Interferentni obrasci su svijetle ili tamne trake koje su uzrokovane snopovima koji su međusobno u fazi ili izvan faze. Kada se superponiraju, svjetlosni i slični valovi se zbrajaju ako im se faze podudaraju (i u smjeru povećanja i smanjenja), ili se međusobno kompenziraju ako su u antifazi. Te se pojave nazivaju konstruktivnim, odnosno destruktivnim smetnjama. Ako snop monokromatskog zračenja, od kojih svi imaju istu valnu duljinu, prođe kroz dva uska proreza (eksperiment je prvi 1801. godine izveo Thomas Young, engleski znanstvenik koji je zahvaljujući njemu došao do zaključka o prirodi valova svjetlosti), dvije rezultirajuće zrake mogu se usmjeriti na ravan ekran, na kojem se, umjesto dvaju preklapajućih točaka, formiraju interferentne rubove - uzorak ravnomjerno izmjenjivih svijetlih i tamnih područja. Ovaj se fenomen koristi, na primjer, u svim optičkim interferometrima.
Superpozicija
Definirajuća karakteristika svih valova je superpozicija, koja opisuje ponašanje superponiranih valova. Njegov princip je da kada je u svemiruAko se nadoveže više od dva vala, tada je rezultirajuća perturbacija jednaka algebarskom zbroju pojedinačnih perturbacija. Ponekad se ovo pravilo krši za velike perturbacije. Ovo jednostavno ponašanje dovodi do niza učinaka koji se nazivaju fenomeni interferencije.
Fenomen interferencije karakteriziraju dva ekstremna slučaja. U konstruktivnim maksimumima dva vala se poklapaju i međusobno su u fazi. Rezultat njihove superpozicije je povećanje perturbirajućeg učinka. Amplituda rezultirajućeg mješovitog vala jednaka je zbroju pojedinačnih amplituda. I, obrnuto, u destruktivnoj interferenciji, maksimum jednog vala podudara se s minimumom drugog - oni su u antifazi. Amplituda kombiniranog vala jednaka je razlici između amplituda njegovih sastavnih dijelova. U slučaju kada su jednaki, destruktivna interferencija je potpuna, a ukupna perturbacija medija je nula.
Jungov eksperiment
Uzorak interferencije iz dva izvora jasno ukazuje na prisutnost valova koji se preklapaju. Thomas Jung je sugerirao da je svjetlost val koji se pokorava principu superpozicije. Njegovo poznato eksperimentalno postignuće bila je demonstracija konstruktivne i destruktivne interferencije svjetlosti 1801. Moderna verzija Youngova eksperimenta bitno se razlikuje samo po tome što koristi koherentne izvore svjetlosti. Laser jednoliko osvjetljava dva paralelna proreza na neprozirnoj površini. Svjetlost koja prolazi kroz njih promatra se na udaljenom ekranu. Kada je širina između utora mnogo veća odvalne duljine, poštuju se pravila geometrijske optike - na ekranu su vidljiva dva osvijetljena područja. Međutim, kako se prorezi približavaju jedan drugome, svjetlost se raspršuje, a valovi na ekranu se međusobno preklapaju. Sama difrakcija posljedica je valne prirode svjetlosti i još je jedan primjer ovog učinka.
uzorak interferencije
Načelo superpozicije određuje rezultujuću raspodjelu intenziteta na osvijetljenom ekranu. Interferentni uzorak nastaje kada je razlika puta od proreza do zaslona jednaka cijelom broju valnih duljina (0, λ, 2λ, …). Ova razlika osigurava da visoke vrijednosti stižu u isto vrijeme. Destruktivna interferencija nastaje kada je razlika puta cijeli broj valnih duljina pomaknutih za polovicu (λ/2, 3λ/2, …). Jung je koristio geometrijske argumente kako bi pokazao da superpozicija rezultira nizom ravnomjerno raspoređenih rubova ili mrlja visokog intenziteta koji odgovaraju područjima konstruktivne interferencije odvojenim tamnim mrljama totalne destruktivne interferencije.
Udaljenost između rupa
Važan parametar geometrije dvostrukog proreza je omjer valne duljine svjetlosti λ i udaljenosti između rupa d. Ako je λ/d mnogo manji od 1, tada će udaljenost između rubova biti mala i neće se primijetiti učinci preklapanja. Koristeći usko raspoređene proreze, Jung je uspio odvojiti tamna i svijetla područja. Tako je odredio valne duljine boja vidljive svjetlosti. Njihova iznimno mala veličina objašnjava zašto se ovi učinci promatraju samopod određenim uvjetima. Da bi se odvojila područja konstruktivne i destruktivne interferencije, udaljenosti između izvora svjetlosnih valova moraju biti vrlo male.
valna duljina
Promatranje efekata smetnji je izazov iz dva druga razloga. Većina izvora svjetlosti emitira kontinuirani spektar valnih duljina, što rezultira višestrukim interferencijskim uzorcima koji se nalažu jedan na drugi, svaki sa svojim vlastitim razmakom između rubova. Time se poništavaju najizraženiji efekti, kao što su područja potpune tame.
Koherencija
Kako bi se smetnje promatrale tijekom duljeg vremenskog razdoblja, moraju se koristiti koherentni izvori svjetlosti. To znači da izvori zračenja moraju održavati stalan fazni odnos. Na primjer, dva harmonijska vala iste frekvencije uvijek imaju fiksni fazni odnos u svakoj točki u prostoru – ili u fazi, ili u antifazi, ili u nekom međustanju. Međutim, većina izvora svjetlosti ne emitira prave harmonijske valove. Umjesto toga, emitiraju svjetlost u kojoj se nasumične promjene faze događaju milijune puta u sekundi. Takvo zračenje se naziva nekoherentnim.
Idealni izvor je laser
Interferencija se još uvijek opaža kada su valovi dvaju nekoherentnih izvora superponirani u prostoru, ali se obrasci smetnji mijenjaju nasumično, zajedno sa slučajnim faznim pomakom. Svjetlosni senzori, uključujući oči, ne mogu se brzo registriratimijenjanje slike, ali samo vremenski prosječni intenzitet. Laserska zraka je gotovo monokromatska (tj. sastoji se od jedne valne duljine) i vrlo koherentna. Idealan je izvor svjetlosti za promatranje efekata smetnji.
Otkrivanje frekvencije
Nakon 1802., Jungove izmjerene valne duljine vidljive svjetlosti mogle bi se povezati s nedovoljno preciznom brzinom svjetlosti dostupnom u to vrijeme da bi se približila njezinoj frekvenciji. Na primjer, za zeleno svjetlo to je oko 6×1014 Hz. To je mnogo redova veličine više od frekvencije mehaničkih vibracija. Za usporedbu, čovjek može čuti zvuk s frekvencijama do 2×104 Hz. Što je točno fluktuiralo takvom brzinom, ostalo je misterij sljedećih 60 godina.
interferencija u tankim filmovima
Uočeni učinci nisu ograničeni na geometriju dvostrukog proreza koju koristi Thomas Young. Kada se zrake reflektiraju i lome od dviju površina koje su razdvojene udaljenosti usporedivom s valnom duljinom, dolazi do interferencije u tankim filmovima. Ulogu filma između površina može igrati vakuum, zrak, bilo koje prozirne tekućine ili krute tvari. U vidljivoj svjetlosti, efekti smetnji ograničeni su na dimenzije reda nekoliko mikrometara. Dobro poznati primjer filma je mjehur od sapunice. Svjetlost koja se reflektira od njega je superpozicija dvaju vala - jedan se reflektira s prednje površine, a drugi - sa stražnje. Preklapaju se u prostoru i slažu se jedna s drugom. Ovisno o debljini sapunafilmova, dva vala mogu međusobno djelovati konstruktivno ili destruktivno. Potpuni izračun uzorka interferencije pokazuje da se za svjetlost jedne valne duljine λ konstruktivna interferencija uočava za debljinu filma od λ/4, 3λ/4, 5λ/4 itd., a destruktivna interferencija za λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formule za izračun
Fenomen interferencije ima mnogo primjena, stoga je važno razumjeti osnovne jednadžbe koje su uključene. Sljedeće formule omogućuju vam izračunavanje različitih količina povezanih s smetnjama za dva najčešća slučaja smetnji.
Položaj svijetlih rubova u Youngovom eksperimentu, tj. područja s konstruktivnom interferencijom, može se izračunati pomoću izraza: ysvijetlo.=(λL/d)m, gdje je λ je valna duljina; m=1, 2, 3, …; d je udaljenost između utora; L je udaljenost do mete.
Lokacija tamnih traka, tj. područja destruktivne interakcije, određena je formulom: ytamno.=(λL/d)(m+1/2).
Za drugu vrstu interferencije - u tankim filmovima - prisutnost konstruktivne ili destruktivne superpozicije određuje fazni pomak reflektiranih valova, koji ovisi o debljini filma i njegovom indeksu loma. Prva jednadžba opisuje slučaj izostanka takvog pomaka, a druga opisuje pomak poluvalne duljine:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Ovdje λ je valna duljina; m=1, 2, 3, …; t je put prijeđen u filmu; n je indeks loma.
Promatranje u prirodi
Kada sunce obasjava mjehur od sapunice, mogu se vidjeti trake jarkih boja jer su različite valne duljine podložne destruktivnim smetnjama i uklonjene su od refleksije. Preostalo reflektirano svjetlo izgleda kao komplementarno udaljenim bojama. Na primjer, ako nema crvene komponente kao posljedica destruktivne interferencije, tada će odraz biti plave boje. Tanki slojevi ulja na vodi proizvode sličan učinak. U prirodi, perje nekih ptica, uključujući paunove i kolibrije, te ljuske nekih kornjaša izgledaju preljevno, ali mijenjaju boju kako se mijenja kut gledanja. Fizika optike ovdje je interferencija reflektiranih svjetlosnih valova od tankih slojevitih struktura ili nizova reflektirajućih šipki. Slično, biseri i školjke imaju šarenicu, zahvaljujući superpoziciji refleksija iz nekoliko slojeva sedefa. Drago kamenje kao što je opal pokazuje prekrasne uzorke interferencije zbog raspršivanja svjetlosti pravilnih uzoraka formiranih od mikroskopskih sferičnih čestica.
Prijava
Postoje mnoge tehnološke primjene fenomena svjetlosnih smetnji u svakodnevnom životu. Na njima se temelji fizika optike kamere. Uobičajeni antirefleksni premaz leća je tanak film. Njegova debljina i lom su odabrani da proizvedu destruktivnu interferenciju reflektirane vidljive svjetlosti. Više specijaliziranih premaza koji se sastoje odnekoliko slojeva tankih filmova dizajnirano je za prijenos zračenja samo u uskom rasponu valnih duljina i stoga se koriste kao svjetlosni filteri. Višeslojni premazi također se koriste za povećanje refleksivnosti zrcala astronomskih teleskopa, kao i laserskih optičkih šupljina. Interferometrija - precizne metode mjerenja koje se koriste za otkrivanje malih promjena u relativnim udaljenostima - temelji se na promatranju pomaka tamnih i svijetlih vrpca koje stvara reflektirana svjetlost. Na primjer, mjerenje kako će se interferentni uzorak promijeniti omogućuje vam da odredite zakrivljenost površina optičkih komponenti u dijelovima optičke valne duljine.
