Interferentni obrasci su svijetle ili tamne trake koje su uzrokovane snopovima koji su međusobno u fazi ili van faze. Kada se superponiraju, svjetlosni i slični valovi se zbrajaju ako im se faze poklapaju (i u smjeru povećanja i smanjenja), ili se međusobno kompenziraju ako su u antifazi. Ove pojave se nazivaju konstruktivne i destruktivne interferencije, respektivno. Ako snop monokromatskog zračenja, od kojih svi imaju istu talasnu dužinu, prođe kroz dva uska proreza (eksperiment je prvi 1801. godine izveo Thomas Young, engleski naučnik koji je zahvaljujući njemu došao do zaključka o prirodi talasa svjetlosti), dva rezultirajuća snopa mogu se usmjeriti na ravan ekran, na kojem se, umjesto dva preklapajuća mjesta, formiraju interferentne rese - uzorak ravnomjerno naizmjeničnih svijetlih i tamnih područja. Ovaj fenomen se koristi, na primjer, u svim optičkim interferometrima.
Superpozicija
Definirajuća karakteristika svih talasa je superpozicija, koja opisuje ponašanje superponiranih talasa. Njegov princip je da kada je u svemiruAko je više od dva vala superponirano, onda je rezultirajuća perturbacija jednaka algebarskom zbiru pojedinačnih perturbacija. Ponekad se ovo pravilo krši za velike perturbacije. Ovo jednostavno ponašanje dovodi do niza efekata koji se nazivaju fenomeni interferencije.
Fenomen interferencije karakterišu dva ekstremna slučaja. U konstruktivnim maksimumima dva talasa se poklapaju i međusobno su u fazi. Rezultat njihove superpozicije je povećanje perturbirajućeg efekta. Amplituda rezultirajućeg mješovitog vala jednaka je zbroju pojedinačnih amplituda. I obrnuto, kod destruktivne interferencije, maksimum jednog vala poklapa se s minimumom drugog - oni su u antifazi. Amplituda kombinovanog talasa jednaka je razlici između amplituda njegovih sastavnih delova. 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 prisustvo talasa koji se preklapaju. Thomas Jung je sugerirao da je svjetlost talas koji se pokorava principu superpozicije. Njegovo čuveno eksperimentalno dostignuće bila je demonstracija konstruktivne i destruktivne interferencije svetlosti 1801. Moderna verzija Jangovog eksperimenta suštinski se razlikuje samo po tome što koristi koherentne izvore svetlosti. Laser ravnomjerno osvjetljava dva paralelna proreza na neprozirnoj površini. Svetlost koja prolazi kroz njih se posmatra na udaljenom ekranu. Kada je širina između proreza mnogo veća odtalasne dužine, poštuju se pravila geometrijske optike - na ekranu su vidljiva dva osvetljena područja. Međutim, kako se prorezi približavaju jedni drugima, svjetlost se raspršuje, a valovi na ekranu se međusobno preklapaju. Sama difrakcija je posledica talasne prirode svetlosti i još je jedan primer ovog efekta.
Interferentni uzorak
Princip superpozicije određuje rezultujuću distribuciju intenziteta na osvetljenom ekranu. Interferentni uzorak nastaje kada je razlika putanje od proreza do ekrana jednaka cijelom broju valnih dužina (0, λ, 2λ, …). Ova razlika osigurava da visoki tonovi stignu u isto vrijeme. Destruktivna interferencija nastaje kada je razlika puta cijeli broj valnih dužina pomjerenih za polovicu (λ/2, 3λ/2, …). Jung je koristio geometrijske argumente da pokaže da superpozicija rezultira nizom ravnomjerno raspoređenih rubova ili mrlja visokog intenziteta koji odgovaraju područjima konstruktivne interferencije razdvojenih tamnim mrljama totalne destruktivne interferencije.
Udaljenost između rupa
Važan parametar geometrije dvostrukog proreza je omjer talasne dužine svjetlosti λ i udaljenosti između rupa d. Ako je λ/d mnogo manji od 1, tada će razmak između rubova biti mali i neće se primijetiti efekti preklapanja. Koristeći usko raspoređene proreze, Jung je uspio razdvojiti tamna i svijetla područja. Tako je odredio talasne dužine boja vidljive svetlosti. Njihova izuzetno mala veličina objašnjava zašto se ovi efekti samo opažajupod određenim uslovima. Da bi se odvojile oblasti konstruktivne i destruktivne interferencije, udaljenosti između izvora svetlosnih talasa moraju biti veoma male.
valna dužina
Uočavanje efekata smetnji je izazov iz dva druga razloga. Većina izvora svjetlosti emituje kontinuirani spektar valnih dužina, što rezultira višestrukim interferencijskim uzorcima koji se naslanjaju jedan na drugi, svaki sa svojim vlastitim razmakom između rubova. Ovo poništava najizraženije efekte, kao što su područja potpune tame.
Koherencija
Da bi se smetnje uočile tokom dužeg vremenskog perioda, moraju se koristiti koherentni izvori svjetlosti. To znači da izvori zračenja moraju održavati konstantan fazni odnos. Na primjer, dva harmonijska talasa iste frekvencije uvijek imaju fiksni fazni odnos u svakoj tački u prostoru - ili u fazi, ili u antifazi, ili u nekom međustanju. Međutim, većina izvora svjetlosti ne emituje prave harmonijske valove. Umjesto toga, emituju svjetlost u kojoj se nasumične promjene faze događaju milionima puta u sekundi. Takvo zračenje se naziva nekoherentnim.
Idealni izvor je laser
Interferencija se i dalje opaža kada se talasi dva nekoherentna izvora superponiraju u prostoru, ali se obrasci interferencije nasumično mijenjaju, zajedno sa nasumičnim faznim pomakom. Svetlosni senzori, uključujući oči, ne mogu brzo da se registrujupromjena slike, ali samo vremenski prosječni intenzitet. Laserski snop je skoro monohromatičan (tj. sastoji se od jedne talasne dužine) i visoko koherentan. Idealan je izvor svjetlosti za posmatranje efekata smetnji.
Detekcija frekvencije
Nakon 1802. Jungove izmjerene talasne dužine vidljive svjetlosti mogle bi se povezati s nedovoljno preciznom brzinom svjetlosti koja je bila dostupna u to vrijeme da bi se aproksimirala njena frekvencija. Na primjer, za zeleno svjetlo to je oko 6×1014 Hz. To je mnogo reda veličine više od frekvencije mehaničkih vibracija. Za poređenje, čovjek može čuti zvuk sa frekvencijama do 2×104 Hz. Šta je tačno fluktuiralo takvom brzinom ostalo je misterija narednih 60 godina.
Interferencija u tankim filmovima
Uočeni efekti nisu ograničeni na geometriju dvostrukog proreza koju koristi Thomas Young. Kada se zraci reflektiraju i lome od dvije površine koje su razdvojene razdaljinom koja je uporediva s talasnom dužinom, dolazi do interferencije u tankim filmovima. Ulogu filma između površina može igrati vakuum, zrak, bilo koje prozirne tekućine ili čvrste tvari. U vidljivoj svjetlosti, efekti interferencije su ograničeni na dimenzije od nekoliko mikrometara. Dobro poznati primjer filma je mjehur od sapunice. Svjetlost koja se reflektira od njega je superpozicija dvaju valova - jedan se odbija od prednje površine, a drugi - sa stražnje. One se preklapaju u prostoru i slažu jedna s drugom. U zavisnosti od debljine sapunafilmova, dva talasa mogu da deluju konstruktivno ili destruktivno. Kompletan proračun interferencijskog obrasca pokazuje da se za svjetlost jedne talasne dužine 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 obračun
Fenomen interferencije ima mnogo primjena, tako da je važno razumjeti osnovne jednačine uključene. Sljedeće formule vam omogućavaju da izračunate različite količine povezane sa smetnjama za dva najčešća slučaja interferencije.
Lokacija svijetlih rubova u Youngovom eksperimentu, tj. područja s konstruktivnom interferencijom, može se izračunati korištenjem izraza: ybright.=(λL/d)m, gdje je λ je talasna dužina; m=1, 2, 3, …; d je rastojanje između proreza; L je udaljenost do mete.
Lokacija tamnih traka, odnosno područja destruktivne interakcije, određena je formulom: ytamno.=(λL/d)(m+1/2).
Za drugu vrstu interferencije - u tankim filmovima - prisustvo konstruktivne ili destruktivne superpozicije određuje fazni pomak reflektovanih talasa, koji zavisi od debljine filma i njegovog indeksa prelamanja. Prva jednadžba opisuje slučaj odsustva takvog pomaka, a druga opisuje pomak poluvalne dužine:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Ovde λ je talasna dužina; m=1, 2, 3, …; t je put pređen u filmu; n je indeks loma.
Promatranje u prirodi
Kada sunce obasja mjehur od sapunice, mogu se vidjeti trake jarkih boja jer su različite talasne dužine podložne destruktivnim smetnjama i uklonjene su od refleksije. Preostalo reflektovano svjetlo izgleda kao komplementarno udaljenim bojama. Na primjer, ako nema crvene komponente kao rezultat destruktivne interferencije, tada će refleksija biti plava. Tanki slojevi ulja na vodi proizvode sličan efekat. U prirodi, perje nekih ptica, uključujući paunove i kolibrije, i školjke nekih buba izgledaju prelive, ali mijenjaju boju kako se ugao gledanja mijenja. Fizika optike ovdje je interferencija reflektiranih svjetlosnih valova od tankih slojevitih struktura ili nizova reflektirajućih šipki. Slično, biseri i školjke imaju iris, zahvaljujući superpoziciji refleksije iz nekoliko slojeva sedefa. Drago kamenje kao što je opal pokazuje prekrasne šare interferencije zbog raspršivanja svjetlosti od pravilnih uzoraka formiranih od mikroskopskih sferičnih čestica.
Prijava
Postoje mnoge tehnološke primjene fenomena svjetlosnih smetnji u svakodnevnom životu. Na njima se zasniva fizika optike kamere. Uobičajeni antirefleksni premaz sočiva je tanak film. Njegova debljina i refrakcija su odabrani da proizvedu destruktivnu interferenciju reflektirane vidljive svjetlosti. Specijaliziraniji premazi koji se sastoje odnekoliko slojeva tankih filmova su dizajnirani da prenose zračenje samo u uskom opsegu talasnih dužina i stoga se koriste kao svetlosni filteri. Višeslojni premazi se takođe koriste za povećanje refleksivnosti ogledala astronomskih teleskopa, kao i laserskih optičkih šupljina. Interferometrija - precizne metode mjerenja koje se koriste za otkrivanje malih promjena u relativnim udaljenostima - zasniva se na posmatranju pomaka tamnih i svijetlih traka koje stvara reflektovana svjetlost. Na primjer, mjerenje načina na koji će se dijagram interferencije promijeniti omogućava vam da odredite zakrivljenost površina optičkih komponenti u dijelovima optičke talasne dužine.
