Interferensiepatrone is ligte of donker bande wat veroorsaak word deur strale wat in fase of uit fase met mekaar is. Wanneer dit op mekaar geplaas word, tel lig en soortgelyke golwe op as hul fases saamval (beide in die rigting van toename en afname), of hulle kompenseer mekaar as hulle in antifase is. Hierdie verskynsels word onderskeidelik konstruktiewe en destruktiewe inmenging genoem. As 'n straal monochromatiese straling, wat almal dieselfde golflengte het, deur twee smal splete gaan (die eksperiment is vir die eerste keer in 1801 uitgevoer deur Thomas Young, 'n Engelse wetenskaplike wat, danksy hom, tot die gevolgtrekking gekom het oor die golfaard van lig), kan die twee resulterende strale op 'n platskerm gerig word, waarop, in plaas van twee oorvleuelende kolle, interferensierandjies gevorm word - 'n patroon van eweredig afwisselende ligte en donker areas. Hierdie verskynsel word byvoorbeeld in alle optiese interferometers gebruik.
Superposition
Die kenmerkende kenmerk van alle golwe is superposisie, wat die gedrag van gesuperponeerde golwe beskryf. Sy beginsel is dat wanneer in die ruimteAs meer as twee golwe gesuperponeer word, dan is die gevolglike versteuring gelyk aan die algebraïese som van die individuele versteurings. Soms word hierdie reël oortree vir groot versteurings. Hierdie eenvoudige gedrag lei tot 'n reeks effekte wat interferensieverskynsels genoem word.
Die verskynsel van inmenging word gekenmerk deur twee uiterste gevalle. In die konstruktiewe maksima van die twee golwe val saam, en hulle is in fase met mekaar. Die resultaat van hul superposisie is 'n toename in die ontstellende effek. Die amplitude van die resulterende gemengde golf is gelyk aan die som van die individuele amplitudes. En omgekeerd, in vernietigende interferensie val die maksimum van een golf saam met die minimum van die tweede - hulle is in antifase. Die amplitude van die gekombineerde golf is gelyk aan die verskil tussen die amplitudes van sy samestellende dele. In die geval wanneer hulle gelyk is, is die vernietigende interferensie volledig, en die totale versteuring van die medium is nul.
Jung se eksperiment
Die interferensiepatroon van twee bronne dui duidelik die teenwoordigheid van oorvleuelende golwe aan. Thomas Jung het voorgestel dat lig 'n golf is wat die beginsel van superposisie gehoorsaam. Sy beroemde eksperimentele prestasie was die demonstrasie van konstruktiewe en vernietigende inmenging van lig in 1801. Die moderne weergawe van Young se eksperiment verskil in wese slegs deurdat dit samehangende ligbronne gebruik. Die laser verlig eenvormig twee parallelle splete in 'n ondeursigtige oppervlak. Lig wat deur hulle gaan, word op 'n afgeleë skerm waargeneem. Wanneer die breedte tussen gleuwe is veel groter asgolflengte, word die reëls van geometriese optika nagekom - twee verligte areas is sigbaar op die skerm. Soos die splete egter mekaar nader, buig die lig af, en die golwe op die skerm oorvleuel mekaar. Diffraksie self is 'n gevolg van die golfaard van lig en is nog 'n voorbeeld van hierdie effek.
Interferensiepatroon
Die beginsel van superposisie bepaal die gevolglike intensiteitsverspreiding op die verligte skerm. 'n Interferensiepatroon vind plaas wanneer die padverskil vanaf die spleet na die skerm gelyk is aan 'n heelgetal golflengtes (0, λ, 2λ, …). Hierdie verskil verseker dat die hoogtepunte op dieselfde tyd aankom. Destruktiewe interferensie vind plaas wanneer die padverskil 'n heelgetal golflengtes is wat met die helfte verskuif is (λ/2, 3λ/2, …). Jung het meetkundige argumente gebruik om aan te toon dat superposisie lei tot 'n reeks eweredig gespasieerde rande of kolle van hoë intensiteit wat ooreenstem met areas van konstruktiewe interferensie geskei deur donker kolle van totale vernietigende interferensie.
Afstand tussen gate
'n Belangrike parameter van die dubbelspleetgeometrie is die verhouding van die liggolflengte λ tot die afstand tussen die gate d. As λ/d baie minder as 1 is, sal die afstand tussen die rande klein wees en geen oorvleuelingseffekte sal waargeneem word nie. Deur splete te gebruik, kon Jung die donker en ligte areas van mekaar skei. So het hy die golflengtes van die kleure van sigbare lig bepaal. Hul uiters klein omvang verklaar waarom hierdie effekte slegs waargeneem wordonder sekere voorwaardes. Om areas van konstruktiewe en vernietigende interferensie te skei, moet die afstande tussen die bronne van liggolwe baie klein wees.
golflengte
Die waarneming van interferensie-effekte is om twee ander redes uitdagend. Die meeste ligbronne straal 'n aaneenlopende spektrum van golflengtes uit, wat lei tot veelvuldige interferensiepatrone wat op mekaar geplaas is, elk met sy eie spasiëring tussen rande. Dit kanselleer die mees uitgesproke effekte, soos areas van totale duisternis.
Coherence
Om interferensie oor 'n lang tydperk waar te neem, moet koherente ligbronne gebruik word. Dit beteken dat die stralingsbronne 'n konstante faseverwantskap moet handhaaf. Byvoorbeeld, twee harmoniese golwe van dieselfde frekwensie het altyd 'n vaste faseverwantskap by elke punt in die ruimte - hetsy in fase, of in antifase, of in een of ander tussentoestand. Die meeste ligbronne straal egter nie ware harmoniese golwe uit nie. In plaas daarvan straal hulle lig uit waarin lukrake faseveranderinge miljoene kere per sekonde plaasvind. Sulke bestraling word onsamehangend genoem.
Die ideale bron is 'n laser
Interferensie word steeds waargeneem wanneer golwe van twee onsamehangende bronne in die ruimte gesuperponeer word, maar die interferensiepatrone verander ewekansig, saam met 'n ewekansige faseverskuiwing. Ligsensors, insluitend oë, kan nie vinnig registreer nieveranderende beeld, maar slegs die tydsgemiddelde intensiteit. Die laserstraal is amper monochromaties (d.w.s. bestaan uit een golflengte) en hoogs koherent. Dit is 'n ideale ligbron om interferensie-effekte waar te neem.
Frekwensiebespeuring
Na 1802 kon Jung se gemete golflengtes van sigbare lig verband hou met die onvoldoende presiese spoed van lig wat destyds beskikbaar was om die frekwensie daarvan te benader. Byvoorbeeld, vir groen lig is dit ongeveer 6×1014 Hz. Dit is baie ordes hoër as die frekwensie van meganiese vibrasies. In vergelyking kan 'n mens klank hoor met frekwensies tot 2×104 Hz. Wat presies teen so 'n tempo gewissel het, het vir die volgende 60 jaar 'n raaisel gebly.
Inmenging in dun films
Die waargenome effekte is nie beperk tot die dubbelspleetgeometrie wat deur Thomas Young gebruik is nie. Wanneer strale weerkaats en gebreek word vanaf twee oppervlaktes wat geskei word deur 'n afstand vergelykbaar met die golflengte, vind interferensie in dun films plaas. Die rol van die film tussen die oppervlaktes kan gespeel word deur vakuum, lug, enige deursigtige vloeistowwe of vaste stowwe. In sigbare lig is interferensie-effekte beperk tot afmetings van die orde van 'n paar mikrometer. 'n Bekende voorbeeld van 'n film is 'n seepbel. Die lig wat daaruit weerkaats word, is 'n superposisie van twee golwe - een word van die vooroppervlak gereflekteer, en die tweede - van agter. Hulle oorvleuel in die ruimte en stapel met mekaar. Afhangende van die dikte van die seepfilms, kan twee golwe konstruktief of destruktief in wisselwerking tree. 'n Volledige berekening van die interferensiepatroon toon dat vir lig met een golflengte λ, konstruktiewe interferensie waargeneem word vir 'n filmdikte van λ/4, 3λ/4, 5λ/4, ens., en destruktiewe interferensie word waargeneem vir λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formules vir berekening
Die verskynsel van interferensie het baie gebruike, daarom is dit belangrik om die basiese vergelykings wat betrokke is te verstaan. Die volgende formules laat jou toe om verskeie hoeveelhede te bereken wat met steuring geassosieer word vir die twee mees algemene steuringsgevalle.
Die ligging van helder rande in Young se eksperiment, dit wil sê areas met konstruktiewe interferensie, kan bereken word deur die uitdrukking: ybright.=(λL/d)m, waar λ is die golflengte; m=1, 2, 3, …; d is die afstand tussen gleuwe; L is die afstand na die teiken.
Die ligging van donker bande, dit wil sê areas van vernietigende interaksie, word bepaal deur die formule: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Vir 'n ander tipe interferensie - in dun films - bepaal die teenwoordigheid van 'n konstruktiewe of vernietigende superposisie die faseverskuiwing van die gereflekteerde golwe, wat afhang van die dikte van die film en sy brekingsindeks. Die eerste vergelyking beskryf die geval van die afwesigheid van so 'n verskuiwing, en die tweede beskryf 'n halfgolflengte verskuiwing:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Hier is λ die golflengte; m=1, 2, 3, …; dit is die pad wat in die film gereis word; n is die brekingsindeks.
Waarneming in die natuur
Wanneer die son op 'n seepborrel skyn, kan helderkleurige bande gesien word aangesien verskillende golflengtes onderhewig is aan vernietigende inmenging en van die weerkaatsing verwyder word. Die oorblywende gereflekteerde lig verskyn as komplementêr tot verafgeleë kleure. Byvoorbeeld, as daar geen rooi komponent is as gevolg van vernietigende interferensie nie, sal die refleksie blou wees. Dun films van olie op water produseer 'n soortgelyke effek. In die natuur lyk die vere van sommige voëls, insluitend poue en kolibries, en die skulpe van sommige kewers iriserende, maar verander van kleur namate die kykhoek verander. Die fisika van optika hier is die interferensie van gereflekteerde liggolwe van dun gelaagde strukture of skikkings reflektiewe stawe. Net so het pêrels en skulpe 'n iris, danksy die superposisie van refleksies van verskeie lae pêrelmoer. Edelstene soos opaal vertoon pragtige interferensiepatrone as gevolg van die verstrooiing van lig van gereelde patrone wat deur mikroskopiese sferiese deeltjies gevorm word.
Aansoek
Daar is baie tegnologiese toepassings van liginterferensieverskynsels in die alledaagse lewe. Die fisika van kamera-optika is daarop gebaseer. Die gewone anti-reflektiewe laag van lense is 'n dun film. Die dikte en breking daarvan word gekies om vernietigende interferensie van gereflekteerde sigbare lig te produseer. Meer gespesialiseerde coatings wat bestaan uitverskeie lae dun films is ontwerp om straling slegs in 'n smal golflengtegebied oor te dra en word dus as ligfilters gebruik. Meerlaagbedekkings word ook gebruik om die reflektiwiteit van astronomiese teleskoopspieëls, sowel as optiese laserholtes, te verhoog. Interferometrie - presiese metingsmetodes wat gebruik word om klein veranderinge in relatiewe afstande op te spoor - is gebaseer op die waarneming van verskuiwings in donker en ligte bande wat deur weerkaatste lig geskep word. Om byvoorbeeld te meet hoe die interferensiepatroon sal verander, stel jou in staat om die kromming van die oppervlaktes van optiese komponente in breuke van die optiese golflengte te bepaal.
