Interferenčné vzory. Podmienky maximom a minimom

Interferenčné vzory - to je svetlé alebo tmavé pruhy, ktoré sú spôsobené tým, lúče, ktoré sú vo fáze alebo mimo fázy s navzájom. Svetelné vlny a podobne, sa pridá pri použití, ak je ich fáza sa zhodujú (v smere zvýšenie alebo zníženie), alebo sa navzájom rušia, ak sú v protifáze. Tieto javy sú nazývané konštruktívne a deštruktívne interferencie, resp. Ak monochromatického svetelného lúča, všetky vlny, ktoré majú rovnakú dĺžku, prechádza dvoma úzkymi štrbinami (experiment bol prvýkrát vykonaný v roku 1801 Thomas Young, anglický vedec, ktorý sa vďaka nemu dospela k záveru, že vlnová povaha svetla), dve z výsledného zväzku môže byť nasmerovaný na ploché obrazovky, ktorá namiesto dvoch prekrývajúcich sa miestach vznikajú interferenčné prúžky - rovnomerne striedavo vzor svetlých a tmavých oblastí. Tento jav je použitý, napríklad, vo všetkých optických interferometre.

superpozície

Určujúcim rysom superpozície vĺn, ktorá popisuje správanie prekrývajúcich vĺn. Jej princíp spočíva v tom, že, keď je v priestore superponovaným dvoma vlnami, vzniknutá porucha je rovná algebraickým súčtom jednotlivých porúch. Niekedy sa u veľkých odchýlok je porušená toto pravidlo. Tento jednoduchý správanie vedie k celej rade efektov, ktoré sa nazývajú interferenčné javy.

Fenomén interferencie je charakterizovaná dvoma extrémami. Tieto dve vlny konštruktívne maxima splývajú, a sú vo fáze s navzájom. Výsledkom superpozície je posilnenie poruchy. Amplitúda výsledného zmesového vlny je rovná súčtu jednotlivých amplitúd. Naopak deštruktívne interferencie v maximálne jednej vlne sa zhoduje s minimom druhej - sú v opozícii. Amplitúda kombinovanej vlny je rovná rozdielu medzi amplitúdami jeho súčasťou. V prípade, že sú rovnaké, je úplný deštruktívne interferencie, a odchýlka celkového média je nula.

Youngov pokus

Interferenčné obrazec z dvoch zdrojov jasne ukazuje na prítomnosť prekrývajúcich vĺn. Thomas Young navrhol, že svetlo - vlnu, ktorá sa riadi zásadou superpozícia. Jeho slávny úspech bol experimentálne demonštrácie konštruktívnu a deštruktívne interferencie svetla v roku 1801 Moderná verzia Youngovho experimentu v prírode sa líši iba v tom, že používa koherentných svetelných zdrojov. Laserové rovnomerne osvetľuje dvoch rovnobežných zárezy v nepriehľadnom povrchu. Svetlo prechádzajúce nich, tam je vzdialená obrazovka. Ak je šírka medzi štrbinami je podstatne väčšia, než vlnová dĺžka, pravidlá geometrické optiky pozorované - vidieť na obrazovke dvoch osvetlených oblastí. Avšak, tento prístup štrbín ohnuté svetlo a vlny na obrazovke sa prekrývajú navzájom. Difrakcie je sám o sebe dôsledkom vlnovej povahy svetla, a ďalší príklad tohto účinku.

interferenčné obrazec

Princíp superpozície určuje výsledné rozloženie intenzity na osvetlenom displeji. Interferenčné obrazec nastáva, keď dráhový rozdiel od zárezu na obrazovke sa rovná celkovému počtu vlnových dĺžok (0, X, 2A, ...). Tento rozdiel je zaistené, že highs prísť v rovnakom čase. dochádza k deštruktívne interferencii, keď je rozdiel cesta rovná celočíselnému ofsetových o polovicu vlnovej dĺžky (λ / 2, 3λ / 2, ...). Jung používa geometrické argumenty ukázať, že superpozícia vedie k sérii rovnomerne rozmiestnených pásov alebo miestach s vysokou intenzitou, ktoré zodpovedajú oblasti konštruktívne interferencie, oddelených tmavých oblastiach plnými deštruktívne.

vzdialenosť otvorov

Dôležitým parametrom geometrie s dvoma štrbinami, je pomer svetla vlnovej dĺžky a vzdialenosť medzi otvormi D. Ak λ / d je oveľa menšia ako 1, bude vzdialenosť medzi pásom byť malé a prekrývajúce sa účinky nie sú pozorované. Použitie tesne umiestnených štrbín, Jung bol schopný rozdeliť svetlé a tmavé oblasti. To znamená, že určí vlnovej dĺžky viditeľného svetla farieb. Ich extrémne malá hodnota vysvetľuje, prečo sú tieto účinky pozorované len za určitých podmienok. Rozdeliť oblasti konštruktívny a deštruktívne interferencie, je vzdialenosť medzi zdrojom svetelných vĺn musí byť veľmi malé.

vlnová dĺžka

Pozorovanie účinkov interferenčných je výzvou pre ďalšie dva dôvody. Väčšina svetelné zdroje vyžaruje spojité spektrum vlnovej dĺžky, čo vedie k tvorbe viac vzorov interferenčných sú vzájomne, každý s intervalom medzi pruhmi. To eliminuje najvýraznejšie účinky, ako oblasťou úplnej tme.

súvislosť

Že rušenia možno pozorovať po dlhšiu dobu, je nutné použiť koherentných svetelných zdrojov. To znamená, že zdroje žiarenia musí udržiavať vzťah konštantné fáz. Napríklad dve harmonické vlny rovnaké frekvencie majú vždy vzťah pevnej fáze ku každému bodu v priestore - buď vo fáze, alebo v protifáze, alebo v nejakom prechodnom stave. Avšak, väčšina svetelných zdrojov vyžaruje skutočnú harmonickú vlnu. Miesto toho, oni vyžarujú svetlo, v ktorom náhodnej zmene fázy dochádza milióny krát za sekundu. Takéto žiarenie sa nazýva nesúvislý.

Ideálnym zdrojom - laser

Interferencie je ešte pozorovaná, keď prekrýva vlny v priestore dvoch nesúvislých zdrojov, ale interferenčné obrazce náhodne mení spolu s posunom náhodnou fázou. Svetelná čidlá, vrátane očí, nemožno zaregistrovať rýchlo sa meniace obraz, a to len priemerná intenzita času. Laserový lúč je takmer monochromatické (m. E. Skladá sa z jedinej vlnovej dĺžky) a highly-. Je to ideálny zdroj svetla pre pozorovanie efektov interferencie.

stanovenie frekvencie

Po Jung 1802 opatrenia vlnových dĺžok viditeľného svetla môže byť v korelácii s nedostatočne presné rýchlosťou svetla k dispozícii v čase, keď na výpočet jej približné frekvenciu. Napríklad, zelené svetlo, je rovná asi 6 x október ¹⁴ Hz. To je o mnoho rádov vyššiu, než je frekvencia mechanických vibrácií. Pre porovnanie, človek môže počuť zvuk s frekvenciou až 2 x ^10. apríla Hz. Čo presne sa pohybuje rýchlosťou stále zostávalo záhadou pre najbližších 60 rokov.

Interferencie v tenkých vrstvách

Pozorované účinky nie sú obmedzené na dvojité geometrie štrbiny použité Thomas Young. Keď je odraz a lom lúčov z oboch povrchov od seba vzdialené porovnateľné s vlnovou dĺžkou, rušenie sa vyskytuje v tenkých vrstvách. Role fólie medzi povrchmi môže hrať vákuové, vzduch, kvapalné alebo akýkoľvek priehľadné pevné teleso. Vo viditeľnom svetle sú účinky interferenčné obmedzená veľkosťou niekoľkých mikrometrov. Známy príklad všetkých filmu je bublina. Svetlo odrazené od nej, je superpozíciou dvoch vlnách - jedna sa odráža od čelnej plochy, a druhá - na zadnej strane. Sa prekrývajú v priestore a pridá sa k sebe navzájom. V závislosti na hrúbke mydlo film, dve vlny môžu vzájomne konštruktívne alebo deštruktívne. Kompletný výpočet interferujúceho obrazce indikuje, že pre svetlo s vlnovou dĺžkou λ je konštruktívna interferencia, pozorovaná pre film s hrúbkou lambda / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, atď., A deštruktívne - .. K Á / 2, λ, 3λ / 2, ...

Vzorce na výpočet

interferencie jav bol mnoho využití, a preto je dôležité pochopiť základné rovnice nemu sa vzťahujúce. Nasledujúce rovnice umožňujú výpočet rôznych hodnôt spojených s rušením, pre svoje dva najčastejšie prípady.

Umiestnenie svetelné lišty v Youngovho experimente .. Tj stránky s konštruktívne interferencie môže byť vypočítaná s použitím vzorca: y _{je svetlo.} = (ΛL / d) m, kde λ - vlnová dĺžka; m = 1, 2, 3, ...; d - vzdialenosť medzi štrbinami; L - vzdialenosť od cieľa.

.. Miesto tmavé pruhy, to znamená oblasti deštruktívne interakcia je daná vzťahom: y _{je tmavý.} = (ΛL / d), (m + 1/2).

Pre ostatné druhy rušenia - v tenkých vrstiev - prítomnosť konštruktívne alebo deštruktívne superpozícia určuje fázový posun odrazených vĺn, ktorá závisí od hrúbky filmu a index lomu ňu. Prvá rovnica opisuje prípad nedostatku takého posunu, a druhá - posun polovičnej vlnovej dĺžky:

2NT = mλ;

2NT = (m + 1/2) λ.

Tu, λ - vlnová dĺžka; m = 1, 2, 3, ...; t - cesta prechádza vo filme; n - index lomu.

Pozorovanie v prírode

Keď slnko svieti na bubline, môžete vidieť jasne farebné pruhy, pretože rôzne vlnové dĺžky sú vystavené deštruktívne interferencie a odstránený z úvah. Zostávajúce odrazeného svetla sa javí ako doplnkový odfarbenie. Napríklad, ak je ako výsledok deštruktívna interferencie je neprítomné červená zložka, odraz bude modrá. Tenká vrstva oleja na vode vzniká podobný efekt. V prírode, perie niektorých vtákov, vrátane pávy a kolibríkov, a škrupiny niektorých chrobákov jasnejšie, pri zmene farby pri zmene uhla pohľadu. optická fyzika tu je interferencia svetelných vĺn odrazených od tenkých vrstevnatých štruktúr alebo polí odrážajúce tyče. Podobne perly a shell sú dúhovky, vzhľadom k superpozícii odrazy od viac vrstiev perly. Drahé kamene, ako je opál, vykazujú krásne interferenčné vzory spôsobené rozptylom svetla z pravidelných štruktúr tvorených mikroskopických sférických častíc.

prihláška

Existuje veľa technologických aplikácií svetelných rušivých javov v každodennom živote. Sú založené fyzika fotoaparátu optiku. Normálny šošovky antireflexná povlak je tenký film. Jej hrúbka a lom lúčov sú zvolené tak, aby produkovať deštruktívne interferenciu odrazeného viditeľného svetla. Špecializovanejšie povlaky pozostávajúce z viacerých vrstiev tenkých filmov určených pre priechod iba žiarenie v úzkom rozmedzí vlnových dĺžok, a preto sa používajú ako filtre. Viacvrstvové povlaky sú tiež použité na zvýšenie odrazivosti zrkadiel astronomických teleskopov, rovnako ako optické laserové rezonátory. Interferometrie - presné meracie metódy používané pre registráciu malé zmeny v relatívnej vzdialenosti - je založený na pozorovaní posunov svetlých a tmavých pásov produkovaných odrazeného svetla. Napríklad merania toho, ako sa mení interferenčné obrazec, umožňuje nastaviť zakrivenie povrchov optických prvkov na optickej vlnovej lalokov.