Interferensmønstre er lyse eller mørke bånd som er forårsaket av stråler som er i fase eller ut av fase med hverandre. Når de er lagt over hverandre, legger lys og lignende bølger seg sammen hvis fasene deres faller sammen (både i retning av økning og reduksjon), eller de kompenserer hverandre hvis de er i motfase. Disse fenomenene kalles henholdsvis konstruktiv og destruktiv interferens. Hvis en stråle med monokromatisk stråling, som alle har samme bølgelengde, passerer gjennom to smale sp alter (eksperimentet ble først utført i 1801 av Thomas Young, en engelsk vitenskapsmann som takket være ham kom til konklusjonen om bølgenaturen av lys), kan de to resulterende strålene rettes mot en flatskjerm, hvor det i stedet for to overlappende flekker dannes interferenskanter - et mønster av jevnt vekslende lyse og mørke områder. Dette fenomenet brukes for eksempel i alle optiske interferometre.
Superposition
Den definerende egenskapen til alle bølger er superposisjon, som beskriver oppførselen til overlagrede bølger. Prinsippet er at når man er i verdensrommetHvis mer enn to bølger er overlagret, er den resulterende forstyrrelsen lik den algebraiske summen av de individuelle forstyrrelsene. Noen ganger brytes denne regelen for store forstyrrelser. Denne enkle oppførselen fører til en rekke effekter som kalles interferensfenomener.
Fenomenet interferens er preget av to ekstreme tilfeller. I de konstruktive maksima til de to bølgene faller sammen, og de er i fase med hverandre. Resultatet av deres superposisjon er en økning i den forstyrrende effekten. Amplituden til den resulterende blandede bølgen er lik summen av de individuelle amplitudene. Og omvendt, i destruktiv interferens, faller maksimum av en bølge sammen med minimum av den andre - de er i motfase. Amplituden til den kombinerte bølgen er lik forskjellen mellom amplitudene til dens komponentdeler. I tilfellet når de er like, er den destruktive interferensen fullstendig, og den totale forstyrrelsen av mediet er null.
Jungs eksperiment
Styringsmønsteret fra to kilder indikerer tydelig tilstedeværelsen av overlappende bølger. Thomas Jung foreslo at lys er en bølge som adlyder superposisjonsprinsippet. Hans berømte eksperimentelle prestasjon var demonstrasjonen av konstruktiv og destruktiv interferens av lys i 1801. Den moderne versjonen av Youngs eksperiment skiller seg i hovedsak bare ved at den bruker sammenhengende lyskilder. Laseren belyser jevnt to parallelle sp alter i en ugjennomsiktig overflate. Lys som passerer gjennom dem observeres på en ekstern skjerm. Når bredden mellom sporene er mye større ennbølgelengde, reglene for geometrisk optikk observeres - to opplyste områder er synlige på skjermen. Men når sp altene nærmer seg hverandre, diffrakterer lyset, og bølgene på skjermen overlapper hverandre. Diffraksjon i seg selv er en konsekvens av lysets bølgenatur og er et annet eksempel på denne effekten.
Interferensmønster
Prinsippet for superposisjon bestemmer den resulterende intensitetsfordelingen på den opplyste skjermen. Et interferensmønster oppstår når veiforskjellen fra sp alten til skjermen er lik et heltall av bølgelengder (0, λ, 2λ, …). Denne forskjellen sikrer at toppene kommer samtidig. Destruktiv interferens oppstår når veiforskjellen er et heltall av bølgelengder forskjøvet med halvparten (λ/2, 3λ/2, …). Jung brukte geometriske argumenter for å vise at superposisjon resulterer i en serie med jevnt fordelte frynser eller flekker med høy intensitet som tilsvarer områder med konstruktiv interferens atskilt av mørke flekker med total destruktiv interferens.
Avstand mellom hull
En viktig parameter for dobbeltsp altegeometrien er forholdet mellom lysbølgelengden λ og avstanden mellom hullene d. Hvis λ/d er mye mindre enn 1, vil avstanden mellom frynsene være liten og ingen overlappingseffekter vil bli observert. Ved å bruke tettsittende sp alter klarte Jung å skille de mørke og lyse områdene. Dermed bestemte han bølgelengdene til fargene til synlig lys. Deres ekstremt lille størrelse forklarer hvorfor disse effektene bare observeresunder visse betingelser. For å skille områder med konstruktiv og destruktiv interferens må avstandene mellom kildene til lysbølgene være svært små.
Bølgelengde
Det er utfordrende å observere interferenseffekter av to andre grunner. De fleste lyskilder sender ut et kontinuerlig spekter av bølgelengder, noe som resulterer i flere interferensmønstre lagt over hverandre, hver med sin egen avstand mellom frynser. Dette eliminerer de mest utt alte effektene, for eksempel områder med tot alt mørke.
Coherence
For at interferens skal kunne observeres over lengre tid, må det brukes sammenhengende lyskilder. Dette betyr at strålingskildene må opprettholde et konstant faseforhold. For eksempel har to harmoniske bølger med samme frekvens alltid et fast faseforhold på hvert punkt i rommet - enten i fase, eller i motfase, eller i en eller annen mellomtilstand. Imidlertid sender de fleste lyskilder ikke ut ekte harmoniske bølger. I stedet sender de ut lys der tilfeldige faseendringer skjer millioner av ganger per sekund. Slik stråling kalles inkoherent.
Den ideelle kilden er en laser
Interferens observeres fortsatt når bølger av to usammenhengende kilder er overlagret i rommet, men interferensmønstrene endres tilfeldig, sammen med et tilfeldig faseskift. Lyssensorer, inkludert øyne, kan ikke registreres rasktskiftende bilde, men bare den tidsgjennomsnittlige intensiteten. Laserstrålen er nesten monokromatisk (dvs. består av én bølgelengde) og svært koherent. Det er en ideell lyskilde for å observere interferenseffekter.
Frekvensdeteksjon
Etter 1802 kunne Jungs målte bølgelengder av synlig lys være relatert til den utilstrekkelig presise lyshastigheten som var tilgjengelig på det tidspunktet til å tilnærme frekvensen. For eksempel, for grønt lys er det omtrent 6×1014 Hz. Dette er mange størrelsesordener høyere enn frekvensen av mekaniske vibrasjoner. Til sammenligning kan et menneske høre lyd med frekvenser opp til 2×104 Hz. Hva som nøyaktig svingte med en slik hastighet, forble et mysterium de neste 60 årene.
Interferens i tynne filmer
De observerte effektene er ikke begrenset til dobbelsp altegeometrien brukt av Thomas Young. Når stråler reflekteres og brytes fra to overflater atskilt med en avstand som kan sammenlignes med bølgelengden, oppstår interferens i tynne filmer. Rollen til filmen mellom overflatene kan spilles av vakuum, luft, gjennomsiktige væsker eller faste stoffer. I synlig lys er interferenseffekter begrenset til dimensjoner i størrelsesorden noen få mikrometer. Et velkjent eksempel på en film er en såpeboble. Lyset som reflekteres fra det er en superposisjon av to bølger - en reflekteres fra frontflaten, og den andre - fra baksiden. De overlapper i rommet og stables med hverandre. Avhengig av tykkelsen på såpenfilmer, kan to bølger samhandle konstruktivt eller destruktivt. En fullstendig beregning av interferensmønsteret viser at for lys med én bølgelengde λ, observeres konstruktiv interferens for en filmtykkelse på λ/4, 3λ/4, 5λ/4 osv., og destruktiv interferens observeres for λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formler for beregning
Fenomenet interferens har mange bruksområder, så det er viktig å forstå de grunnleggende ligningene som er involvert. Følgende formler lar deg beregne ulike mengder assosiert med interferens for de to vanligste interferenstilfellene.
Plasseringen av lyse frynser i Youngs eksperiment, dvs. områder med konstruktiv interferens, kan beregnes ved å bruke uttrykket: ybright.=(λL/d)m, hvor λ er bølgelengden; m=1, 2, 3, …; d er avstanden mellom sporene; L er avstanden til målet.
Plasseringen av mørke bånd, dvs. områder med destruktiv interaksjon, bestemmes av formelen: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
For en annen type interferens - i tynne filmer - bestemmer tilstedeværelsen av en konstruktiv eller destruktiv superposisjon faseforskyvningen til de reflekterte bølgene, som avhenger av tykkelsen på filmen og dens brytningsindeks. Den første ligningen beskriver tilfellet med fravær av et slikt skift, og den andre beskriver et halvbølgelengdeskift:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Her er λ bølgelengden; m=1, 2, 3, …; t er veien tilbakelagt i filmen; n er brytningsindeksen.
Observasjon i naturen
Når solen skinner på en såpeboble, kan klare fargede bånd sees når forskjellige bølgelengder er utsatt for ødeleggende forstyrrelser og fjernes fra refleksjonen. Det gjenværende reflekterte lyset fremstår som komplementært til fjerne farger. For eksempel, hvis det ikke er noen rød komponent som følge av destruktiv interferens, vil refleksjonen være blå. Tynne filmer av olje på vann gir en lignende effekt. I naturen virker fjærene til noen fugler, inkludert påfugler og kolibrier, og skjellene til noen biller iriserende, men endrer farge etter hvert som synsvinkelen endres. Fysikken til optikk her er interferensen av reflekterte lysbølger fra tynne lagstrukturer eller rekker av reflekterende stenger. På samme måte har perler og skjell en iris, takket være superposisjonen av refleksjoner fra flere lag med perlemor. Edelstener som opal viser vakre interferensmønstre på grunn av spredning av lys fra vanlige mønstre dannet av mikroskopiske sfæriske partikler.
Application
Det er mange teknologiske anvendelser av lysinterferensfenomener i hverdagen. Kameraoptikkens fysikk er basert på dem. Det vanlige antirefleksbelegget på linser er en tynn film. Dens tykkelse og brytning er valgt for å produsere destruktiv interferens av reflektert synlig lys. Mer spesialiserte belegg bestående avflere lag med tynne filmer er designet for å overføre stråling bare i et sm alt bølgelengdeområde og brukes derfor som lysfiltre. Flerlagsbelegg brukes også for å øke reflektiviteten til astronomiske teleskopspeil, samt laseroptiske hulrom. Interferometri – presise målemetoder som brukes til å oppdage små endringer i relative avstander – er basert på observasjon av skift i mørke og lyse bånd skapt av reflektert lys. For eksempel, ved å måle hvordan interferensmønsteret vil endre seg, kan du bestemme krumningen til overflatene til optiske komponenter i brøkdeler av den optiske bølgelengden.