Как объяснить цвета тонких пленок физика кратко

Обновлено: 02.07.2024

Цвет тонких пленок обусловлен явлениями интерференции света, падающего на пленку и отражающегося как от верхней, так и от нижней поверхности пленок; благодаря различной скорости прохождения света в воздухе и в пленке вследствие интерференции света отраженный луч может усиливаться или затухать. Когда на пленку падает сложный белый световой луч, часть окрашенных лучей, составляющих белый луч, усиливается, другая часть затухает, в результате чего пленка получает в зависимости от ее толщины тот или иной цвет. [1]

Цвета тонких пленок ( например, пленки нефти на воде) и цвета радуги имеют совершенно различные оттенки. [2]

Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев интерференции света. [3]

Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 ( рис. 176) 2, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а вторая - от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн - сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина t усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции ( усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. [4]

Цвета радуги являются чистыми спектральными цветами ( см. задачу 844), так как по данному направлению виден лишь луч вполне определенной длины волны, Цвета тонких пленок , наоборот, получаются из-за гашения ( полного или частичного) лучей некоторого спектрального интервала в результате интерференции. [5]

Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев интерференции света. [6]

Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев и н-терференции света. [7]

Инфракрасное изображение, спроектированное на эту пленку, создает благодаря неравномерности испарения масла микрорельеф. При освещении этого микрорельефа возникает интерференционная картина ( в цветах тонких пленок ), воспроизводящая наблюдаемый объект. [8]

Если наблюдение ведется в монохроматическом свете, то интерференционная картина представляет собой чередование светлых и темных полос. При наблюдении в белом свете пленка оказывается окрашенной в разные цвета. Подобная окрашенность пленок, обусловленная интерференцией отраженных от поверхностей лучей, носит название цветов тонких пленок . Следует заметить, что при наблюдении в белом свете отклонение от параллельности поверхности пластинки должно быть незначительным. [9]

Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность их волновой интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир. Движением световых частиц через эфир переменной плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких пленок , дифракция света и его дисперсия. Именно Ньютон осознал поляризацию как изначальное свойство света, объясняемое оцредел. Гюйгенс полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью. [10]

Одно время высказывались сомнения в том, что цвет побежалости на железе действительно зависит от толщины пленки. Катодная обработка железа с цветами побежалости в разбавленной соляной кислоте дает более однородное уменьшение толщины3 и ожидаемое изменение цветов было в действительности получено; в данном случае уменьшение толщины зависит от катодного восстановления окиси железа до закиси, которая очень быстро растворяется в кислоте; скорость реакции зависит только от силы тока и таким образом легко получить необходимую однородность уменьшения толщины пленки. Следовательно, указанное выше возражение по отношению к интерференционному объяснению цветов тонких пленок устранено. [11]

Но на бесконечности или в фокальной плоскости собирающей линзы полосы наблюдаются и при протяженном источнике. Оказывается, что для достаточно тонкой пластинки или пленки ( поверхности которой не обязательно, должны быть параллельными и вообще плоскими) можно наблюдать интерференционную картину, локализованную вблизи отражающей поверхности. В белом свете интерференционные полосы окрашены. Поэтому такое явление называют цвета тонких пленок . [12]

Теперь вернемся к интерференционной картине, показанной на рис. IV цветной вклейки, и выясним происхождение разноцветных полос, наблюдаемых при падении белого света. Во всех подобных случаях объяснение этих полос одинаково. Необходимо рассмотреть интерференционную картину, которая получилась бы при падении света каждого спектрального цвета в отдельности; затем для каждого узкого участка пленки надо отметить, какие цвета на нем могут и какие не могут наблюдаться, после чего можно предсказать тот сложный цвет, который будет виден в данном месте пленки при падении белого света. Например, если в некотором месте голубой цвет отсутствует, а красный интенсивен, при падении белого света будет виден цвет, сходный с одним из цветов красного конца спектра: с желтым или красным. Если в другом месте могут наблюдаться только голубой и красный цвета, то падение белого света даст в этом месте пурпуровый цвет. Изложенный метод предсказания цвета иллюстрирован на рис. VII цветной вклейки. Там этот метод применен к дифракционным картинам от одной щели при белом освещении, но тот же метод можно применять ко всем видам интерференционных картин, в частности к результатам опыта Юнга и к цветам тонких пленок . [13]

При наблюдении интерференционных явлений непосредственно глазом (без промежуточного экрана) нужно всегда помнить, что хрусталик глаза составляет существенную часть всей оптической схемы опыта и что наблюдаемая картина будет сильно зависеть от фокусировки (аккомодации) глаза.

Рассмотрим какую-либо точку поверхности через эту точку от источника в глаз наблюдателя после отражения от пленки пройдут два луча и Луч попадает в глаз непосредственно после отражения от верхней границы, луч как видно из рисунка, проходит гораздо более сложный путь. Глаз, сфокусированный, как было указано, на верхнюю границу, соберет оба луча в одной точке сетчатки В точку лучи придут с известной разностью хода, поскольку они проходят различные пути. В зависимости от величины разности хода глаз увидит точку А светлой или темной (в монохроматическом свете). Подсчитаем, как зависит эта разность хода от угла падения толщины пленки и показателя преломления пленки При этом нужно учесть, что вследствие малости зрачка глаза лучи и должны быть весьма близкими, иначе они одновременно не попадут в зрачок. Поэтому при расчете мы можем считать с достаточной степенью точности лучи и параллельными (т. е. угол бесконечно малым). Их непараллельность существенна только для аккомодации глаза. Если провести перпендикулярно к обоим лучам, то до точек оба луча идут в одинаковых условиях и приходят в эти точки в одинаковой фазе. Однако, начиная с этого момента, условия их распространения становятся резко различными. Первый луч до точки проходит отрезок в воздухе; второй луч до точки А проходит путь в среде с показателем преломления

Рис. 57. Полосы равной толщины.

Скорость света в такой среде в раз меньше, и, следовательно, соответственно меньше длина световой волны. Проще всего это Показать на основании общего соотношения между частотой длиной волны X и скоростью распространения v (т. 1, § 63, 1959 г.):

Так как частота определяется источником и не зависит от среды, то длина волны в среде К связана с длиной волны в пустоте следующим соотношением:

Согласно определению следовательно,

Из рис. 57 видно, что

С другой стороны,

Тогда разность хода равна:

Учитывая это ббстоятельство, мы окончательно получаем:

Когда толщина такова, что указанная разность хода лучей равна четному числу полуволн, мы будем видеть свет, при нечетном числе полуволн — темноту.

До сих пор предполагалось, что источник испускает монохроматический свет с одной длиной волны В случае источника белого

света наблюдаемая картина будет окрашенной так же, как в опытес зеркалами Френеля. Интерференционная полоса определенного цвета будет согласно формуле (5) соответствовать точкам пленки, обладающим одинаковой толщиной Ясно, что цвет этих полос зависит также от угла наблюдения Указанные эффекты и вызывают красивую игру цветов мыльных пузырей и масляных пятен на поверхности воды или асфальта. В тех частях пленки, где толщина значительно меньше полуволны, для всех длин волн видимого света можно пренебречь первым членом в формуле для очевидно, будет равна для всех лучей это место будет темным. Такие черные пятна могут получаться на мыльных пузырях.

Рис. 58. Интерференционные полосы в клине.

Если на одну стеклянную пластинку положить другую и между ними с одной стороны проложить маленький кусочек стекла, то воздушный слой между пластинками образует клин (рис. 58). В отраженном свете будут видны цветные полосы, параллельные преломляющему ребру клина. Объясняется это тем, что точки клина, находящиеся на одном и том же расстоянии от ребра клина, т. е. лежащие на прямой, параллельной ребру, соответствуют одному и тому же значению В данном случае равна просто (падение по нормали

В части А (рис. 58), где толщина весьма мала, разность хода очень близка к

При переходе к более толстой части клина мы придем в такое место В, где Там будет видна светлая полоса; она будет радужной, потому что волны различных длин (разных цветов) удовлетворяют условию при несколько различных значениях толщины При дальнейшем передвижении по клину мы будем последовательно проходить места, соответствующие разности хода . В таких местах будут видны радужные полосы, в то время как промежутки между ними заняты темными полосами. При переходе от одной полосы к другой толщина клина возрастает на (см. связь между ). Очевидно, чем больше будет угол клина, тем скорее будет нарастать разность хода при движении вдоль клина и тем чаще будут полосы.

Поэтому интерференционные полосы можно наблюдать только в очень пологих клиньях, ибо при сколько-нибудь значительном угле клина интерференционные полосы становятся настолько частыми,

что их нельзя различить. Полосы аналогичного происхождения возникают при наложении слабо выпуклой линзы на плоскую пластинку, в клинообразном воздушном слое между ними. В этом случае они имеют вид колец, расположенных все более и более часто при удалении от центра (рис. 59). Их называют кольцами Ньютона.

На рис. 60 изображено сечение линзы, наложенной на плоскую пластинку. При наблюдении колец Ньютона в отраженном свете существенной является интерференция колебаний, отраженных от внутренней поверхности линзы и от наружной поверхности пластинки. Обычно световые лучи падают почти по нормали к пластинке, поэтому угол близок к нулю и разность хода равна просто

Рис. 59. Кольца Ньютона.

Толщина воздушного слоя на расстоянии от точки В определяется из простых геометрических соображений:

С другой стороны, из треугольника следует:

Так как при наблюдении колец Ньютона радиус кривизны линз очень велик и наблюдение ведется в области, близкой к то значительно больше и величиной можно пренебречь по сравнению с Тогда получаем:

т. е. разность хода растет пропорционально квадрату удаления от центра картины. Таким образом, чем дальше от центра, тем быстрее растет разность хода.

Рис. 60. Происхождение колец Ньютона

Это и понятно: ведь чем дальше от точки В, тем больший угол составляет поверхность линзы с плоскостью пластинки, что соответствует как бы клину с возрастающим углом. Последнее объясняет сгущение колец при удалении от центра.

Для темных колец разность хода должна быть равна откуда в местах образования темных колец

что в сочетании с (6) приводит к

Пользуясь соотношением (6а), связывающим радиус кольца с радиусом кривизны можно либо определять длину волны света, либо, зная длину волны, определять радиус кривизны линзы. Такой способ определения кривизны особенно удобен при малых кривизнах, т. е. больших

Полосы в прозрачном клине и кольца Ньютона отмечают места, в которых разность хода постоянна вследствие постоянной толщины среды; поэтому их называют полосами равной толщины.

Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Условия интерференции

Волны должны быть когерентны. Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.

Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели.
Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отвер­стия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S1 и S2.
Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: ℓ1 и ℓ2.
На экране наблюдается чередование светлых и темных полос.

Интерференция света

Условие максимума.

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие максимума:
т. е. на разности хода волн укладывается четное число полуволн (k= 1, 2, 3, . ).




Условие минимума

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие минимума: ,

т. е. на разности хода волн укладывается нечетное число полуволн (k= 1, 2, 3, . ).

Интерференция света в тонких пленках

Различные цвета тонких пленок — результат интерфе­ренции двух волн, отражаю­щихся от нижней и верхней по­верхностей пленки. При отражении от верх­ней поверхности пленки проис­ходит потеря полуволны. Сле­довательно, оптическая раз­ность хода .

Тогда условие максимального усиле­ния интерферирующих лучей в отраженном свете следую­щее: .


Если потерю полуволны не учитывать, то .

Кольца Ньютона

Интерференционная карти­на в тонкой прослойке воздуха между стеклянными пластина­ми — кольца Ньютона.


Волна 1 — результат отра­жения ее от точки А (граница стекло —воздух). Волна 2 — отражение от плоской пласти­ны (точка В, граница воздух — стекло). Волны когерентны: возникает интерференционная картина в прослойке воздуха между точками А и В в виде-концентрических колец. Зная радиусы колец, можно вычислить длину волны, используя формулу , где r - радиус кольца, R — радиус кри­визны выпуклой поверхности линзы.

Использование интерференции в технике

Проверка качества обра­ботки поверхности до одной де­сятой длины волны. Несовершенство обра­ботки определяют но искрив­лению интерференционных по­лос, образующихся при отра­жении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

Просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы под­водных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполиро­ванная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, исполь­зуется явление интерференции света.

На поверхность оптическо­го стекла наносят тонкую пленку. Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, должно выполняться условие минимума. В отраженном свете разность хода волн равна: . Потеря полуволны происходит при отражении как от пленки, так и от стекла (показатель преломления стекла больше, чем пленки), поэтому, эту потерю можно не учитывать. Следо­вательно, , где n - показатель преломления пленки; h — толщина пленки. Минимальная толщина пленки будет при k=0. Поэтому . При равенстве амплитуд гашение света будет полным. Толщину пленки подбирают так, чтобы пол­ное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра (для зеленого цвета):

.

Чтобы рассчитать толщину пленки в этой формуле необходимо взять длину волны и показатель преломления зеленого света.

Лучи красного и фиолетового цвета ослабляются незначительно.поэтому объективы оптических приборов в отраженном свете имеют сиреневые оттенки

Физика

Электродинамика

Магнитное поле

Механические колебания

Электромагнитные колебания

Механические волны

Электромагнитные волны

Оптика

Геометрическая оптика

Задачи на сферическое зеркало

Линза

Волновая оптика

Основы теории относительности

Основы квантовой физики

Излучения и спектры

Световые кванты

Атомная физика

Ядерная физика

Физика элементарных частиц

Открытие позитрона. Античастицы

Современная физическая картина мира

Современная физическая картина мира

Строение Вселенной

Строение Вселенной

Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд


При определенных условиях интерференция может наблюдаться и в естественных условиях, например при освещении тонких прозрачных пленок, когда расщепление световой волны на когерентные происходит в следствии отражения света на передней и задней поверхности пленки. Это явление получило название цветов тонких пленок.

Пусть свет падает на тонкую пленку толщиной h с показателем преломления n (рис. 1). Он частично отражается от ее поверхности, частично переходит внутрь и отражается от второй поверхности и на верхней поверхности встречается с первой частью.

Оптическая разность хода будет равна


Δ=n∙2AD–n'BC; ; BC=АСsinα=2AEsinα=2htgβsinα.

На основании закона преломления n'∙sinα=n∙sinβ, поэтому



Однако, если известен угол падения, то (2)


Кроме этого при нахождении оптической разности хода необходимо учесть различие в условиях отражения на верхней и нижней поверхностях пленки. Первая часть волны отражается на границе сред с показателями преломления n>n'. Это приводит к тому, что фаза колебания электрического вектора () претерпевает изменение на p при отражении от границы раздела (n' Поделись с друзьями

Читайте также: