Рис. 12. Определение разности хода волн двух параллельных лучей
Ясно, что до взаимной встречи луч 1 должен будет пройти путь больший, чем луч 2, а именно на величину, которая на рисунке обозначена буквами А1Б1. Пусть у этих лучей разность хода волн в точках А1 и А2 равна нулю. Когда волны света, идущие вдоль луча 1, достигнут точки Б1 образуется разность хода волн (по отношению к волнам, идущим вдоль луча 2). Она будет равна отрезку А1Б1.
Что будет на экране в результате взаимодействия лучей, идущих в указанном направлении под углом φ1 — усилится яркость света или, напротив, он погаснет?
Это зависит от величины разности хода волн, выражаемой отрезком А1Б1. Если отрезок А1Б1 равен целому числу волн (0, λ, 2λ, Зλ, 4λ и т. д.), то в направлении под углом φ1 будет усиление света. Если же отрезок А1Б1 равен целому числу волн с половиной (λ/2, 1 1/2λ, 2 1/2λ и т. д.), то в направлении φ1 лучи погасят друг друга.
Рис. 13. Зависимость разности хода волн от угла отклонения лучей
Если мы будем рассматривать другую пару интерферирующих лучей, идущих под углом φ2, то длина отрезка А1Б1 т. е. разность хода волн, будет уже другой; это ясно видно на рис. 13 : А1Б1 не равно А1Б2.
Будем последовательно рассматривать пары интерферирующих лучей, начиная с тех, которые идут под углом, равным нулю.
Ясно, что разность хода волн у этой первой пары лучей равна нулю; они усилят друг друга, на экране появится цветная яркая полоса. По мере увеличения угла отклонения лучей разность хода волн будет возрастать и приближаться к λ/2, яркость света в этих направлениях будет постепенно ослабляться. Когда при некотором угле разность хода волн достигнет λ/2, лучи в этом направлении погасят друг друга, на экране будет темная полоса.
При дальнейшем увеличении угла разность хода волн будет возрастать от λ/2 и выше. Яркость освещения в соответствующих местах экрана будет постепенно увеличиваться. Она будет наибольшей, когда разность хода волн достигнет λ. Далее при возрастании угла разность хода волн будет возрастать от λ и выше; когда она достигнет 1 1/2λ на экране снова появится темная полоса.
Так, при возрастании наклона лучей разность хода волн у пары соседних лучей будет поочередно равна 0, λ/2, 1λ, 1 1/2λ, 2λ, 2 1/2λ и т. д., а на экране в соответствующих направлениях будут перемежаться цветные и темные полосы.
Если мы будем освещать щели другими одноцветными лучами, то у них наклон лучей, дающих первую темную полосу, будет уже не тот, что у лучей первого цвета. Это происходит потому, что у них другая длина волны; поэтому отрезок, равный разности хода в полуволну, будет уже не А1Б1, а какой-то другой.
Так представляют себе физики механизм появления световой интерференции.
Как можно измерить длину световой волны
Опыт с интерференцией света замечателен не только тем, что он свидетельствует о наличии у света волновых свойств, он дает возможность измерить и длину волны интерферирующего света.
Рассмотрим на экране (рис. 14) те цветные полосы, в которых лучи света усиливают друг друга, т. е. где образуются «максимумы света». Одна из цветных полос по перпендикуляру от щели будет наиболее яркой; она образуется от лучей, которые идут после прохождения щелей под углом φ1 равным нулю. Физики назвали эту яркую цветную полосу «максимумом нулевого порядка». По обе стороны от нее будут цветные полосы одинаковой яркости, но послабее, чем максимум нулевого порядка. Это — максимумы первого порядка.