Šema interferencije. Maksimalni i minimalni uslovi

Uzorci interferencije su svetle ili tamne trake koje su uzrokovane zracima koji su u fazi ili u fazi jedni sa drugima. Laki i slični talasi se dodaju kada se nadvore, ako se njihove faze poklapaju (bilo u smjeru povećanja ili opadanja), ili kompenzuju jedni druge ako se nalaze u antifazi. Ovi fenomeni se nazivaju konstruktivnim i destruktivnim smetnjama, respektivno. Ako je snop monohromatskog zračenja, svi talasi iste dužine prolaze kroz dve uske proreze (eksperiment je prvi put izveden 1801. godine od strane Tomasa Younga, engleskog naučnika koji je zahvaljujući njemu došao do zaključka o talasnoj prirodi svjetlosti), dvije rezultujuće grede mogu biti usmjerene Na ravnom ekranu, na kojem su umesto dve preklapajuće tačke bile postavljene granice smetnji - uzorak ravnomerno menjanja svetlosti i tamnih područja. Ovaj fenomen se koristi, na primjer, u svim optičkim interferometrima.

Superpozicija

Karakteristična karakteristika svih talasa je superpozicija koja opisuje ponašanje nadvišenih talasa. Njen princip je da kada se u prostoru nadmaši više od dva talasa, rezultujuća perturbacija je jednaka algebarskoj zbirci pojedinačnih perturbacija. Ponekad je ovo pravilo povrijeđeno za velike perturbacije. Takvo jednostavno ponašanje dovodi do velikog broja efekata, koji se nazivaju interferentnim fenomenima.

Fenomen interferencije karakteriše dva ekstremna slučaja. U konstruktivnim maksima dva talasa se podudaraju, i oni su u fazi jedni sa drugima. Rezultat njihove superpozicije je pojačavanje uznemiravajućeg efekta. Amplituda rezultujućeg mešovitog talasa je jednaka zbiru pojedinačnih amplituda. I obratno, u destruktivnim smetnjama, maksimum jednog talasa se poklapa sa minimumom drugog - oni su u antifazi. Amplituda kombinovanog talasa je jednaka razlici između amplitude njegovih sastavnih delova. U slučaju kada su jednaki, destruktivna smetnja je potpuna, a ukupni poremećaj medija je nula.

Mladi eksperiment

Uzorak interferencije iz dva izvora nedvosmisleno ukazuje na prisustvo preklapajućih talasa. Thomas Jung je predložio da je svetlost talas koji pokriva princip superpozicije. Njegova čuvena eksperimentalna dostignuća bila je demonstracija konstruktivne i destruktivne smetnje svetlosti 1801. Moderna verzija Jungovog eksperimenta je sasvim drugačija samo u tome što koristi koherentne izvore svetlosti. Laser jednako osvetljava dve paralelne proreze na neprozirnoj površini. Svetlost koja prolazi kroz njih se posmatra na udaljenom ekranu. Kada je širina između slotova mnogo duže od talasne dužine, primećuju se pravila geometrijske optika - na ekranu su vidljiva dva osvetljena područja. Međutim, kada se pukotine pristupe, svetlost se difraktira, a talasi na ekranu se preklapaju. Sama difrakcija je posledica talasne prirode svetlosti i još jedan primjer ovog efekta.

Interferencija

Princip suppozicije određuje rezultirajuću distribuciju intenziteta na osvetljenom ekranu. Uzorak interferencije se javlja kada je razlika puta od slota do ekrana jednaka celom broju talasnih dužina (0, λ, 2λ, ...). Ova razlika osigurava da visine dolaze istovremeno. Destruktivna smetnja se javlja kada je razlika u putanji jednaka broju talasnih dužina pomjerenih za pola (λ / 2, 3λ / 2, ...). Jung je koristio geometrijske argumente kako bi pokazao da suppozicija vodi do serije ravnih polja ili područja visokog intenziteta koji odgovaraju oblastima konstruktivnih smetnji koje su razdvojene tamnim područjima potpune destruktivne.

Raspored rupa

Važan parametar geometrije sa dve proreza je odnos talasne dužine svetlosnog talasa λ na rastojanje između rupa d. Ako je λ / d puno manje od 1, razdaljina između traka će biti mala, a efekti preklapanja neće biti primećeni. Jung je bio sposoban da odvoji tamne i lagane prostore, koristeći slične razmake. Tako je odredio talasne dužine boja vidljive svetlosti. Njihova izuzetno mala vrijednost objašnjava zašto se ti efekti primećuju samo pod određenim uslovima. Da bi se razdvojili dijelovi konstruktivnih i destruktivnih smetnji, rastojanje između izvora svjetlosnih talasa mora biti vrlo malo.

Talasna dužina

Posmatranje efekata mešanja je težak zadatak iz dva druga razloga. Većina izvora svetlosti emituje kontinuirani spektar talasnih dužina, što rezultira stvaranjem višestrukih interferencijskih šema koje su naduvane jedna na drugu, svaka sa sopstvenim intervalom između opsega. Ovo eliminiše najizraženije efekte, kao što su područja potpune tame.

Koherentnost

Da bi mogli da posmatraju smetnje u dužem vremenskom periodu, neophodno je koristiti koherentne izvore svetlosti. To znači da izvori zračenja moraju održavati konstantnu faznu vezu. Na primer, dva harmonična talasa iste frekvencije uvek imaju fiksnu faznu vezu u svakoj tački prostora - bilo u fazi, ili u antifazu, ili u nekim srednjim uslovima. Međutim, većina svetlosnih izvora ne zrači prave harmonijske talase. Umesto toga, emituju svetlost, u kojoj se slučajne promene faze javljaju milionima puta u sekundi. Takvo zračenje naziva se nekonzistentno.

Idealni izvor je laser

Interferencija se i dalje primećuje kada se dva nekomjerna izvora naduvaju u svemiru, ali obrasci interferencija se slučajno menjaju, zajedno sa slučajnim faznim smjenama. Senzori svetlosti, uključujući i oči, ne mogu da registruju brzu promenu slike, već samo prosečno intenzitet. Laserski zrak je gotovo monohromatski (tj. Sastoji se od jedne talasne duzine) i veoma koherentan. Idealan je svetlosni izvor za posmatranje efekata interferencije.

Određivanje frekvencije

Nakon 1802, talasne dužine vidljive svetlosti mjerene od strane Jung-a mogle su biti u korelaciji sa nedovoljno preciznom brzinom svjetlosti koja je dostupna u isto vrijeme kako bi se približno izračunala njegova frekvencija. Na primjer, u zelenom svjetlu je oko 6 × 10 ¹⁴ Hz. Ovo je mnogo redova veće od frekvencije mehaničkih oscilacija. Radi poređenja, osoba može čuti zvuk sa frekvencijama do 2 × 10 ⁴ Hz. Sta tacno fluktuira takvom brzinom, ostala je misterija za narednih 60 godina.

Interferencija u tankim filmovima

Ogledani efekti nisu ograničeni na geometriju dvostrukog proreza koju koristi Thomas Young. Kada se odrazi i refrakcija zracima sa dve povrsine odvojenih na rastojanju slicnoj talasnoj duljini, pojavljuju se smetnje u tankim filmovima. Uloga filma između površina može se odigrati vakuumom, vazduhom, bilo kojim čistim tečnostima ili čvrstim materijama. U vidljivom svetlu efekti interferencije ograničeni su na veličinu nekoliko mikrometara. Poznati primer filma je sapun sapuna. Reflektivna refleksija iz nje je superpozicija dva talasa - jedan se reflektuje sa prednje strane, a drugi sa pozadi. Oni su nametnuti u svemiru i složeni jedni s drugima. U zavisnosti od debljine filma sapuna, dva talasa mogu konstruktivno ili destruktivno delovati. Kompletan proračun interferencije pokazuje da se za svetlost sa jednom talasnom duzom posmatra konstruktivna smetnja za film od debljine λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4 itd. I destruktivan za λ / 2, λ, 3λ / 2, ...

Formule za izračunavanje

Fenomen interferencije je pronašao mnoge primene, pa je važno razumjeti osnovne jednačine koje se odnose na njega. Sledeće formule nam omogućavaju da izračunamo različite količine povezane sa interferencijom za dva najčešća slučaja.

Raspored svetlih traka u Youngovom eksperimentu, tj. Područja sa konstruktivnim smetnjama, mogu se izračunati pomoću izraza: y _light. = (ΛL / d) m, gde je λ talasna dužina; M = 1, 2, 3, ...; D je rastojanje između proreza; L je rastojanje do cilja.

Lokacija tamnih traka, odnosno područja destruktivne interakcije, određuje se formula: y _dark. = (ΛL / d) (m + 1/2).

Za drugu vrstu smetnji - u tankim filmovima - prisustvo konstruktivnog ili destruktivnog prekrivanja određuje fazno pomeranje reflektovanih talasa, što zavisi od debljine filma i indeksa njegove refrakcije. Prva jednačina opisuje slučaj kada takvog pomeranja nema, a drugi opisuje pomeranje pola talasne dužine:

2nt = mλ;

2nt = (m + 1/2) λ.

Ovde λ je talasna dužina; M = 1, 2, 3, ...; T je put koji je prešao u film; N je indeks refrakcije.

Posmatranje u prirodi

Kada sunce upali sapun sa sapunom, možete videti svetle obojene trake, jer su različite talasne dužine podložne destruktivnim smetnjama i uklanjaju se od refleksije. Preostalo reflektirano svetlo izgleda da dopunjuje uklonjene boje. Na primjer, ako kao rezultat destruktivnih smetnji ne postoji crvena komponenta, onda će refleksija biti plava. Slični efekti dobijaju filmovi tankog ulja na vodi. U prirodi perja nekih ptica, uključujući i paunove i humane ptice, a školjke nekih hrkavica izgledaju ružičaste, dok mijenjaju boju prilikom promjene ugla gledanja. Fizika optike ovde se sastoji u interferenciji reflektovanih svetlosnih talasa iz tankih slojeva struktura ili nizova reflektujućih šipki. Slično tome, biseri i školjke imaju iris zbog nametanja refleksija iz nekoliko slojeva materice od bisera. Dragoceni kamenčići, kao što je opal, pokazuju lepe obrasce interferencije usled rasipanja svetlosti od redovnih struktura koje formiraju mikroskopske sferične čestice.

Aplikacija

U svakodnevnom životu postoji mnogo tehnoloških primena svjetlosnih interferencijskih pojava. Na njima se zasniva fizika optika kamere. Uobičajeni antirefleksivni premaz sočiva je tanki film. Njegova debljina i refrakcija zraka odabrani su na način koji proizvodi destruktivne smetnje reflektovane vidljive svetlosti. Specijalizirani premazi koji se sastoje od nekoliko slojeva tankih filmova dizajnirani su da prenose zračenje samo u uskom talasnom opsegu i stoga se koriste kao svjetlosni filtri. Višeslojni premazi se takođe koriste za poboljšanje refleksije ogledala astronomskih teleskopa, kao i optičkih rezonatora lasera. Interferometrija - tačne metode merenja koje se koriste za snimanje malih promena na relativnim rastojanjima - zasniva se na posmatranju smena mračnih i svetlosnih traka proizvedenih reflektovanim svetlom. Na primjer, mjerenje kako će se promjena uzorka mijenjati, omogućava da se uspostavi ukrivljenost površina optičkih komponenata u frakcijama optičke talasne dužine.