Кедергі үлгілері - бір-бірімен фазада немесе фазадан тыс сәулелерден туындаған ашық немесе күңгірт жолақтар. Біріктірілген кезде жарық және ұқсас толқындар, егер олардың фазалары сәйкес келсе (ұлғаю және кему бағытында) қосылады немесе антифазада болса, бір-бірін компенсациялайды. Бұл құбылыстар сәйкесінше конструктивті және деструктивті интерференция деп аталады. Егер толқын ұзындығы бірдей монохроматикалық сәулелену шоғы екі тар саңылаулардан өтсе (тәжірибені алғаш рет 1801 жылы ағылшын ғалымы Томас Янг жүргізген, оның арқасында толқын табиғаты туралы қорытындыға келген). жарықтың), нәтижесінде екі сәулені тегіс экранға бағыттауға болады, онда екі қабаттасатын дақтардың орнына интерференциялық жиектер пайда болады - біркелкі ауысатын ашық және қараңғы аймақтардың үлгісі. Бұл құбылыс, мысалы, барлық оптикалық интерферометрлерде қолданылады.
Суперпозиция
Барлық толқындардың анықтаушы сипаттамасы - қабаттасатын толқындардың әрекетін сипаттайтын суперпозиция. Оның принципі ғарышта болған кездеЕгер екіден көп толқын қабаттасатын болса, онда пайда болған күйзеліс жеке толқулардың алгебралық қосындысына тең болады. Кейде бұл ереже үлкен бұзылулар үшін бұзылады. Бұл қарапайым әрекет кедергі құбылыстары деп аталатын бірқатар әсерлерге әкеледі.
Интерференция құбылысы екі төтенше жағдаймен сипатталады. Екі толқынның конструктивті максимумдары сәйкес келеді және олар бір-бірімен фазада болады. Олардың суперпозициясының нәтижесі - алаңдататын әсердің жоғарылауы. Пайда болған аралас толқынның амплитудасы жеке амплитудалардың қосындысына тең. Және, керісінше, деструктивті интерференцияда бір толқынның максимумы екіншісінің минимумымен сәйкес келеді - олар антифазада болады. Біріктірілген толқынның амплитудасы оның құрамдас бөліктерінің амплитудаларының айырмашылығына тең. Олар тең болған жағдайда деструктивті кедергі аяқталды және ортаның жалпы кедергісі нөлге тең болады.
Юнг тәжірибесі
Екі көзден алынған кедергі үлгісі қабаттасатын толқындардың бар екенін анық көрсетеді. Томас Юнг жарық суперпозиция принципіне бағынатын толқын деп болжады. Оның әйгілі эксперименттік жетістігі 1801 жылы жарықтың конструктивті және деструктивті интерференциясын көрсету болды. Янг тәжірибесінің қазіргі нұсқасы тек когерентті жарық көздерін қолдануымен ғана ерекшеленеді. Лазер мөлдір емес беттегі екі параллель саңылауларды біркелкі жарықтандырады. Олар арқылы өтетін жарық қашықтағы экранда байқалады. Слоттар арасындағы ені әлдеқайда үлкен болғандатолқын ұзындығы, геометриялық оптика ережелері сақталады - экранда екі жарықтандырылған аймақ көрінеді. Дегенмен, саңылаулар бір-біріне жақындаған сайын, жарық дифракцияланады және экрандағы толқындар бір-бірін жабады. Дифракцияның өзі жарықтың толқындық табиғатының салдары болып табылады және бұл әсердің тағы бір мысалы болып табылады.
Кедергі үлгісі
Суперпозиция принципі жарықтандырылған экранда алынған қарқындылықтың таралуын анықтайды. Интерференциялық үлгі саңылаудан экранға дейінгі жол айырмашылығы толқын ұзындығының бүтін санына (0, λ, 2λ, …) тең болғанда пайда болады. Бұл айырмашылық жоғары көрсеткіштердің бір уақытта келуін қамтамасыз етеді. Деструктивті кедергі жол айырымы толқын ұзындығының жартысы (λ/2, 3λ/2, …) ығысқан бүтін сан болған кезде пайда болады. Юнг геометриялық аргументтерді суперпозиция нәтижесінде жалпы деструктивті кедергілердің күңгірт дақтарымен бөлінген конструктивті кедергі аймақтарына сәйкес келетін біркелкі бөлінген жиектер немесе жоғары қарқындылық патчтары пайда болатынын көрсету үшін геометриялық аргументтерді пайдаланды.
Тесіктер арасындағы қашықтық
Қос саңылау геометриясының маңызды параметрі жарық толқынының ұзындығының λ саңылауларының d арасындағы қашықтыққа қатынасы болып табылады. Егер λ/d 1-ден әлдеқайда аз болса, онда жиектер арасындағы қашықтық аз болады және қабаттасу әсерлері байқалмайды. Жақын орналасқан саңылауларды қолдану арқылы Юнг қараңғы және жарық аймақтарды ажырата алды. Осылайша, ол көрінетін жарық түстерінің толқын ұзындығын анықтады. Олардың өте аз шамасы бұл әсерлердің неліктен тек байқалатынын түсіндіредібелгілі бір жағдайларда. Конструктивті және деструктивті кедергі аймақтарын бөлу үшін жарық толқындарының көздері арасындағы қашықтық өте аз болуы керек.
Толқын ұзындығы
Кедергі әсерлерін байқау тағы екі себепке байланысты қиын. Көптеген жарық көздері толқын ұзындығының үздіксіз спектрін шығарады, нәтижесінде бір-бірінің үстіне қойылған бірнеше интерференциялық үлгілер пайда болады, олардың әрқайсысында жиектер арасында өз аралығы болады. Бұл толық қараңғылық аймақтары сияқты ең айқын әсерлерді болдырмайды.
Үйлесімділік
Кедергі ұзақ уақыт бойы байқалуы үшін когерентті жарық көздерін пайдалану керек. Бұл сәулелену көздері тұрақты фазалық қатынасты сақтау керек дегенді білдіреді. Мысалы, бірдей жиіліктегі екі гармоникалық толқын әрқашан кеңістіктің әрбір нүктесінде – не фазада, не антифазада, немесе қандай да бір аралық күйде тұрақты фазалық қатынасқа ие болады. Дегенмен, жарық көздерінің көпшілігі шынайы гармоникалық толқындарды шығармайды. Оның орнына олар кездейсоқ фазалық өзгерістер секундына миллиондаған рет болатын жарық шығарады. Мұндай сәулелену когерентсіз деп аталады.
Идеал көз - лазер
Кедергі әлі де екі үйлесімсіз көздің толқындары кеңістікте қабаттасқан кезде байқалады, бірақ интерференция үлгілері кездейсоқ фазалық ығысумен бірге кездейсоқ өзгереді. Жарық сенсорлары, соның ішінде көздер тез тіркеле алмайдыкескінді өзгерту, бірақ тек уақыт бойынша орташа қарқындылық. Лазер сәулесі дерлік монохроматикалық (яғни бір толқын ұзындығынан тұрады) және жоғары когерентті. Бұл кедергі әсерлерін бақылау үшін тамаша жарық көзі.
Жиілікті анықтау
1802 жылдан кейін Юнгтің өлшенген көрінетін жарық толқын ұзындығы оның жиілігін шамалауға сол уақытта қол жетімді жарық жылдамдығының жеткіліксіз дәлдігімен байланысты болуы мүмкін. Мысалы, жасыл шам үшін бұл шамамен 6×1014 Гц. Бұл механикалық тербелістердің жиілігінен көп мөлшерде жоғары. Салыстырмалы түрде адам 2×104 Гц дейінгі жиіліктегі дыбысты ести алады. Мұндай жылдамдықпен нақты ненің құбылғаны келесі 60 жыл бойы жұмбақ болып қала берді.
Жұқа қабықшалардағы кедергі
Байқалған әсерлер Томас Янг пайдаланған қос саңылау геометриясымен шектелмейді. Сәулелер толқын ұзындығымен салыстырылатын арақашықтықпен бөлінген екі беттен шағылған және сынған кезде жұқа қабықшаларда интерференция пайда болады. Беткейлер арасындағы пленка рөлін вакуум, ауа, кез келген мөлдір сұйықтықтар немесе қатты заттар атқара алады. Көрінетін жарықта кедергі әсерлері бірнеше микрометрлік өлшемдермен шектеледі. Фильмнің белгілі мысалы - сабын көпіршігі. Одан шағылған жарық екі толқынның суперпозициясы болып табылады - біреуі алдыңғы беттен, екіншісі - артқы жағынан шағылысады. Олар кеңістікте қабаттасып, бір-бірімен қабаттасады. Сабынның қалыңдығына байланыстыфильмдер, екі толқын конструктивті немесе деструктивті әрекеттесе алады. Интерференциялық үлгінің толық есебі бір толқын ұзындығы λ болатын жарық үшін λ/4, 3λ/4, 5λ/4 және т.б. қабықша қалыңдығы үшін конструктивті кедергі, ал λ/2 үшін деструктивті кедергі байқалатынын көрсетеді, λ, 3λ/ 2, …
Есептеуге арналған формулалар
Интерференция құбылысының көптеген қолданылуы бар, сондықтан негізгі теңдеулерді түсіну маңызды. Келесі формулалар екі ең жиі кездесетін кедергі жағдайлары үшін кедергімен байланысты әртүрлі шамаларды есептеуге мүмкіндік береді.
Янг тәжірибесіндегі жарық жиектердің орналасуын, яғни конструктивті кедергілері бар аймақтарды мына өрнек арқылы есептеуге болады: ybright.=(λL/d)m, мұндағы λ толқын ұзындығы; m=1, 2, 3, …; d – ұялар арасындағы қашықтық; L - мақсатқа дейінгі қашықтық.
Қараңғы жолақтардың орналасуы, яғни деструктивті әрекеттесу аймақтары мына формуламен анықталады: yқараңғы.=(λL/d)(m+1/2).
Басқа бөгде түрі үшін – жұқа пленкаларда – конструктивті немесе деструктивті суперпозицияның болуы қабықшаның қалыңдығына және оның сыну көрсеткішіне байланысты шағылысқан толқындардың фазалық ығысуын анықтайды. Бірінші теңдеу мұндай ығысу болмаған жағдайды сипаттайды, ал екіншісі жарты толқын ұзындығының ығысуын сипаттайды:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Мұнда λ толқын ұзындығы; m=1, 2, 3, …; t – фильмде жүріп өткен жол; n – сыну көрсеткіші.
Табиғаттағы бақылау
Күн сабын көпіршігіне түскенде, әртүрлі толқын ұзындықтары деструктивті кедергіге ұшырап, шағылысудан жойылатындықтан, ашық түсті жолақтарды көруге болады. Қалған шағылысқан жарық алыс түстерге қосымша ретінде көрінеді. Мысалы, егер деструктивті кедергі нәтижесінде қызыл компонент болмаса, онда шағылысу көк болады. Судағы майдың жұқа қабықшалары ұқсас әсер береді. Табиғатта кейбір құстардың қауырсындары, соның ішінде тауыс пен колибри және кейбір қоңыздардың қабықтары жылтыр болып көрінеді, бірақ көру бұрышы өзгерген сайын түсі өзгереді. Мұндағы оптика физикасы – шағылысқан жарық толқындарының жұқа қабатты құрылымдардан немесе шағылыстырғыш таяқшалардың массивтерінен интерференциясы. Сол сияқты, інжу-маржанның бірнеше қабаттарынан шағылысулардың суперпозициясының арқасында інжу мен раковиналарда ирис бар. Опал сияқты асыл тастар микроскопиялық сфералық бөлшектерден құралған қалыпты үлгілерден жарықтың шашырауына байланысты әдемі интерференциялық үлгілерді көрсетеді.
Қолданба
Күнделікті өмірде жарық кедергі құбылыстарының көптеген технологиялық қолданбалары бар. Камера оптикасының физикасы соларға негізделген. Линзаларды шағылыстыруға қарсы әдеттегі жабын - жұқа пленка. Оның қалыңдығы мен сынуы шағылған көрінетін жарықтың деструктивті кедергісін жасау үшін таңдалады. Толығырақ мамандандырылған жабындардан тұрадыжұқа пленкалардың бірнеше қабаттары тек тар толқын ұзындығы диапазонында сәуле шығаруға арналған және сондықтан жарық сүзгілері ретінде пайдаланылады. Көп қабатты жабындар астрономиялық телескоп айналарының, сондай-ақ лазерлік оптикалық қуыстардың шағылыстыру қабілетін арттыру үшін де қолданылады. Интерферометрия – салыстырмалы қашықтықтардың шамалы өзгерістерін анықтау үшін қолданылатын дәл өлшеу әдістері – шағылысқан жарықпен жасалған қараңғы және жарық жолақтарындағы ығысуларды бақылауға негізделген. Мысалы, интерференция үлгісінің қалай өзгеретінін өлшеу оптикалық толқын ұзындығының бөліктерінде оптикалық компоненттер беттерінің қисаюын анықтауға мүмкіндік береді.
