Интерференционните модели са светли или тъмни ленти, причинени от лъчи, които са във фаза или не във фаза един с друг. Когато се наслагват, светлинните и подобни вълни се сумират, ако фазите им съвпадат (както в посока на нарастване, така и в посока намаляване), или се компенсират взаимно, ако са в противофаза. Тези явления се наричат съответно конструктивна и деструктивна интерференция. Ако лъч монохроматично лъчение, всички от които имат еднаква дължина на вълната, премине през два тесни процепа (експериментът е проведен за първи път през 1801 г. от Томас Йънг, английски учен, който благодарение на него стига до заключението за природата на вълната на светлина), двата получени лъча могат да бъдат насочени към плосък екран, върху който вместо две припокриващи се петна се образуват интерференционни ресни - модел от равномерно редуващи се светли и тъмни зони. Това явление се използва например във всички оптични интерферометри.
Суперпозиция
Определящата характеристика на всички вълни е суперпозицията, която описва поведението на насложените вълни. Принципът му е, че когато е в космосаАко се наслагват повече от две вълни, тогава полученото смущение е равно на алгебричната сума от отделните смущения. Понякога това правило се нарушава за големи смущения. Това просто поведение води до поредица от ефекти, наречени интерференционни явления.
Явлението интерференция се характеризира с два крайни случая. В конструктивните максимуми на двете вълни съвпадат и са във фаза една с друга. Резултатът от тяхното наслагване е увеличаване на смущаващия ефект. Амплитудата на получената смесена вълна е равна на сумата от отделните амплитуди. И обратно, при разрушителна интерференция максимумът на една вълна съвпада с минимума на втората - те са в противофаза. Амплитудата на комбинираната вълна е равна на разликата между амплитудите на съставните й части. В случай, когато те са равни, разрушителната интерференция е пълна и общото смущение на средата е нула.
Експериментът на Юнг
Моделът на интерференция от два източника ясно показва наличието на припокриващи се вълни. Томас Юнг предполага, че светлината е вълна, която се подчинява на принципа на суперпозицията. Неговото известно експериментално постижение е демонстрацията на конструктивна и разрушителна интерференция на светлината през 1801 г. Съвременната версия на експеримента на Йънг се различава съществено само по това, че използва кохерентни източници на светлина. Лазерът равномерно осветява два успоредни прореза в непрозрачна повърхност. Светлината, преминаваща през тях, се наблюдава на отдалечен екран. Когато ширината между слотовете е много по-голяма отдължина на вълната, се спазват правилата на геометричната оптика - на екрана се виждат две осветени зони. Въпреки това, когато процепите се приближават един към друг, светлината се разсейва и вълните на екрана се припокриват. Самата дифракция е следствие от вълновата природа на светлината и е друг пример за този ефект.
Интерференционна схема
Принципът на суперпозицията определя резултантното разпределение на интензитета върху осветения екран. Интерференционна картина възниква, когато разликата в пътя от процепа до екрана е равна на цял брой дължини на вълната (0, λ, 2λ, …). Тази разлика гарантира, че върховете пристигат по едно и също време. Разрушителна интерференция възниква, когато разликата в пътя е цял брой дължини на вълната, изместени наполовина (λ/2, 3λ/2, …). Юнг използва геометрични аргументи, за да покаже, че суперпозицията води до серия от равномерно разположени ресни или петна с висок интензитет, съответстващи на области на конструктивна интерференция, разделени от тъмни петна на тотална разрушителна интерференция.
Разстояние между дупките
Важен параметър на геометрията на двойния процеп е съотношението на дължината на светлинната вълна λ към разстоянието между отворите d. Ако λ/d е много по-малко от 1, тогава разстоянието между ресните ще бъде малко и няма да се наблюдават ефекти на припокриване. Използвайки близко разположени процепи, Юнг успя да раздели тъмните и светлите зони. Така той определи дължините на вълните на цветовете на видимата светлина. Тяхната изключително малка величина обяснява защо тези ефекти се наблюдават самопри определени условия. За да се разделят областите на конструктивна и разрушителна интерференция, разстоянията между източниците на светлинни вълни трябва да са много малки.
Дължина на вълната
Наблюдаването на ефектите на смущения е предизвикателство поради две други причини. Повечето източници на светлина излъчват непрекъснат спектър от дължини на вълните, което води до множество интерференционни модели, насложени един върху друг, всеки със собствено разстояние между ресните. Това премахва най-изразените ефекти, като области на пълен мрак.
Съгласуваност
За да се наблюдават смущения за продължителен период от време, трябва да се използват кохерентни източници на светлина. Това означава, че източниците на радиация трябва да поддържат постоянна фазова връзка. Например, две хармонични вълни с една и съща честота винаги имат фиксирана фазова връзка във всяка точка от пространството - или във фаза, или в противофаза, или в някакво междинно състояние. Повечето източници на светлина обаче не излъчват истински хармонични вълни. Вместо това те излъчват светлина, в която произволни фазови промени се случват милиони пъти в секунда. Такова излъчване се нарича некохерентно.
Идеалният източник е лазер
Интерференцията все още се наблюдава, когато вълни от два некохерентни източника се наслагват в пространството, но интерференционните модели се променят произволно, заедно със случайно фазово изместване. Светлинните сензори, включително очите, не могат да регистрират бързопроменящо се изображение, но само осредненият във времето интензитет. Лазерният лъч е почти монохроматичен (т.е. се състои от една дължина на вълната) и силно кохерентен. Това е идеален източник на светлина за наблюдение на ефектите на смущения.
Откриване на честота
След 1802 г., измерените от Юнг дължини на вълната на видимата светлина могат да бъдат свързани с недостатъчно точната скорост на светлината, налична по това време, за да се приближи до нейната честота. Например, за зелена светлина е около 6×1014 Hz. Това е много порядък по-високо от честотата на механичните вибрации. За сравнение, човек може да чува звук с честоти до 2×104 Hz. Какво точно се колебае с такава скорост остава мистерия през следващите 60 години.
Интерференция в тънки филми
Наблюдаваните ефекти не са ограничени до геометрията на двойния прорез, използвана от Томас Йънг. Когато лъчите се отразяват и пречупват от две повърхности, разделени на разстояние, сравнимо с дължината на вълната, възниква интерференция в тънки филми. Ролята на филма между повърхностите може да се играе от вакуум, въздух, всякакви прозрачни течности или твърди вещества. Във видима светлина ефектите на интерференция са ограничени до размери от порядъка на няколко микрометра. Добре известен пример за филм е сапуненият мехур. Отразената от него светлина е наслагване на две вълни - едната се отразява от предната повърхност, а втората - от задната. Те се припокриват в пространството и се подреждат един с друг. В зависимост от дебелината на сапунафилми, две вълни могат да взаимодействат конструктивно или разрушително. Пълното изчисление на интерференционната картина показва, че за светлина с една дължина на вълната λ се наблюдава конструктивна интерференция за дебелина на филма λ/4, 3λ/4, 5λ/4 и т.н., а разрушителна интерференция се наблюдава за λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Формули за изчисление
Явлението интерференция има много приложения, така че е важно да се разберат основните уравнения. Следните формули ви позволяват да изчислите различни количества, свързани със смущенията за двата най-често срещани случая на смущения.
Местоположението на ярките ресни в експеримента на Йънг, т.е. области с конструктивна интерференция, може да се изчисли с помощта на израза: ybright.=(λL/d)m, където λ е дължината на вълната; m=1, 2, 3, …; d е разстоянието между слотовете; L е разстоянието до целта.
Местоположението на тъмните ленти, т.е. областите на разрушително взаимодействие, се определя по формулата: yтъмно.=(λL/d)(m+1/2).
За друг вид интерференция - в тънките филми - наличието на конструктивна или деструктивна суперпозиция определя фазовото изместване на отразените вълни, което зависи от дебелината на филма и неговия коефициент на пречупване. Първото уравнение описва случая на липса на такова изместване, а второто описва изместване на половин вълна:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Тук λ е дължината на вълната; m=1, 2, 3, …; t е пътят, изминат във филма; n е индексът на пречупване.
Наблюдение сред природата
Когато слънцето грее върху сапунен мехур, могат да се видят ярки цветни ленти, тъй като различни дължини на вълната са обект на разрушителна интерференция и са отстранени от отражението. Останалата отразена светлина изглежда като допълнение към далечни цветове. Например, ако няма червен компонент в резултат на разрушителна интерференция, тогава отражението ще бъде синьо. Тънките филми масло върху вода произвеждат подобен ефект. В природата перата на някои птици, включително пауни и колибри, и черупките на някои бръмбари изглеждат преливащи, но променят цвета си при промяна на ъгъла на гледане. Физиката на оптиката тук е интерференцията на отразени светлинни вълни от тънки слоести структури или масиви от отразяващи пръти. По същия начин, перлите и черупките имат ирис, благодарение на наслагването на отражения от няколко слоя седеф. Скъпоценни камъни като опал показват красиви интерференционни модели, дължащи се на разсейването на светлината от правилни модели, образувани от микроскопични сферични частици.
Заявление
В ежедневието има много технологични приложения на светлинните интерференции. На тях се основава физиката на оптиката на камерата. Обичайното антирефлексно покритие на лещите е тънък филм. Неговата дебелина и пречупване са избрани така, че да произвеждат разрушителна интерференция на отразената видима светлина. По-специализирани покрития, състоящи се отняколко слоя тънки филми са предназначени да предават радиация само в тесен диапазон на дължината на вълната и следователно се използват като светлинни филтри. Многослойните покрития се използват и за увеличаване на отразяващата способност на огледалата на астрономическите телескопи, както и на лазерните оптични кухини. Интерферометрията - прецизни методи за измерване, използвани за откриване на малки промени в относителните разстояния - се основава на наблюдението на измествания в тъмните и светлите ленти, създадени от отразената светлина. Например, измерването на това как ще се промени интерференционната картина ви позволява да определите кривината на повърхностите на оптичните компоненти във части от дължината на оптичната вълна.
