Modelele de interferență sunt benzi deschise sau întunecate care sunt cauzate de fasciculele care sunt în fază sau defazate unele cu altele. Când sunt suprapuse, undele luminoase și similare se adună dacă fazele lor coincid (atât în direcția creșterii, cât și în direcția scăderii), sau se compensează reciproc dacă sunt în antifază. Aceste fenomene se numesc interferență constructivă și, respectiv, distructivă. Dacă un fascicul de radiații monocromatice, toate având aceeași lungime de undă, trece prin două fante înguste (experimentul a fost efectuat pentru prima dată în 1801 de Thomas Young, un om de știință englez care, datorită lui, a ajuns la concluzia despre natura valurilor de lumină), cele două fascicule rezultate pot fi direcționate pe un ecran plat, pe care, în loc de două puncte suprapuse, se formează franjuri de interferență - un model de zone luminoase și întunecate care alternează uniform. Acest fenomen este utilizat, de exemplu, în toate interferometrele optice.
Suprapoziție
Caracteristica definitorie a tuturor undelor este suprapunerea, care descrie comportamentul undelor suprapuse. Principiul său este că atunci când se află în spațiuDacă sunt suprapuse mai mult de două valuri, atunci perturbația rezultată este egală cu suma algebrică a perturbațiilor individuale. Uneori, această regulă este încălcată pentru perturbări mari. Acest comportament simplu duce la o serie de efecte numite fenomene de interferență.
Fenomenul de interferență este caracterizat de două cazuri extreme. În maximele constructive ale celor două valuri coincid și sunt în fază unul cu celăl alt. Rezultatul suprapunerii lor este o creștere a efectului perturbator. Amplitudinea undei mixte rezultate este egală cu suma amplitudinilor individuale. Și, invers, în interferența distructivă, maximul unui val coincide cu minimul celui de-al doilea - sunt în antifază. Amplitudinea undei combinate este egală cu diferența dintre amplitudinile părților sale componente. În cazul în care sunt egale, interferența distructivă este completă, iar perturbarea totală a mediului este zero.
Experimentul lui Jung
Modelul de interferență din două surse indică clar prezența undelor care se suprapun. Thomas Jung a sugerat că lumina este o undă care se supune principiului suprapunerii. Celebra sa realizare experimentală a fost demonstrarea interferenței constructive și distructive a luminii în 1801. Versiunea modernă a experimentului lui Young diferă în esență doar prin aceea că folosește surse de lumină coerente. Laserul luminează uniform două fante paralele într-o suprafață opacă. Lumina care trece prin ele este observată pe un ecran de la distanță. Când lățimea dintre sloturi este mult mai mare decâtlungime de undă, sunt respectate regulile opticii geometrice - două zone iluminate sunt vizibile pe ecran. Cu toate acestea, pe măsură ce fantele se apropie una de ceal altă, lumina difractează, iar undele de pe ecran se suprapun. Difracția în sine este o consecință a naturii ondulatorii a luminii și este un alt exemplu al acestui efect.
Model de interferență
Principiul suprapunerii determină distribuția de intensitate rezultată pe ecranul iluminat. Un model de interferență apare atunci când diferența de cale de la fantă la ecran este egală cu un număr întreg de lungimi de undă (0, λ, 2λ, …). Această diferență asigură că maximele sosesc în același timp. Interferența distructivă apare atunci când diferența de cale este un număr întreg de lungimi de undă deplasate la jumătate (λ/2, 3λ/2, …). Jung a folosit argumente geometrice pentru a arăta că suprapunerea are ca rezultat o serie de franjuri uniform distanțate sau pete de mare intensitate corespunzătoare zonelor de interferență constructivă separate de pete întunecate de interferență distructivă totală.
Distanța dintre găuri
Un parametru important al geometriei dublei fante este raportul dintre lungimea de undă a luminii λ și distanța dintre găurile d. Dacă λ/d este mult mai mic decât 1, atunci distanța dintre franjuri va fi mică și nu se vor observa efecte de suprapunere. Folosind fante apropiate, Jung a reușit să separe zonele întunecate de cele luminoase. Astfel, el a determinat lungimile de undă ale culorilor luminii vizibile. Amploarea lor extrem de mică explică de ce aceste efecte sunt observate doarsub anumite conditii. Pentru a separa zonele de interferență constructivă și distructivă, distanțele dintre sursele undelor luminoase trebuie să fie foarte mici.
lungime de undă
Observarea efectelor de interferență este o provocare din alte două motive. Majoritatea surselor de lumină emit un spectru continuu de lungimi de undă, rezultând mai multe modele de interferență suprapuse una peste alta, fiecare cu propria distanță între franjuri. Acest lucru anulează efectele cele mai pronunțate, cum ar fi zonele de întuneric total.
Coerență
Pentru ca interferența să fie observată pe o perioadă lungă de timp, trebuie utilizate surse de lumină coerente. Aceasta înseamnă că sursele de radiație trebuie să mențină o relație constantă de fază. De exemplu, două unde armonice de aceeași frecvență au întotdeauna o relație fixă de fază în fiecare punct din spațiu - fie în fază, fie în antifază, fie într-o stare intermediară. Cu toate acestea, majoritatea surselor de lumină nu emit unde armonice adevărate. În schimb, ele emit lumină în care se produc schimbări aleatorii de fază de milioane de ori pe secundă. O astfel de radiație se numește incoerentă.
Sursa ideală este un laser
Interferența este încă observată atunci când undele a două surse incoerente sunt suprapuse în spațiu, dar modelele de interferență se schimbă aleatoriu, împreună cu o schimbare aleatorie de fază. Senzorii de lumină, inclusiv ochii, nu se pot înregistra rapidschimbarea imaginii, ci doar intensitatea medie în timp. Fasciculul laser este aproape monocromatic (adică este format dintr-o lungime de undă) și foarte coerent. Este o sursă de lumină ideală pentru observarea efectelor de interferență.
Detecție frecvență
După 1802, lungimile de undă măsurate de Jung ale luminii vizibile ar putea fi legate de viteza insuficient de precisă a luminii disponibilă în acel moment pentru a aproxima frecvența acesteia. De exemplu, pentru lumină verde este de aproximativ 6×1014 Hz. Aceasta este cu multe ordine de mărime mai mare decât frecvența vibrațiilor mecanice. În comparație, un om poate auzi sunetul cu frecvențe de până la 2×104 Hz. Ce anume a fluctuat într-un asemenea ritm a rămas un mister pentru următorii 60 de ani.
Interferența în pelicule subțiri
Efectele observate nu se limitează la geometria dublă fantă folosită de Thomas Young. Când razele sunt reflectate și refractate de pe două suprafețe separate de o distanță comparabilă cu lungimea de undă, interferența apar în peliculele subțiri. Rolul filmului dintre suprafețe poate fi jucat de vid, aer, orice lichid transparent sau solide. În lumina vizibilă, efectele de interferență sunt limitate la dimensiuni de ordinul a câțiva micrometri. Un exemplu binecunoscut de film este un balon de săpun. Lumina reflectată de ea este o suprapunere a două valuri - una este reflectată de pe suprafața frontală, iar a doua - din spate. Se suprapun în spațiu și se stivuiesc unul cu celăl alt. In functie de grosimea sapunuluifilme, două valuri pot interacționa constructiv sau distructiv. Un calcul complet al modelului de interferență arată că pentru lumina cu o lungime de undă λ, interferența constructivă este observată pentru o grosime a peliculei de λ/4, 3λ/4, 5λ/4 etc., iar interferența distructivă este observată pentru λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formule pentru calcul
Fenomenul de interferență are multe utilizări, așa că este important să înțelegem ecuațiile de bază implicate. Următoarele formule vă permit să calculați diferite cantități asociate cu interferența pentru cele mai frecvente două cazuri de interferență.
Locația franjurilor luminoase în experimentul lui Young, adică zonele cu interferențe constructive, poate fi calculată folosind expresia: ybright.=(λL/d)m, unde λ este lungimea de undă; m=1, 2, 3, …; d este distanța dintre sloturi; L este distanța până la țintă.
Locația benzilor întunecate, adică zonele de interacțiune distructivă, este determinată de formula: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Pentru un alt tip de interferență - în pelicule subțiri - prezența unei suprapuneri constructive sau distructive determină defazajul undelor reflectate, care depinde de grosimea peliculei și de indicele de refracție al acestuia. Prima ecuație descrie cazul absenței unei astfel de deplasări, iar a doua descrie o deplasare pe jumătate de lungime de undă:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Aici λ este lungimea de undă; m=1, 2, 3, …; t este calea parcursă în film; n este indicele de refracție.
Observare în natură
Când soarele strălucește pe un balon de săpun, benzile colorate strălucitoare pot fi văzute, deoarece diferitele lungimi de undă sunt supuse interferențelor distructive și sunt îndepărtate din reflex. Lumina reflectată rămasă apare ca fiind complementară culorilor îndepărtate. De exemplu, dacă nu există nicio componentă roșie ca urmare a interferenței distructive, atunci reflexia va fi albastră. Filmele subțiri de ulei pe apă produc un efect similar. În natură, penele unor păsări, inclusiv păuni și păsări colibri, și cochiliile unor gândaci par irizante, dar își schimbă culoarea pe măsură ce se schimbă unghiul de vizualizare. Fizica opticii aici este interferența undelor de lumină reflectate din structuri subțiri stratificate sau rețele de tije reflectorizante. În mod similar, perlele și scoicile au iris, datorită suprapunerii reflexelor din mai multe straturi de sidef. Pietrele prețioase precum opalul prezintă modele de interferență frumoase datorită împrăștierii luminii din modelele obișnuite formate din particule sferice microscopice.
Aplicație
Există multe aplicații tehnologice ale fenomenelor de interferență a luminii în viața de zi cu zi. Pe ele se bazează fizica opticii camerei. Stratul obișnuit antireflex al lentilelor este o peliculă subțire. Grosimea și refracția sa sunt alese pentru a produce interferența distructivă a luminii vizibile reflectate. Acoperiri mai specializate constând dinmai multe straturi de pelicule subțiri sunt concepute pentru a transmite radiația doar într-un interval îngust de lungimi de undă și, prin urmare, sunt utilizate ca filtre de lumină. Acoperirile multistrat sunt, de asemenea, folosite pentru a crește reflectivitatea oglinzilor telescopului astronomic, precum și a cavităților optice laser. Interferometria - metode precise de măsurare utilizate pentru a detecta mici modificări ale distanțelor relative - se bazează pe observarea deplasărilor în benzile întunecate și luminoase create de lumina reflectată. De exemplu, măsurarea modului în care modelul de interferență se va schimba vă permite să determinați curbura suprafețelor componentelor optice în fracțiuni din lungimea de undă optică.
