Patrons d'interferència. Termes dels màxims i mínims

patrons d'interferència - és ratlles clares o fosques que són causades pels raigs dels quals estan en fase o fora de fase entre si. s'afegeixen ones de llum i similars quan s'aplica, si les seves fases coincideixen (en la direcció d'augmentar o disminuir), o s'anul·len entre si si estan en oposició de fase. Aquests fenòmens s'anomenen interferència constructiva i destructiva, respectivament. Si feix de llum monocromàtica, totes les ones que tenen la mateixa longitud, passa a través de dues escletxes estretes (l'experiment es va dur a terme per primera vegada en 1801 per Thomas Young, científic anglès, que, gràcies a ell van arribar a la conclusió que la naturalesa ondulatòria de la llum), dues de la biga resultant pot ser dirigida en una pantalla plana que en lloc dels dos punts de solapament es formen franges d'interferència - patró de zones clares i fosques de manera uniforme alternant. S'utilitza aquest fenomen, per exemple, en tots els interferòmetres òptics.

superposició

La característica definitòria d'una superposició d'ones que descriu el comportament de les ones superposades. El seu principi resideix en el fet que quan en l'espai d'uns superposades dues ones, la pertorbació resultant és igual a la suma algebraica de les pertorbacions individuals. A vegades en les grans pertorbacions de violació d'aquesta regla. Aquest comportament senzill condueix a un nombre d'efectes que són anomenats fenòmens d'interferència.

El fenomen d'interferència es caracteritza per dos extrems. Les dues ones constructiva màxima coincideixen, i estan en fase entre si. El resultat de la superposició és l'enfortiment de la pertorbació. L'amplitud de l'ona barrejada resultant és igual a la suma de les amplituds individuals. Al revés, la interferència destructiva en un màxim d'una ona coincideix amb el mínim segon - que estan en oposició. L'amplitud de l'ona combinada és igual a la diferència entre les amplituds de les seves parts components. En el cas en què són iguals, és la interferència destructiva completa, i pertorbació del medi total és zero.

l'experiment de Young

El patró d'interferència de les dues fonts indica clarament la presència de les ones que es solapen. Thomas Young va suggerir que la llum - una ona que obeeix el principi de superposició. El seu assoliment famosa va ser la demostració experimental de la constructiva i destructiva interferència de la llum en 1801 La versió moderna de l'experiment de Young en la naturalesa només es diferencia que utilitza fonts de llum coherent. Laser il·lumina uniformement dues ranures paral·leles a la superfície opaca. La llum que passa a través d'ells, hi ha una pantalla remota. Quan l'amplada entre les esquerdes és significativament més gran que la longitud d'ona, les regles de l'òptica geomètrica observats - vist a la pantalla dues regions il·luminades. No obstant això, l'enfocament de esquerdes difracta la llum i les ones a la pantalla es superposa a l'altra. La difracció és en si mateixa una conseqüència de la naturalesa ondulatòria de la llum, i un altre exemple d'aquest efecte.

El patró d'interferència

El principi de superposició determina la distribució d'intensitat resultant a la pantalla il·luminada. El patró d'interferència es produeix quan la diferència de camí de l'escletxa a la pantalla és igual al nombre total de longituds d'ona (0, λ, 2λ, ...). Aquesta diferència s'assegura que els màxims arriben al mateix temps. La interferència destructiva es produeix quan la diferència de camí igual a un nombre enter de longituds d'ona de desplaçament per mitjà (λ / 2, 3λ / 2, ...). Jung utilitza arguments geomètriques per mostrar que la superposició condueix a una sèrie de bandes equiespaiades o zones d'alta intensitat corresponents a les regions d'interferència constructiva, separades per zones fosques complets destructiva.

separació de forats

Una geometria paràmetre important amb dues escletxes és la relació de la longitud d'ona λ de llum i la distància entre forats d. Si λ / d és molt menor que 1, la distància entre les bandes serà petita i no s'observen efectes de superposició. L'ús d'escletxes molt pròximes entre si, Jung va ser capaç de dividir les àrees clares i fosques. Per tant, va determinar les longituds d'ona dels colors de la llum visible. El seu valor extremadament petit explica per què aquests efectes s'observen només sota certes condicions. Per dividir les zones d'interferència constructiva i destructiva, la distància entre la font d'ones de llum ha de ser molt petit.

longitud d'ona

L'observació dels efectes d'interferència és un repte per altres dues raons. La majoria de les fonts de llum emet un espectre de longitud d'ona contínua, el que resulta en la formació de múltiples patrons d'interferència superposades una sobre l'altra, cadascuna amb un interval entre les ratlles. Això elimina els efectes més pronunciats, com les zones de foscor total.

coherència

Que la interferència es va poder observar durant un llarg període de temps, és necessari l'ús de fonts de llum coherent. Això vol dir que les fonts de radiació han de mantenir una relació de fase constant. Per exemple, dues ones harmòniques de la mateixa freqüència sempre tenen una relació de fase fixa a cada punt en l'espai - ja sigui en fase o en oposició de fase, o en algun estat intermedi. No obstant això, la majoria de les fonts de llum emet la veritable ona harmònica. En el seu lloc, que emeten llum, en què el canvi de fase aleatòria es produeix milions de vegades per segon. Aquesta radiació es diu incoherent.

Ideal font - làser

Interferència encara s'observa quan es superposen les ones en l'espai de dues fonts incoherents, però patrons d'interferència varien de forma aleatòria, juntament amb un desplaçament de fase aleatori. sensors de llum, incloent-hi els ulls, no poden registrar una imatge que canvia ràpidament, i només la intensitat mitjana del temps. El raig làser és gairebé monocromàtica (m. E. Consta d'una sola longitud d'ona) i un altament. És una font de llum ideal per a l'observació dels efectes d'interferència.

Determinació de la freqüència

Després de Jung 1802 de la mesura de longituds d'ona de la llum visible pot ser correlacionada amb la velocitat de la llum insuficientment precisa disponible en el moment de calcular la seva freqüència aproximada. Per exemple, la llum verda és igual a aproximadament 6 x ^{14 oct} Hz. Això és diversos ordres de magnitud major que la freqüència de les vibracions mecàniques. A tall de comparació, una persona pot escoltar el so amb freqüències de fins a 2 x ¹⁰ d'abril de Hz. Què és exactament varia a un ritme encara segueix sent un misteri per als propers 60 anys.

Interferència en pel·lícules primes

Els efectes observats no es limiten a la geometria de doble escletxa utilitzat per Thomas Young. Quan hi ha una reflexió i refracció dels raigs de les dues superfícies separades per una distància comparable amb la longitud d'ona, la interferència es produeix en pel·lícules primes. El paper de la pel·lícula entre les superfícies pot jugar un buit, aire, líquid o qualsevol cos sòlid transparent. A la llum visible efectes d'interferència estan limitats per les mides d'uns pocs micròmetres. Un exemple conegut de tota la pel·lícula és una bombolla. La llum reflectida per ella, és una superposició de dues ones - un és reflectida des de la superfície frontal, i el segon - a la part posterior. Es superposen en l'espai i s'afegeixen a l'altra. Depenent del gruix de la pel·lícula de sabó, dues ones poden interactuar de manera constructiva o destructiva. Un càlcul complet de la figura d'interferència indica que per a la llum amb una longitud d'ona λ s'observa interferència constructiva per a un gruix de pel·lícula de λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, etc., i destructiva - .. Per lambda / 2, λ, 3λ / 2, ...

Les fórmules per calcular

fenomen d'interferència era molts usos, per la qual cosa és important entendre l'equació bàsica relativa a aquest. Les següents equacions permeten el càlcul dels diferents valors associats amb la interferència, pels seus dos casos més comuns.

Ubicació tires de llum en l'experiment de Young, .. llocs és a dir, amb una interferència constructiva es poden calcular fent servir l'expressió: I _{és la llum.} = (ΛL / d) m, on λ - longitud d'ona; m = 1, 2, 3, ...; d - la distància entre les esquerdes; L - distància fins a l'objectiu.

.. Ubicació bandes fosques, és a dir, les àrees d'interacció destructiva està donada per: i _{és fosca.} = (ΛL / d) (m + 1/2).

D'altra interferència espècies - en pel·lícules primes - la presència de superposició constructiva o destructiva determina el desplaçament de fase de les ones reflectides, que depèn del gruix de la pel·lícula i l'índex de refracció de la mateixa. La primera equació descriu el cas d'absència de tal canvi, i el segon - un desplaçament de la meitat de la longitud d'ona:

2NT = mλ;

= (M + 1/2) λ 2NT.

Aquí, λ - longitud d'ona; m = 1, 2, 3, ...; t - camí recorregut en la pel·lícula; n - índex de refracció.

Observació a la natura

Quan el sol brilla a la bombolla, es pot veure les ratlles de colors brillants, ja que diferents longituds d'ona són sotmesos a la interferència destructiva i retirats de la reflexió. La llum reflectida restant apareix com l'eliminació del color complementari. Per exemple, si com a resultat de la interferència destructiva està absent component vermell, la reflexió serà blau. La pel·lícula fina d'oli en l'aigua produeix un efecte similar. En la naturalesa, les plomes d'algunes aus, incloent paons i els colibrís i les petxines d'alguns escarabats apareixen més brillants, mentre que el canvi de color quan es canvia l'angle de visió. física òptica aquí és la interferència de les ones de llum reflectides des de les estructures en capes primes o xarxes reflectores varetes. De la mateixa manera les perles i shell són Sant Martí, a causa de la superposició de reflexions de múltiples capes de la perla. Pedres precioses tals com l'òpal, exhibeixen belles patrons d'interferència causats per la dispersió de la llum d'estructures regulars formades per partícules esfèriques microscòpiques.

sol·licitud

Hi ha moltes aplicacions tecnològiques dels fenòmens d'interferència de llum en la vida quotidiana. Es basen òptica de la càmera física. revestiment antireflectant lents normals és una pel·lícula prima. El seu gruix i la refracció dels raigs es trien de manera a produir una interferència destructiva de la llum visible reflectida. Els recobriments més especialitzats que consten de múltiples capes de pel·lícules primes destinades a passar només la radiació dins d'un rang de longitud d'ona estreta i per tant s'utilitzen com a filtres. revestiments de múltiples capes també s'utilitzen per augmentar la reflectivitat dels miralls de telescopis astronòmics, així com ressonadors òptics làser. Interferometria - mètodes de mesura exactes utilitzats per registrar petits canvis en la distància relativa - es basa en l'observació dels canvis de bandes clares i fosques produïdes per la llum reflectida. Per exemple, una mesura de com canvia el patró d'interferència, permet establir la curvatura de les superfícies dels components òptics en un lòbuls de longituds d'ona òptiques.