылай мөлдір, біреуі толық шағылдыратын, екі айнадан тұрады. Бөліктердің өздерін едәуір қашықтыққа (1м) алшақтатып орнатуға болады, ал 1 және 2 жарық шоқтары  бірнеше ондаған см-ге дейін ажыратылады.

Рождественский интерферометрі негізінен газдар мен булардың жұтылу сызықтары маңайындағы сыну көрсеткішіне дәл өлшеулер үшін қолданылады.

Майкельсон интерферометрі. Бұл интерферометр ғылым мен техниканың дамуында іргелі роль атқарды. Оның көмегімен жарық толқынының ұзындығы алғаш өлшенді, спектрлік сызықтардың нәзік түзілісіне бірінші жүйелі зерттеулер жүргізілді, спектрлік сызықтардың толқын ұзындықтарын эталондық метрмен тікелей салыстыру бірінші орындалды. Осы интерферометр көмегімен Майкельсон-Морлидің-жарық жылдамдығының Жер қозғалысына тәуелсіздігі дәлелденген атақты тәжірибесі іске асырылды.

Майкельсон интерферометрінің оңайлатылған схемасы 21-суретте көрсетілген. Монохроматты жарық  жарық көзінен  бөлуші пластинаға түседі; ол бір-бірімен желімделген, қалыңдықтары бірдей екі жазық параллель шыны пластникалардан тұрады. Және желімделетін беттердің біреуі күміс немесе алюминийдің жартылай мөлдір жұқа қабатымен қапталған.

Түскен шоқты  пластинка интенсивтіктері бірдей екі өзара перпендикуляр 1 және 2 шоқтарға бөледі. 1 шоқ  айнадан шағылғаннан кейін екінші рет  пластинкаға қайтып оралады, мұнда тағы да екі бөлікке жіктеледі; бұлардың біреуі  трубаға түседі.

Сонымен  көзден амплитудалары шамамен бірдей екі шоқ алынады, бұлар  бөлуші қабаттан кейін интерферометрдің әртүрлі “иіндерінде” таралады, бұдан кейін кездесіп, когеренттілік сақталатын жағдайда көру трубасының тоғыстық (фокаль) жазықтығында интерференциялық көрініс түзеді.  айна қозғалмайды, ал  айнаны ілгерілемелі жылжытуға және оның көлбеулігін өзгертуге болады. 2-сәуле Р пластинкадан үш рет, ал 1-сәуле бір рет қиып өтетіндіктен оның жолына ақ жарықпен жұмыс істегенде пайда болатын қосымша жол айырымын теңгеру үшін Р пластинкамен бірдей, Р₁ пластинка қойылады.

 айнаны оның  жорымал кескінімен ( жартылай мөлдір айнадағы) ойша ауыстырамыз. Сонда  және  шоқтарын  және  жазықтарымен шектелген “мөлдір пластинкадан” шағылған кезде пайда болған сияқты қарастыруға болады. Бұл кейінгі пайымдауларды елеулі жеңілдетеді. Интерференциялық көріністің түрі айналардың дәлденуіне (юстировкасына) және  бөлуші пластинкаға түсетін жарық шоғының жинақсыздануына тәуелді. Әдетте екі жағдай қолданылады.

1. Егер шоқтың жинақсыздануы болмашы ғана болса, ал және жазықтықтары параллель болса, онда концентрлік сақиналар түріндегі бірдей көлбеулік жолақтары алынады.  айнаны ілгерілемелі жылжытқанда сақина радиустары өзгереді:  айна  айнаға жақындатылғанда сақиналар центрге жақындай түседе де центрде жойылады (Ньютон сақиналары жағдайына кері жағдай). Көріністің бір жолаққа ығысуы  айнасын толқын ұзындықтың жартысына жылжытуға сәйкес келеді. Жай көзбен ығысуды дәлдікпен бағалауға болады, бірақ  жолаққа дейінгі ығысуды байқауға мүмкіндік беретін әдістер де бар.  айна  айнаға жақындаған сайын жолақ ені артады, ал  айна  айнамен дәл келгенде (үстіне түскенде) көру өрісі біркелкі жарықтанатын болады.
2. Егер көзінен шыққан шоқ параллель болып, ал және жазықтықтары параллель болмаған жағдайда көру өрісінде бірдей қалыңдық жолақтары байқалатын болады (сына тәрізді пластинкадағы сияқты).  және  жазықтықтары қиылысқан орында-ақ максимум (интерференцияның нөлінші реті, ) алынады.

 және  ара қашықтықтары үлкен және жарықтың монохроматтық дәрежесі жоғары болған жағдайда лазерлік емес көздерден интерференцияның өте жоғары ретін байқауға болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІІ ЖАРЫҚ ТАБИҒАТЫ ЖӨНІНДЕГІ КӨЗҚАРАСТЫҢ ДАМУ ТАРИХЫ

3.1  Даму тарихы туралы қысқаша шолу

 

Жарық жөніндегі ілімнің даму тарихы оқушыларға таным процесінің шексіз екендігін және оның диалектикалық сипатын ашып көрсетуге көмегін тигізеді.

Адам баласы жарықтың табиғаты жөнінде ерте уақыттардан бастап-ақ ойлана бастады, бірақ алғашқы гипотезалар аңғырт және бұлдыр болды. Мысалы, Аристотелъ жарықты көзден шығатын нәрсе деп ойлаған. Көз сол нәрсенің көмегімен денелерді сипалап, оның формасы мен сапасы жөнінде бақылаушыға информация береді деп түсінді. Адамның қараңғыда не себепті көрмейтіндігіне жауап бермеді.

Пифагор мектебі Күн сәулесі «қою және суйық эфир арқылы» өтіп келеді деп жорыды. Бұл жарықтың белгілі материалдық ортада тарайтындығы жөнінде айтылған ең алғашқы жорамал еді.

Жарықтың табиғаты туралы мәселеге байланыссыз өз алдына гәометриялық оптика дами бастады. Евклидтің және Архимедтің еңбектерінде жарықтың түзу сызықты таралуының және шағылуының, заңдылықтары келтіріледі, жазық және сфералык айналардан жарықтың шағылуы қарастырылады. Птолемей жарықтың сынуы бақыланатын тәжірибелер жөнінде жазады. Бірінші рет жарықтың сыну заңын голландық ғалым В.Снеллиус (1591-1626 ж.) ашты, бірақ оны жан-жақты өзінің «Диоптрика» деген (1637ж.) кітабында француз ғалымы Р.Декарт (1596-1650 ж.) түсіндіріп берді.

Қайта өрлеу дәуірінде физиканың өмірге қажетті саласының бірі ретінде оптика адам баласының практикасына ене бастады. Геометриялық оптика заңдылықтарына сүйене отырып 1609 ж. Г.Галилей көру трубасын жасады, ал 1637 ж. микроскоп жасалынды. Оптикалық прибор жасаумен сол кездегі ірі ғалымдардың барлығы дерлік айналысты — Кеплер, Гюйгенс, Ньютон.

Дегенмен оптикалық приборлар жөніндегі қорытындылардың тәжірибе нәтижелерімен сәйкес келе бермеуі геометриялық оптика принциптерінің, жарықтың таралуын түсіндіруге жеткіліксіз екендігі айқындала бастады. Бірінші проблема жарық сәулесінің түстерге жіктелуі болды. XVII ғасырға дейін оны Аристотельше, жарықтың әр түрлі үлесте қараңғылықпен араласуы арқылы, түсіндіріп келді, кейде жарық шығаратын дене ерекшелігімен түсіндіруге тырысты. Призма көмегімен жарық спектрлерін алғашқы бақылаған итальяндық Доминис және чех ғалымы М.Маци болжам айтудан ары аса алмады.

Екінші проблема — 1655 ж. итальяндық Ф.Гримальди жасаған тәжірибе қорытындысын түсіндіру еді. Гримальди терезе саңылауынан түскен Күн сәулесінің жолына таяқша орналастырып, оның экрандағы көлеңкесін зерттеу нәтижесінде жарықтын кедергілерден бұрылатындығын тапты, бұл құбылысты ол дифкция (ұсақтау) деп атады.

Сөйтіп, XVII ғасырдың орта шеңінде оптикада біраз тәжірибелік фактылар жинақталып, олар жарықтың табиғаты жөніндегі мәселені шешу қажеттілігін күн тәртібіне қойды. Осыған байланысты жарықтың табиғаты жөнінде екі түрлі көзқарас дами бастады — толқындық және корпускулалык.

 

3.2 Жарықтың толқындық теориясының шығуы

 

Жарықтық толқындық табиғаты жөнінде болжамдар айтылғаны мен (Декарт, Гримальди, Гук) бұл теорияның негізін салушы голландық ғалым Х.Гюйгенс (1629-1695 ж.) болып есептеледі. Оның 1690 ж. шыққан «Жарық жөніндегі трактат» деген еңбегінде, кейін физикада Гюйгенс принципі деген атпен белгілі болған, жарықтың таралу механизмі түсіндірілді. Гюйгенс жарықтың толқындық табиғаты туралы гипототезасында жарық толқындары дыбыс толқындары тәріздес деген қағиданы басшылыққа алды. Жарық шығаратын дене, дыбыс шығаратын дене сияқты, өзі қоршаған ортаны қозғалысқа түсіреді және осы қозғалыс ортада, дыбыс толқынындай, сфералық беттер және толқындар түрінде тарайды — деп түсіндірді ол. Жарық ауасыз жерде де тарайды, олай болса жарық тарайтын орта басқа болуы тиіс. Ол кезде эфир гипотезасы кеңінен қолданылатын еді, Гюйгенс те ол идеядан ұзап кете алмады.

Сонда эфирде жарық толқындары қалай тарайды? Гюйгенс принципі бойынша толқын фронтының әр бір нүктесі екінші ретті элементар толқындар көзі, элементар толқындар қоршауы кейінгі моменттегі толқын фронтының орны болып табылады. Элементар толқындар әлсіз болғандықтан жарық түрінде сезілмейді және бір қатар толқындардың қоршауы болмаған жерде жарық тарамайды.

Осы принцип негізінде Гюйгенс жарықтың түзу сызықты таралуын, шағылу мен сыну заңдарын, суперпозиция принципін түсіндіріп берді. Көріп отырғанымыздай, Гюйгенс идеясы тек геометриялық оптикадағы құбылыстарды ғана түсіндірді. Гюйгенс эфирдегі жарық тербелістерін апериодтық импульстер деп есептеді, сондықтан бұл теорияның көмегімен интерференция құбылысын түсіндіруге болмады. Толқынды Гюйгенс бойлық деп есептегендіктен жарық поляризациясы да қарастырылмады, жарықтың түстерге бөлінуі жөнінде Гюйгенс тіпті әңгіме қозғамады.

Гюйгенс теориясының бірде бір толқындық құбылысты түсіндіріп бермеуі Ньютонды жарық табиғатын басқаша жолмен түсіндіруге итермеледі.

3.3 Жарықтың корпускулалық теориясының шығуы

 

И.Ньютонның толқындық теорияға қарсылығы эфир ұғымымен де байланысты еді. Егер, шынында, эфир бүкіл әлем кеңістігін толтырып тұрған болса, онда ол қаншалықты сирек болғанымен планеталар қозғалысына кедергі жасап, түбінде олардың қозғалысының тоқтауына әкеліп соқтыруы тиіс деп ойлады. Ал, астрономиялық бақылаулар планеталар периодтарының тұрақты екендігін толық дәлелдеп беріп отыр. Сондықтан, И.Ньютон эфирдің бар екендігіне онша сенбеді.

И.Ньютон өзінің «Оптика» деген кітабында жарықтың табиғаты жөнінде жаңа гипотеза ұсынды — жарық майда бөлшектердің (корпускулалардың) ағыны болуы керек деді. Осы гипотезаға сүйеніп сол кезге дейін белгілі оптикалық құбылыстарды және сол тұста өзі зерттеп жүрген мәселерді түсіндіріп берді.

Сонда Ньютонның оптика саласындағы еңбектерінің маңызы неде?

Ньютон оптикамен айналысуды дүние жүзінде бірінші рет телескоп-рефлектор жасаудан бастады. Ол кезде аспан механикасының проблемаларын шешу дәл астрономиялық бақылауларға байланысты еді. Телескоп-рефракторлар үлкейту кезінде өте бұрмаланған кескіндер берді. Ньютон одан құтылудың жолы — телескоп-рефлекторды пайдалану екендігін түсінді. Сөйтіп өз қолымен, ерінбей-жалықпай ұзақ уақыт аралығында ондай телескопты жасап шықты. Осы еңбегі үшін, ол кезде Англияда үлкен мәртебе болып есептелетін, Король қоғамының мүшесі болып сайланды.

Телескоптағы хроматиялық аберрацияны жою жолындағы ізденістер оны призма көмегімен ақ жарықты жіктеу тәжірибелеріне алып келді. Егер тұстастары спектрдің пайда болуын призманың ауытқыту қасиетімен байланыстырса, бірінші рет Ньютон әр түсті жарықтың сынуы әр түрлі болатындығымен түсіндірді. Ньютонның атомистік көзқарасы құбылысты жарық көзінен шығатын корпускулалар қасиетімен байланыстыруға әсер жасады.

Ньютон корпускулалық теория көмегімен жарықтың сыну құбылысын да түсіндіріп берді. Жарық корпускулалары тығыздығы жоғары ортаға өткенде зат бөлшектеріне күштірек тартылады, сондықтан корпускулалар жылдамдығының нормаль құраушысы өседі де, тангенциалдык құраушысы өзгермей қалады деп ойлады. Олай болса, Ньютонның айтуынша жарықтың белгілі ортадағы жылдамдығы бостықтағы жылдамдығынан артық болуы тиіс еді. Гюйгенс теориясы бойынша ол керісінше болуы керек. Бұл жарық табиғаты жөніндегі екі түрлі көзқарастын, беретін екі түрлі қорытындысының қайсысының дұрыс екендігін шешетін тек эксперимент еді. Экспериментте жарықтың бостықтағы және белгілі ортадағы жылдамдықтары өлшеніп, олар өзара салмстырылуы қажет еді, бірақ ондай тәжірибелерді жасау ол кезде мүмкін болмады.

Бұл тұрғыдан жарық дисперсиясы оңай түсіндірілді: әр түсті сәулеге ортаға әр түрлі тартылатын корпускула сәйкес келеді.

Ньютон жарық дифракциясын да тартылыс арқылы түсіндірді. Кедергі шетіне жақын өтетін корпускулалар күштірек тартылады, сондықтан ол сәулелер түзу сызықты бағытынан ауытқиды деп ойлады. Шаш көмегімен өзі жасаған тәжірибедегі дифракциялық картинаның ортасында пайда болатын жарық жолақты ол байқамады, оның болмауын корпускулалық гипотезаның пайдасына шешті.

Ньютон физика тарихында бірінші рет интерференция құбылысына сандық талдау жасады. Өзі дайындаған құрылғы көмегімен (ол кейіннен «Ньютон сақиналары» деп аталып кетті) жарық құбылысының периодтылығын тапты, бірақ бұл құбылысты түсіндіруде де корпускулалық идеяны пайдаланды.

Сөйтіп, Ньютон сол кезде тәжірибеден белгілі болған барлық оптикалық құбылыстарды корпускулалық теория тұрғысынан түсіндіріп, оларды бір жүйеге түсірді. Мұндай жұмысты Ньютонның замандастарының ешқайсысы жасай алмаған еді.

Сондықтан да Ньютонның идеясы XVIII ғасырда түгел және XIX ғасырдың алғашқы ширегінде толық билік құрып келді. Ғалымдардың басым көпшілігі корпускулалық теорияны жақтады, өйткені ол кездегі оптиканың негізін құрайтын геометриялық оптика бұл гипотеза көмегімен нанымды түрде түсіндіріледі деп есептеді. Ньютон көзқарасына тек Эйлер мен Ломоносов ғана қарсы болды.

Бұл дәуірдегі оптикадағы жаңалық ретінде тек XVIII ғасырдың орта шенінде П.Бугер мен И.Ламберттің фотометрияның негізгі ұғымдары мен заңдылықтарын тұрақтандырғанын айтуға болады.

 

3.4 Жарықтың толқындық теориясының қайта дамуы, оның электромагниттік табиғатының бекуі

 

XIX ғасырдың алғашқы ширегінің соңында оптикалық көзқарастарда төңкеріс байқалды. Ол ағылшын физигі Томас Юнг (1773-1829 ж.) пен француз ғалымы Френель (1788-1827 ж.) еңбектеріне байланысты еді. Алғашында Т.Юнг, ұмытылып кеткен Гюйгенстің толқындық теориясын негізге алып, жарық интер-ференциясының толық теориясын жасады және оны тәжірибелер көмегімен дәлелдеп берді. Юнг — ғылымға жарықтың толқын ұзындығы ұғымын ендіріп, жарықтың түсі сол толқын ұзындыққа байланысты екендігін айтқан ғалым. Саңылаудан және шаштан алынған дифракцияны да сол жарық интерференциясының көмегімен түсіндірді.

Френель Гюйгенс идеясын пайдаланып жарықтың үйлесімді толқындық теориясын жасап шықты. Гюйгенс теориясын өзі тапқан принципін байытып, бірінші рет жарық дифракциясының теориясын ұсынды. Жарық дифракциясы толқын фронтының әр нүктесінен келетін толқындар интерференциясы арқылы түсіндірілді. Френельдің қос айнамен және қос призмамен жасаған тәжірибелері жарықтың. толқындық теориясын толық дәлелдеп берді.

Юнг пен Френель еңбектерінің қорытындыларын замандастары өте салкын қабылдады, өйткені олардың көпшілігі әлі корпускулалық бағытты жақтайтын еді. Дегенмен XIX ғасырдың 30-40 жылдары қайсы гипотезаның дұрыстығы жөніндегі мәселе ашық түрінде қала берді.

1850 — жылы француз ғалымы Фуко айналмалы айналар көмегімен жарықтың ауадағы және судағы жылдамдығын өлшеді. Сөйтіп жарықтың судағы жылдамдығы ауадағы жылдамдығының 3/4 бөлігіндей болатындығын тапты. Осыған байланысты толқындық теория өте маңызды эксперименттік қолдау тапты. Бұл көзқарас толық жеңіске жету үшін эфир проблемасын шешуі тиіс еді. Бірақ ғалымдардың неше түрлі эфир жөніндегі ұсынған моделъдері мәселені түбегейлі шешіп бере алмады. Соған қарамастан XIX ғасырдын екінші жартысында толқындық теорияның позициясы нығайып, ол оптикада басымдық таныта бастады.

Жарықтың табиғатын түсіну бағытында маңызды қадам жасаған ағылшын физигі Дж.Максвелл (1831-1879 ж.) болды. Ол 1860-1865 жылдары электромагнитгік өріс теориясын жасады. Электромагниттік толқынның жарық жылдамдығына тең жылдамдықпен тарайтындығы жарықтың табиғатының электромагниттік екендігі жөніндегі ұсыныс енгізуіне (1865 ж.) мүмкіндік берді. 1973-жылы Максвелл теория жүзінде жарықтың қысымы болатындығын дәлелдеді, бірақ ол эфир ұғымынан құтыла алмады.

Электромагниттік толқынды ұшыру жөнінде жасалынған Герц тәжірибесі (1888 ж.) және жарық қысымының бар екендігін дәлелдеген П.Н.Лебедев тәжірибесі (1900 ж.) жарықтың электромагниттік толқын екендігін бұлтартпастан дәлелдеп берді. Сөйтіп, XX ғасырдың бастапқы жылдарында жарықтың электромагниттік теориясы толығынан дәлелденгенмен, эфир электромагниттік толқын тарайтын орта ретінде ғылымда қала берді.

Эфир жөніндегі шешуші қадамды 1905 ж. А.Эйнштейн жасады. Ол эфир жөнінде тағы бір гипотеза ұсынудың орнына, оны тәжірибелер қорытындысына қайшы келетін және салыстырмалық принциптеріне сәйкес келмейтін ұғым ретінде ғылымнан алыстатты. Сөйтіп арнаулы салыстырмалық теорияның дүниеге келуі — жарықтың электромагниттік теориясын біржолата бекіткен қадам болды және электромагниттік өріс өзінше өмір сүре алатын материалдық объектіге айналды.

Дегенмен XX ғасырдың алғашқы жылдарында жарықтың үздіксіздігі жөніндегі көзқарасқа күмән келтіретін жаңалықтар ашыла бастады.

1.5 Жарықтың кванттық теориясының шығуы

 

XIX ғасырдың соңында физиктердің басым көпшілігі теориялық физиканы аяқталған ғылым деп есептеді. Мысалы, В.Томсон физика ғылымының ашық аспанын тек екі кішкене ғана бұлт күңгірттеп тұр: біріншісі — эфир проблемасының қисыны келмей тұрғандығы, ал, екіншісі — «ультракүлгіндік күйреу» деп жорыды. Міне сол екінші бұлт дүниеге кванттық теорияның келуіне себепші болды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«Ультракүлгіндік күйреу» деп аталатын проблема физикада XIX ғасырдың аяқ кезінде пайда болды, ол қызған денелердің жарық шығаруына байланысты келіп шықты. Эксперименттік зерттеу жұмыстары қызған денелердің кез келген ұзындықтағы электромагниттік толқындар шығаратындығын және олардың тасымалдайтын энергияларының бірдей болмайтындығын көрсетті (10-сурет).

Суретте абсолют қара денелердің сәуле шығару қабілетінің толқын ұзындығы бойынша таралуы көрсетілген. Бұл эксперименттік мәліметтер теориялық тұрғыдан түсіндірілуі тиіс болды. Бірақ сол кезге дейін дамыған классикалық физика бұл құбылысты түсіндіріп бере алмады. Неміс физигі В.Вин қысқа толқындар үшін ғана тәжірибе қорытындысымен сәйкес келетін формула тапты, бірақ ол ұзын толқындар үшін тәжірибе қорытындысынан тіпті алшақ кетті (1,а-сурет). Ағылшын ғалымдары Рэлей және Джинс тапқан формула тек ұзын толқындар үшін энергияның таралуын түсіндірді де, қысқа толқындар үшін тәжірибе мәліметтеріне қайшы қорытынды берді (1, ә-сурет). Теория мен  тәжірибе арасындағы осы қайшылықты физиктер “ультракүлгіндік күйреу» деп атады

Бұл проблеманы неміс физигі Макс Планк (1858-1947 ж.) шешті, бірақ ол мәселені шешу үшін классикалық физикаға жат жаңа гипотезаны негізге алды: сәуле порция (квант) түрінде шығарылады және әр кванттың энергиясы жиілікке пропорционал, немесе . Осы қағиданы пайдаланып эксперименттен алынған қисықты толық түсіндіріп беретін формуланы қорытып шығарды, ол формула бұл күнде Планк формуласы деп аталады. Өзінің тапқан формуласы туралы М.Планк 1900-жылдың 14-желтоқсаны күні Неміс физиктері қоғамының отырысында баяндама жасады. Міне, осы күн кванттық теорияның туған күні болып есептеледі. Ол кезде классикалық емес, жаңа, кванттық физиканың тарихы басталғанын ешкім сезіне қойған жоқ.

Толқындық оптика XIX ғасырдың аяғы кезіне дейін аса зор жетістіктерге жеткенімен кейбір мәселелерді түсіндіруде әлсіздік байқатты, сондай құбылыстың бірі фотоэффект құбылысы еді. Құбылысты алғаш тапқан (1887 ж.) Г.Герц болғанымен, оны егжей-тегжейлі зерттеген орыс ғалымы А.Г.Столетов болды.

А.Г.Столетов фотоэффектінің бірнеше заңдылықтарын ашты, бірақ ол заңдылықтарды жарықтың электромагниттік теориясына сүйеніп түсіндіру мүмкін болмады.

Бұл құбылысты 1905 жылы Планк гипотезасын пайдаланып А.Эйнштейн жан-жақты түсіндіріп берді. Бұл Планк гипотезасының бірінші рет қолданылуы еді. Алты жыл өткеннен кейін, 1911 ж. Р.Милликен фотоэффект үшін жазылған Эйнштейн теңдеуінің көмегімен Планк тұрақтысының мәнін тәжірибеде анықтады, ол Планктың өз теориясында берген мәнімен бірдей болып шыкты. Сөйтіп, кванттық гипотезаны растайтын жаңа эксперименттік дәлелдер табылды.

Жарық қысымы, Комптон эффектісі, жарықтың химиялык әсерлері және т.б. құбылыстарды тек кванттық гипотеза көмегімен түсіндіруге болатын-дығы жарық табиғатының корпускулалық екендігін толық дәлелдеп берді.

Сонымен, XX ғасырдың басынан бастап жарық табиғаты жөніндегі екі түрлі көзқарас — толқындық және кванттық — бірге дами бастады. Бұл құбылыс ғылымда толқындық-корпускулалық дуализм деп аталады. 1924 ж де. Бройль еңбектерінен бастап дуализмдік қасиет тек фотондарға ғана емес барлық бөлшектерге тән касиет екендігі белгілі болды. Міне, сол кезден бастап бөлшектердің жаңа қасиеті ескеріліп жаңа физиканың — кванттық физиканың тараулары жазыла бастады.

3.6 Тақырыпты әдістемелік талдау

 

Мектептің соңғы базистік оқу жоспары бойынша 7-9-сыныптарда (бірінші басқышта) физика мен астрономияны біріктіріп оқыту нұсқасы ұсынылып отырғандығы белгілі. Негізгі мектепте (7-9-сыныптарда) жаңаша құрылған «Физика мен астрономия» курсының барлық тарауларында да әр сыныпта астрономия элементтерін физикамен байланыстыра оқыту көзделуде. Мұндай курстың материалдары негізінен мынадай жүйеде түзілген: материяның бірлігі, табиғат құбылыстарының физикалық қасиеттері, астрономиялық түсініктер, олардың. техника мен өмірде қолданылуы. Әлемнің біртұтастығы мен материяның бірлігі деген әдіснамалық ұстаным (принцип) оның басты өзегі ретінде алынады. Өйткені күлді әлем материядан тұрады, ал материяның, өзі негізінен зат пен өріс түрінде көрініс береді. Барлык физиканың мазмұны зат, өріс, жарық туралы ілімге шоғырланған. Мектеп физикасы деңгейінде алып қарасақ, жарық — өрістің дербес түрі. Кеңірек мағынада жарық материяның ерекше әмбебап түрі деуге болады: ол затқа да (фотон), өріске де (толқын) жатады. Жарық — сәуле, толқын, бөлшек түрінде байқалады. Оның табиғаты — электромагниттік, ал қасиеті — толқындық. және кванттық. Материалдық объект ретінде жарықтың екі қыры бөлшек және толқын түрінде түсіндіріледі. Сол себепті жарық туралы ілім физика ғылымының осы заманғы маңызды бағыттарының біріне саналады. Жарық — табиғаттың, өмірдің, өндірістің, техниканың ең басты факторы. Сол себепті де «жарық» деген сөзде барлық физика ілімдері өзара қиюласып, «қарама-қарсылықтардың күрделі бірлестіктері» ретінде диалектикалық түйін тапқан. Ендеше, материяның айрықша формасы — жарық туралы оқушылардың бойында диалектикалық дұрыс көзқарасты әу бастан қалыптастыру — физиканы оқытудың алғашқы қажеттілігі деп түсінген жөн. Сондықтан, мұндай ғылыми-әдістемелік жаңаша бағытқа сүйеніп, бірінші басқыштағы мектеп физика курсын жарық құбылыстары жайлы ілімнен бастап (7-сыныпта) оқытуды ұтымды деп санауға болады.

Осы тұрғыдан қазіргі кездегі мектеп физика курсында жарық құбылыстары бұрынғыдай геометриялық және физикалық оптикаға бөлінбейді. Орта мектепте жарық қүбылыстары (геометриялық оптика) туралы алғашқы мағлұматтар 7-сыныпта, жарықтың толқындық қасиеттері (интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия) мен жарық жылдамдығының тұрақтылығы және жарық кванттарының ерекшеліктері 11-сыныпта қарастырылады. Сондай-ақ, жарық құбылыстары факультативтік курстарда тереңдетіліп оқытылады (11-сыныпта).

Жарықтың табиғаты, жарық құбылыстары, көз және көру, жарық пен заттың өзара әсерлесу процесі туралы ілімдердің жиынтығы оптика деп аталады.

Сондықтан, оптика — физика ғылымы мен ғылыми техникалық прогрестің басты салаларының біріне жатады. Өйткені, электродинамиканың, электрониканың, автоматиканың, байланыс құралдарының, жарық-фото-телевизия техникасының, электронды есептегіш техника мен оптикалық кванттық генератордың, ядролық техниканың, т.с.с. қосалқы физиканың көптеген бағыттарының дамуы тікелей оптика іліміне байланысты. Оптиканың практикалық қолданылуы өте кең.

Күнделікті тұрмыста және техникада үйреншікті тұрғыдан бұрынғысынша талдасақ, оптиканың өзі геометриялық және физикалық оптика болып екі салаға бөлінеді.

Геометриялық оптиканың практикалық маңыздылығы өте-мөте оптотехникада (оптикалық инструменттердің теориясы), жарық техникасында және оптикалық жүйелерді жасауда байқалады. Физикалық оптиканың практикалық қажеттігін спектрлік анализден, фотографиядан, кинематографиядан, оптикалық кванттық генераторлардан, голографиядан көруге болады.

       Қазіргі заманғы ғылыми-техникалық прогресті үздіксіз дамытып отыруда, әсіресе, оптика-механикалық прибор құрылысының маңызы өте зор. Өйткені, металлургияның, машина жасау саласының, химияның, биологияның, геологияның, геодезияның, медицинаның, космонавтиканың оптика-механикалық аспаптарды қолданбайынша қарқынды өркендеуі мүмкін емес. Мысалы, астрономиялық және аэроғарыштық аппаратураларды, спектрлік және өлшеуіш приборларды, кино-фото-теле-видео-аппараттарды, дыбыстық техникалық жабдықтар мен байланыс құралдарын, медициналық эндоскоптарды, электрондық — компьютерлік және лазерлік қондырғыларды жетілдіру оптика-механикалық аспаптар жасау ісіне тікелей байланысты екендігі белгілі.

Көп таралған оптикалық приборлар қатарына проекциялық аппаратуралар, фото-киноаппараттар, микроскоптар, телескоптар, теңіз-аэронавигация қондырғылары жатады. Мәселен, кәсіби-бағдарлық мақсатта қажетті окулист (көз дәрігері) мамандығы бойынша офтальмоскоп, эндоскоп, перитраф, экзофтальмометр, адаптометр, индикатор, ультрадыбысты офтальмологиялық аппарат сияқты түрлі аспап — қондырғылардың колданылатындығын физика пәні мұғалімінің білгені жөн.

Мұндай оптикалық приборларда, негізінен линзалар мен айналардың, пластинкалар мен фотоэлементтердің жүйесі пайдаланылады және көздің көру принципі де ескеріледі. Осы тұрғыдан оптика — көру туралы ғылым деп те аталады. Қорытындылап айтқанда, оптика — жарық құбылыстары, жарық пен заттың өзара әсерлесу процесі, жарықтың табиғаты туралы ілім деп түсіну қажет.

Оптотехниканың теориялық дәлелдемесі болып саналатын геометриялық оптика мына заңдарға негізделеді:

а) біртекті ортада жарықтың түзу сызықты таралуы;

ә) жарық ағындарының бір-біріне тәуелсіздігі;

б) шағылу және сыну заңдары.

Бұл заңдар оптикалық құбылыстардың. табиғатына түсінік бермей, тек жарықтың таралу бағытына ғана қатысты орындалатынын ескерту керек. Дененің кескінін алу үшін, оның геометриялық қасиеттерін сипаттайтын осы заңдарды пайдалану ғана  жеткілікті деп саналады.

Осы уақытқа дейін геометриялық оптиканы түсіндірудің үш түрлі тәсілдері айқындалған.

1. Алғашқы қалыптасқан тәсіл: жарық сәулесі геометриялық түзу, ал жарық көзі — нүкте деген ұғымдарға сүйеніп, дененің кескінін салу; онан соң интерференция мен дифракцияқ құбылыстары негізінде жарықтың толқындық табиғатын түсіндіру. Бұл тәсіл бойынша бұрынғы мектеп оқулықтарында жарықтың геометриялық және толқындық қасиеттерінің арасындағы өзара байланыс ашылмай қалып келді, жарықтың кванттық қасиеттері тіпті қарастырылмады.
2. Жарықтың түзу сызықты таралуын, оның шағылуы мен сынуын, сондай-ақ дененің кескінін салуды, жарықтың толқындық қасиетіне (Гюйгенс принципін пайдалану арқылы) негіздей түсіндіру (П.А.Знаменский ұсынған тәсіл). Бүл тәсілдің оқушыларға көптеген қиындығы байқалады: а) оптотехникада толқындардың жәрдемімен дененің кескіні салынбайды; ә) жарық толқындарының сфералық айналардан шағылуы және линзалардан өтуі арқылы геометриялық кескіндерді салу өте күрделі, оқушыларға түсіну мүмкін емес.
3. Оптикалық құбылыстарды түсіндіруде, табиғатта нақты байқалатын жарық ағыны және жарық толқыны негізінде екі идеяны қоса-қабат пайдалану тәсілі (Л.И.Резников). Мұндай тәсілмен түсіндіру де, жарық сәулесі — жарық ағынының осі, ал жарық толқыны — су бетінде байқалатын толқындар тәріздес деген ұғымдар аналогия ретінде қолданылады.

Қазіргі мектеп оқулықтарында осы үшінші тәсілді пайдаланудың әдістемелік тиімділігі байқалып келеді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қорытынды

 

Жарықтың табиғаты, жарық құбылыстары, жарық пен заттың өзара әсерлесу процестері – физика ғылымы мен ғылыми техникалық процестің басты салаларының біріне жатады. Себебі, электродинамиканың, электрониканың, автоматиканың, байланыс құралдарының, жарық фототелевизия техникасының, электронды есептегіш техника мен оптикалық кванттық генератордың көптеген бағыттарының дамуы тікелей оптика іліміне байланысты. Сондықтан, бұл жұмыста жарықтың толқындық және кванттық қасиеттерін түсіндірудің әдістемесі қарастырылды.

Жарық табиғатының толқындық сипатын көрсететін құбылыстар: жарық дисперсиясын, интерференциясын, дифракциясын, поляризациясын оқыту барысында проблемалық мәселелер және бұл құбылыстарды бақылайтын тәжірибелерді көрсетудің барысында оқушылар тақырыпты жақсы түсінетіндігі айтылды.

Жарықтың кванттық қасиетін оқыту нәтижесінде оқушылар бірінші рет кванттық идеялармен, яғни оның фотондар екендігін дәлелдейтін фотоэффект, Комптон-эффект, жарықтың қысымы, фотохимиялық реакция сияқты құбылыстармен танысады. Сөйтіп, жарықтың қасиетіжөніндегі корпускулалық-толқындық дуализм проблемасымен ұшырасады, оны шешу жолдарыноқиды, жарықтың табиғаты жөніндегі көзқарастың даму тарихын кө алдарынан өткізеді. Осылардың бәрі оқушылардың ғылыми дүниетанымын қалыптастыруда маңызды роль атқарады.

 

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

 

1. Под ред. С.Я.Шамаша. Методика преподования физики в средней школе. Москва, Просвещение, 1987.
2. Под ред. С.Е.Каменецкого, Л.А.Ивановой. Методика преподавания физики в средней школе. Москва, Просвещение 1987.
3. Орехов В.П., Корж Э.Д. Преподавание физики. Москва, Просвещение 1986.
4. Под.ред. А.А.Пинского, П.И.Самойленко. Методика преподавания физики в средних специальных учебных заведениях. М., Высшая школа, 1986.
5. Құдайқұлов М., Жаңабергенов Қ. Орта мектепте физиканы оқыту әдістемесі. Алматы, Рауан, 1998.
6. Қалығұлов А.Ж. Физиканы оқыту методикасы. Алматы, Рауан, 1992.
7. Жаңабергенов Қ. Электроника негіздері. Алматы, Мектеп, 1989.
8. Тобаяқов Ж. Электр және магнетизм. Алматы, Мектеп, 1988.
9. Буров В.А., Покровский А.А. және т.б. Орта мектептің 6-7 кластарында физикадан жасалатын демонстрациялық тәжірибелер. Алматы, Мектеп, 1979.
10. Аққошқаров Е. Физикалық ұғымдарды қалыптастыру және терминдерді меңгеру тәсілдері. Алматы, мектеп, 1986.
11. Жаңабергенов Қ. Электроника негіздері. Алматы, Мектеп, 1989.
12. Бұзаубақова К.Ж. Физика сабақтарында оқытудың инновациялық технологиялары. Алматы, 2005.
13. Қойшыбаев Н. Физикадан ұлттық бірыңғай теске арналған әдістемелік құрал. Алматы: Зият Пресс, 2006 .
14. Қойшыбаев Н. Оптика. Алматы: Зият Пресс, 2006 .
15. Бұзаубақова К.Ж. Физика в калейдоскопах. Алматы, Жазушы 2006.
16. Федотов И.П., Кулина И.Д. Изучение электромагнетизма в курсе физики средней школы. М: Просвещение 1978.
17. Шахмаев Н.Н., Каменецкий С.Е. Демонстрационные опыты по электродинамике. М: Просвещение, 1973.