Vzorce rušenia sú svetlé alebo tmavé pásy, ktoré sú spôsobené lúčmi, ktoré sú vo fáze alebo mimo fázy. Pri superponovaní sa svetlo a podobné vlny sčítavajú, ak sa ich fázy zhodujú (v smere nárastu aj poklesu), alebo sa navzájom kompenzujú, ak sú v protifáze. Tieto javy sa nazývajú konštruktívne a deštruktívne zasahovanie, resp. Ak lúč monochromatického žiarenia, ktoré má všetky rovnakú vlnovú dĺžku, prejde dvomi úzkymi štrbinami (experiment prvýkrát uskutočnil v roku 1801 anglický vedec Thomas Young, ktorý vďaka nemu dospel k záveru o vlnovej podstate svetla), dva výsledné lúče možno nasmerovať na rovnú obrazovku, na ktorej sa namiesto dvoch prekrývajúcich sa škvŕn vytvoria interferenčné prúžky - vzor rovnomerne sa striedajúcich svetlých a tmavých plôch. Tento jav sa využíva napríklad vo všetkých optických interferometroch.
Superpozícia
Určujúcou charakteristikou všetkých vĺn je superpozícia, ktorá popisuje správanie superponovaných vĺn. Jej princípom je, že keď je vo vesmíreAk sa superponujú viac ako dve vlny, potom sa výsledná porucha rovná algebraickému súčtu jednotlivých porúch. Niekedy sa toto pravidlo porušuje pri veľkých poruchách. Toto jednoduché správanie vedie k sérii efektov nazývaných interferenčné javy.
Fenomén interferencie je charakterizovaný dvoma extrémnymi prípadmi. V konštruktívnych maximách sa tieto dve vlny zhodujú a sú navzájom vo fáze. Výsledkom ich superpozície je zvýšenie rušivého efektu. Amplitúda výslednej zmiešanej vlny sa rovná súčtu jednotlivých amplitúd. A naopak, pri deštruktívnej interferencii sa maximum jednej vlny zhoduje s minimom druhej - sú v protifáze. Amplitúda kombinovanej vlny sa rovná rozdielu medzi amplitúdami jej jednotlivých častí. V prípade, že sú rovnaké, deštruktívne rušenie je dokončené a celkové rozrušenie média je nulové.
Jungov experiment
Interferenčný obrazec z dvoch zdrojov jasne naznačuje prítomnosť prekrývajúcich sa vĺn. Thomas Jung navrhol, že svetlo je vlna, ktorá sa riadi princípom superpozície. Jeho slávnym experimentálnym počinom bola demonštrácia konštruktívnej a deštruktívnej interferencie svetla v roku 1801. Moderná verzia Youngovho experimentu sa líši v podstate len tým, že využíva koherentné svetelné zdroje. Laser rovnomerne osvetľuje dve paralelné štrbiny v nepriehľadnom povrchu. Svetlo prechádzajúce cez ne je pozorované na vzdialenej obrazovke. Keď je šírka medzi štrbinami oveľa väčšia akovlnovej dĺžky sú dodržané pravidlá geometrickej optiky – na obrazovke sú viditeľné dve osvetlené plochy. Keď sa však štrbiny približujú k sebe, svetlo sa ohýba a vlny na obrazovke sa navzájom prekrývajú. Samotná difrakcia je dôsledkom vlnovej povahy svetla a je ďalším príkladom tohto efektu.
Vzor rušenia
Princíp superpozície určuje výsledné rozloženie intenzity na osvetlenej obrazovke. Interferenčný obrazec nastane, keď sa dráhový rozdiel medzi štrbinou a obrazovkou rovná celému číslu vlnových dĺžok (0, λ, 2λ, …). Tento rozdiel zabezpečuje, že výšky prichádzajú v rovnakom čase. K deštruktívnej interferencii dochádza, keď je dráhový rozdiel celočíselný počet vlnových dĺžok posunutý o polovicu (λ/2, 3λ/2, …). Jung použil geometrické argumenty, aby ukázal, že výsledkom superpozície je séria rovnomerne rozmiestnených okrajov alebo oblastí vysokej intenzity zodpovedajúcich oblastiam konštruktívnej interferencie oddelených tmavými škvrnami totálnej deštruktívnej interferencie.
Vzdialenosť medzi otvormi
Dôležitým parametrom geometrie dvojitej štrbiny je pomer vlnovej dĺžky svetla λ k vzdialenosti medzi otvormi d. Ak je λ/d oveľa menšie ako 1, potom bude vzdialenosť medzi okrajmi malá a nebudú pozorované žiadne prekrývajúce sa efekty. Použitím tesne rozmiestnených štrbín dokázal Jung oddeliť tmavé a svetlé oblasti. Tak určil vlnové dĺžky farieb viditeľného svetla. Ich extrémne malá veľkosť vysvetľuje, prečo sú tieto účinky len pozorovanéza určitých podmienok. Na oddelenie oblastí konštruktívneho a deštruktívneho rušenia musia byť vzdialenosti medzi zdrojmi svetelných vĺn veľmi malé.
Vlnová dĺžka
Pozorovanie efektov rušenia je náročné z dvoch ďalších dôvodov. Väčšina svetelných zdrojov vyžaruje súvislé spektrum vlnových dĺžok, čo vedie k viacerým interferenčným vzorom, ktoré sa navzájom prekrývajú, pričom každý má svoj vlastný rozstup medzi okrajmi. Tým sa rušia najvýraznejšie efekty, ako sú oblasti úplnej tmy.
Koherencia
Aby bolo možné pozorovať rušenie počas dlhšieho časového obdobia, musia sa použiť koherentné zdroje svetla. To znamená, že zdroje žiarenia musia udržiavať konštantný fázový vzťah. Napríklad dve harmonické vlny rovnakej frekvencie majú vždy pevný fázový vzťah v každom bode v priestore – buď vo fáze, alebo v protifáze, alebo v nejakom medzistave. Väčšina svetelných zdrojov však nevyžaruje skutočné harmonické vlny. Namiesto toho vyžarujú svetlo, v ktorom dochádza k náhodným fázovým zmenám miliónkrát za sekundu. Takéto žiarenie sa nazýva nekoherentné.
Ideálnym zdrojom je laser
Interferencia je stále pozorovaná, keď sú vlny dvoch nekoherentných zdrojov superponované v priestore, ale interferenčné vzory sa menia náhodne spolu s náhodným fázovým posunom. Svetelné senzory, vrátane očí, sa nedokážu rýchlo zaregistrovaťmeniaci sa obraz, ale len časovo spriemerovaná intenzita. Laserový lúč je takmer monochromatický (t. j. pozostáva z jednej vlnovej dĺžky) a vysoko koherentný. Je ideálnym zdrojom svetla na pozorovanie interferenčných efektov.
Detekcia frekvencie
Po roku 1802 mohli Jungove namerané vlnové dĺžky viditeľného svetla súvisieť s nedostatočne presnou rýchlosťou svetla, ktorá bola v tom čase k dispozícii na aproximáciu jeho frekvencie. Napríklad pre zelené svetlo je to asi 6×1014 Hz. To je o mnoho rádov vyššie ako frekvencia mechanických vibrácií. Na porovnanie, človek môže počuť zvuk s frekvenciou až 2×104 Hz. Čo presne takou rýchlosťou kolísalo, zostalo záhadou ďalších 60 rokov.
Interferencia v tenkých vrstvách
Pozorované efekty nie sú obmedzené na geometriu dvojitej štrbiny, ktorú používa Thomas Young. Keď sa lúče odrážajú a lámu od dvoch povrchov oddelených vzdialenosťou porovnateľnou s vlnovou dĺžkou, dochádza v tenkých filmoch k interferencii. Úlohu filmu medzi povrchmi môže hrať vákuum, vzduch, akékoľvek priehľadné kvapaliny alebo pevné látky. Vo viditeľnom svetle sú interferenčné efekty obmedzené na rozmery rádovo niekoľkých mikrometrov. Známym príkladom filmu je mydlová bublina. Svetlo odrazené od neho je superpozíciou dvoch vĺn - jedna sa odráža od prednej plochy a druhá - zo zadnej strany. Priestorovo sa prekrývajú a stohujú na seba. V závislosti od hrúbky mydlafilmy, dve vlny môžu vzájomne pôsobiť konštruktívne alebo deštruktívne. Úplný výpočet interferenčného obrazca ukazuje, že pre svetlo s jednou vlnovou dĺžkou λ sa pozoruje konštruktívna interferencia pre hrúbku filmu λ/4, 3λ/4, 5λ/4 atď., a deštruktívna interferencia sa pozoruje pre λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Vzorce na výpočet
Fenomén interferencie má mnoho využití, preto je dôležité porozumieť základným rovniciam. Nasledujúce vzorce vám umožňujú vypočítať rôzne veličiny spojené s interferenciou pre dva najbežnejšie prípady interferencií.
Umiestnenie jasných okrajov v Youngovom experimente, t. j. oblasti s konštruktívnou interferenciou, možno vypočítať pomocou výrazu: yjasné.=(λL/d)m, kde λ je vlnová dĺžka; m=1, 2, 3, …; d je vzdialenosť medzi štrbinami; L je vzdialenosť k cieľu.
Umiestnenie tmavých pásov, t. j. oblastí deštruktívnej interakcie, je určené vzorcom: ytmavé.=(λL/d)(m+1/2).
Pre iný typ interferencie - v tenkých vrstvách - prítomnosť konštruktívnej alebo deštruktívnej superpozície určuje fázový posun odrazených vĺn, ktorý závisí od hrúbky filmu a jeho indexu lomu. Prvá rovnica popisuje prípad absencie takéhoto posunu a druhá popisuje posun o polovičnú vlnovú dĺžku:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Tu je λ vlnová dĺžka; m=1, 2, 3, …; t je dráha prejdená vo filme; n je index lomu.
Pozorovanie v prírode
Keď slnko svieti na mydlovú bublinu, možno vidieť jasné farebné pásy, pretože rôzne vlnové dĺžky podliehajú deštruktívnej interferencii a sú odstránené z odrazu. Zostávajúce odrazené svetlo sa javí ako doplnkové k vzdialeným farbám. Napríklad, ak v dôsledku deštruktívneho rušenia nie je žiadna červená zložka, odraz bude modrý. Tenký film oleja na vode vytvára podobný efekt. V prírode sa perie niektorých vtákov, vrátane pávov a kolibríkov, a ulity niektorých chrobákov javia ako dúhové, ale menia farbu so zmenou uhla pohľadu. Fyzikou optiky je tu interferencia odrazených svetelných vĺn z tenkovrstvových štruktúr alebo polí reflexných tyčí. Podobne aj perly a mušle majú dúhovku vďaka superpozícii odleskov z niekoľkých vrstiev perlete. Drahé kamene ako opál vykazujú nádherné interferenčné vzory v dôsledku rozptylu svetla z pravidelných vzorov vytvorených mikroskopickými sférickými časticami.
Aplikácia
V každodennom živote existuje mnoho technologických aplikácií javov rušenia svetla. Na nich je založená fyzika optiky fotoaparátu. Obvyklá antireflexná vrstva šošoviek je tenký film. Jeho hrúbka a lom sú zvolené tak, aby vytvárali deštruktívnu interferenciu odrazeného viditeľného svetla. Špecializovanejšie nátery pozostávajúce zniekoľko vrstiev tenkých vrstiev je navrhnutých na prenos žiarenia len v úzkom rozsahu vlnových dĺžok, a preto sa používajú ako svetelné filtre. Viacvrstvové povlaky sa používajú aj na zvýšenie odrazivosti zrkadiel astronomických ďalekohľadov, ako aj laserových optických dutín. Interferometria – presné meracie metódy používané na detekciu malých zmien relatívnych vzdialeností – je založená na pozorovaní posunov tmavých a svetlých pásov vytvorených odrazeným svetlom. Napríklad meranie toho, ako sa zmení interferenčný obrazec, vám umožňuje určiť zakrivenie povrchov optických komponentov v zlomkoch optickej vlnovej dĺžky.
