Uzorci ometanja. Maksimalni i minimalni uvjeti

Uzorci ometanja jesu lagani ili tamni pojasevi koje uzrokuju zrake koje su u fazi ili u suprotnosti jedna s drugom. Svjetlosni valovi i slično se dodaju kada se primjenjuje, ako im faze podudarati (u smjeru povećanja ili smanjenja) ili oni međusobno se ako su u protivfaza. Ove fenomene nazivaju se konstruktivna i destruktivna interferencija, respektivno. Ako monokromatski snop svjetlosti, svi valovi koji imaju istu duljinu, prolazi kroz dva uska proreza (eksperiment prvi put proveden 1801. Thomas Young, engleski znanstvenik, koji je, zahvaljujući njemu došao do zaključka da je valne prirode svjetlosti), dvije nastale zrake mogu biti usmjereni na ravnom ekranu koji umjesto dva bliska mjesta nastaju smetnje resice - jednoliko naizmjenično uzorak svijetlih i tamnih područja. Taj se fenomen koristi, na primjer, u svim optičkim interferometrima.

slaganje

Definitivna karakteristika svih valova je superpozicija koja opisuje ponašanje nadovezanih valova. Njen princip je da kada se više prostora od dva vala u prostoru, rezultirajuća perturbacija je jednaka algebarskom zbroju pojedinih perturbacija. Ponekad, s velikim perturbacijama, ovo pravilo se krši. Takvo jednostavno ponašanje dovodi do brojnih efekata, koji se nazivaju fenomenima smetnji.

Fenomena smetnji karakteriziraju dva ekstremna slučaja. U konstruktivnim maksimumima dva vala se podudaraju, a one su u međusobnoj fazi. Rezultat njihove superpozicije je poboljšanje uznemiravanja. Amplituda dobivenog miješanog vala je jednaka zbroju pojedinačnih amplituda. I, obrnuto, u destruktivnim smetnjama, maksimum jednog vala podudara se s minimalnim sekundama - oni su u antifazi. Amplituda kombiniranog vala jednaka je razlici između amplituda njezinih sastavnih dijelova. U slučaju da su jednake, destruktivna smetnja je završena, a ukupni poremećaj medija je nula.

Youngov eksperiment

Interferencijski uzorak iz dva izvora nedvosmisleno ukazuje na prisutnost preklapajućih valova. Thomas Young sugerirao je da je svjetlost val koji poštuje načelo superpozicije. Njegovo poznato eksperimentalno postignuće bilo je demonstracija konstruktivnog i destruktivnog uplitanja svjetlosti u 1801. Suvremena verzija Jungovog eksperimenta inherentno se razlikuje samo po tome što koristi koherentne izvore svjetlosti. Laseri jednoliko osvjetljavaju dva paralelna utora na neprozirnoj površini. Svjetlost koja prolazi kroz njih promatra se na daljinskom zaslonu. Kada je širina između utora mnogo dulja od valne duljine, primjećuje se pravila geometrijske optike - na zaslonu se mogu vidjeti dva osvijetljena područja. Međutim, kada se puknuće približe, svjetlost se raspršuje, a valovi na zaslonu međusobno se preklapaju. Sam diffrakcija je posljedica valne prirode svjetlosti i još jedan primjer tog učinka.

Uzrok smetnji

Načelo superpozicije određuje nastalu raspodjelu intenziteta na osvijetljenom zaslonu. Uzrok smetnji nastaje kada je razlika u putu od utora na zaslon jednaka broju cijelih valnih duljina (0, lambda-, 2lambda-, ...). Ova razlika osigurava da vrhunci dolaze istodobno. Razorna smetnja događa se kada je razlika u putovanju jednaka broju cijelih valnih duljina pomaknutih pola (lambda- / 2, 3lambda- / 2, ...). Jung je upotrijebio geometrijske argumente koji pokazuju da superpozicija dovodi do niza jednakovrijednih vrpci ili područja visoke intenziteta koja odgovaraju područjima konstruktivne interferencije odijeljene tamnim područjima potpune destruktivnosti.

Udaljenost između holesa

Važan parametar geometrije s dva proreza je omjer duljine svjetlosnog vala lambda - do udaljenosti između rupa d. Ako je lambda- / d je znatno manji od 1, udaljenost između traka bit će manja, a učinci preklapanja neće biti promatrani. Koristeći blisko razmaknute proreze, Jung je mogao odvojiti mračna i lagana područja. Tako je odredio valne duljine boja vidljive svjetlosti. Njihova izuzetno mala vrijednost objašnjava zašto se ovi učinci promatraju samo pod određenim uvjetima. Da bi razdvojili područja konstruktivnih i destruktivnih smetnji, udaljenost između svjetlosnih izvora mora biti vrlo mali.

valna duljina

Promatranje učinaka smetnji je težak zadatak za još dva razloga. Većina izvora svjetlosti emitira kontinuirani spektar valnih duljina, što rezultira formiranjem višestrukih interferencijskih uzoraka postavljenih jedan na drugi, svaki s vlastitim intervalom između bendova. Time se uklanjaju najizraženije posljedice, kao što su područja potpune mrak.

koherencija

Da bi se mogli smatrati smetnjama dulje vrijeme, potrebno je koristiti koherentne izvore svjetlosti. To znači da izvori zračenja moraju održavati konstantnu fazu odnosa. Na primjer, dva harmonijska vala iste frekvencije uvijek imaju vezu fiksne faze u svakoj točki prostora - bilo u fazi, u antifazu ili u nekoj srednjoj državi. Međutim, većina izvora svjetlosti ne zrači istinskim harmonijskim valovima. Umjesto toga, emitiraju svjetlost, u kojoj se slučajne faze mijenjaju milijuni puta u sekundi. Takvo zračenje zove se nekoherentno.

Idealan izvor je laser

Interferencija se i dalje opaža kada se dva nepodudarna izvora preklapaju u prostoru, ali se uzorci interferencije mijenjaju nasumično, zajedno sa slučajnim pomakom faze. Senzori svjetla, uključujući i oči, ne može registrirati sliku koja mijenja brzo, ali samo intenzitet koji se mjeri u vremenu. Laserska zraka je gotovo jednobojna (tj. Sastoji se od jedne valne duljine) i vrlo koherentna. Ovo je idealan izvor svjetla za promatranje efekata smetnji.

Određivanje frekvencije

Nakon 1802, valne duljine vidljive svjetlosti koju je Young izmjerio moglo bi biti povezano s nedovoljno preciznom brzinom svjetlosti koja je dostupna u određenom trenutku da bi se približno izračunala njegova učestalost. Na primjer, zeleno svjetlo iznosi oko 6 × 10¹⁴ Hz. To je mnogo redova veličine veće od učestalosti mehaničke vibracije. Za usporedbu, osoba može čuti zvuk s frekvencijama do 2 × 10⁴ Hz. Ono što točno varira s takvom brzinom, ostalo je otajstvo za sljedećih 60 godina.

Uplitanje u tanke filmove

Promatrani učinci nisu ograničeni na dvostruku geometriju rezanja koju koristi Thomas Young. Kada se odvija refleksija i refrakcija zraka s dvije površine odvojene udaljenošću usporedivom s valnom duljinom, smetnje se javljaju u tankim filmovima. Uloga filma između površina može se igrati vakuumom, zrakom, bilo čistim tekućinama ili krutinama. Kod učinaka smetnji vidljivog svjetla ograničeni su na veličinu nekoliko mikrometara. Poznati primjer filma je mjehur za sapun. Svjetlo odraženo od nje je superpozicija dva vala - jedan reflektiran s prednje površine, a drugi - sa stražnje strane. Oni su postavljeni u svemir i složeni jedni s drugima. Ovisno o debljini sapunskog filma, dva vala mogu komunicirati konstruktivno ili destruktivno. Kompletan izračun uzorka interferencije pokazuje da je za svjetlo s jednom valnom duljinom lambda-konstruktivna smetnja opažena je za debljinu filma lambda- / 4, 3 lambda- / 4, 5 lambda- / 4, itd., i destruktivno - za lambda- / 2, lambda-, 3lambda- / 2, ...

Formule za izračun

Fenomena smetnji pronašla je mnoge primjene, stoga je važno razumjeti osnovne jednadžbe koje se primjenjuju na njega. Sljedeće formule omogućuju nam izračunavanje različitih količina povezanih s smetnjama u dva najčešća slučaja.

Uređenje svjetlosnih traka u Jungovo iskustvo, to jest područja s konstruktivnim smetnjama, može se izračunati pomoću izraza: y_{je svjetlo.}= (lambda-L / d) m, gdje lambda- - valna duljina - m = 1, 2, 3, ...- d - udaljenost između proreza - L - udaljenost do cilja.

Položaj tamnih vrpci, tj. Područja destruktivne interakcije, određuje se formulom: y_tamnije.= (lambda-L / d) (m + 1/2).

Za drugu vrstu smetnji - u tankim filmovima - prisutnost konstruktivnog ili destruktivnog sloja određuje fazni pomak reflektirajućih valova, što ovisi o debljini filma i indeksu njegovog loma. Prva jednadžba opisuje slučaj bez takvog pomaka, a drugi - pomak polovine valne duljine:

2nt = mlambda-;

2nt = (m + 1/2) lambda-.

ovdje lambda- - valna duljina - m = 1, 2, 3, ...- t - put koji se prevozi u indeksu filma-n-refrakcije.

Promatranje u prirodi

Kada sunce osvjetljava mjehurić za sapun, možete vidjeti svijetle boji, kao što su različite valne duljine izložene destruktivnoj interferenciji i uklonjene su iz refleksije. Preostala reflektirana svjetlost čini se da nadopunjuje uklonjene boje. Na primjer, ako kao rezultat destruktivnih smetnji nema crvene komponente, onda će refleksija biti plava. Filmovi s tankim uljem na vodi proizvode sličan učinak. U prirodi perja nekih ptica, uključujući paunove i hummingbirds, a školjke nekih kornjaša izgledaju ružičasto, dok mijenjaju boju prilikom mijenjanja kuta gledanja. Fizika optike ovdje se sastoji od smetnji reflektiranih svjetlosnih valova iz tankih slojevitih struktura ili polja reflektirajućih šipki. Slično tome, biseri i školjke imaju iris, zahvaljujući nametanju refleksije iz nekoliko slojeva majke-bisera. Dragocjeni kamen, poput opala, pokazuju lijepe uzorke smetnji zbog raspršenja svjetlosti iz redovitih struktura nastalih mikroskopskim sferičnim česticama.

primjena

Postoje mnoge tehnološke primjene svjetlosnih interferencija u svakodnevnom životu. Fizika optike fotoaparata temelji se na njima. Uobičajeni antireflektivni premaz leća je tanak film. Njegova debljina i refrakcija zraka odabiru se na takav način da stvara destruktivnu interferenciju reflektirajuće vidljive svjetlosti. Više specijaliziranih premaza koje se sastoje od nekoliko slojeva tankih filmova dizajnirane su za prijenos zračenja samo u uskom području valnih duljina i stoga se koriste kao svjetlosni filteri. Višeslojne prevlake također se koriste za poboljšanje reflektivnosti zrcala astronomskih teleskopa, kao i optičkih rezonaata lasera. Interferometrija - točne mjerne metode za snimanje malih promjena u relativnim udaljenostima - temelji se na promatranju pomaka tamnih i laganih vrpci proizvedenih reflektiranom svjetlošću. Na primjer, mjerenje promjene uzorka interferencije omogućuje uspostavljanje zakrivljenosti površina optičkih komponenata u frakcijama optičke valne duljine.