Interferenzmuster. Die Bedingungen der maximalen und minimalen

Interferenzmuster – es ist helle oder dunkle Streifen, die miteinander durch die Strahlen, von denen in Phase oder außer Phase verursacht werden. Lichtwellen und dergleichen werden hinzugefügt, wenn angewendet, wenn ihre Phasen zusammenfallen (in Richtung des zunehmenden oder abnehmenden) oder sie einander aufheben, wenn sie gegenphasig sind. Diese Phänomene werden konstruktive und destruktive Interferenz genannt sind. Wenn monochromatischen Lichtstrahl, alle Wellen, die die gleiche Länge haben, gehen durch zwei schmale Schlitze (das Experiment zuerst im Jahr 1801 von Thomas Young, englischem Wissenschaftler durchgeführt wurde, die, dank ihm zu dem Schluss gekommen, dass die Wellennatur des Lichts), zwei des resultierenden Strahls gerichtet werden kann Interferenzstreifen auf einem flachen Bildschirm, der anstelle der beiden überlappenden Flecken gebildet werden – gleichmäßig Muster von abwechselnd hellen und dunklen Bereichen. Dieses Phänomen wird genutzt, beispielsweise in allen optischen Interferometern.

Überlagerung

Das bestimmende Merkmal einer Überlagerung von Wellen, die das Verhalten der überlagerten Wellen beschreibt. Ihr Prinzip besteht darin, dass, wenn in dem Raum von einer überlagerten zwei Wellen, die sich ergebende Störung der algebraischen Summe der Einzelstörungen gleich ist. Manchmal bei großen Störungen wird diese Regel verletzt. Dieses einfache Verhalten führt zu einer Reihe von Effekten, die Interferenzerscheinungen genannt werden.

Das Phänomen der Interferenz wird durch zwei Extreme gekennzeichnet. Die beiden Wellen konstruktiv Maxima zusammenfallen, und sie sind in Phase miteinander. Das Ergebnis der Überlagerung ist die Stärkung der Störung. Die Amplitude der resultierenden Mischwelle ist gleich der Summe der einzelnen Amplituden gleich sind. Umgekehrt destruktive Interferenz in maximal eine Welle zusammenfällt mit dem minimalen zweiten – sie in Opposition befinden. Die Amplitude der kombinierten Welle ist, die die Differenz zwischen den Amplituden seiner Bestandteile gleich. In dem Fall, dass sie gleich sind, ist es vollständige destruktive Interferenz und Störung des gesamten Mediums gleich Null ist.

Youngs Experiment

Das Interferenzmuster der beiden Quellen zeigt deutlich das Vorhandensein der überlappenden Wellen. Thomas Young schlug vor , dass Licht – eine Welle , die das Prinzip der Überlagerung gehorcht. Seine berühmte Leistung war die experimentelle Demonstration der konstruktiven und destruktiven Interferenz von Licht im Jahr 1801 Die moderne Version des Young-Experiments in der Natur nur dadurch unterscheidet , dass es kohärente Lichtquellen verwendet. Laser beleuchtet gleichmäßig zwei parallelen Schlitze in der opaken Oberfläche. Licht, das durch sie gibt es einen Remote-Bildschirm. Wenn die Breite zwischen den Schlitzen wesentlich größer als die Wellenlänge ist, beobachtet, um die Regeln der geometrischen Optik – auf dem Bildschirm zwei beleuchteten Bereiche gesehen. Jedoch gebeugt der Ansatz von Schlitzen Licht und die Wellen auf dem Bildschirm übereinander überlagern. Diffraction ist selbst eine Folge der Wellennatur des Lichts, und ein weiteres Beispiel für diesen Effekt.

Das Interferenzmuster

Das Prinzip der Überlagerung bestimmt die resultierende Intensitätsverteilung auf dem beleuchteten Bildschirm. Das Interferenzmuster tritt auf, wenn der Gangunterschied aus dem Schlitz auf den Bildschirm auf die gesamte Anzahl der Wellenlängen gleich (0, λ, 2λ, …). Dieser Unterschied stellt sicher, dass Höhen zugleich kommen. Destruktive Interferenz auftritt, wenn die Wegdifferenz gleich einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen um die Hälfte versetzt (λ / 2 3λ / 2, …). Jung verwendet geometrische Argumente zu zeigen, dass die Überlagerung einer Reihe von gleichmäßig beabstandeten Bändern oder Bereichen hoher Intensität führt zu den Bereichen konstruktiver Interferenz entsprechen, die von dunklen Bereichen voll zerstörende getrennt.

Lochabstand

Eine wichtige Parameter der Geometrie mit zwei Schlitzen ist das Verhältnis der Lichtwellenlänge λ, und der Abstand zwischen den Löchern E. Wenn λ / d viel kleiner als 1 ist, wird der Abstand zwischen den Bändern klein sein und sich überlappenden Wirkungen werden nicht beobachtet. Verwendung von eng beabstandeten Schlitzen, Jung war in der Lage, die helle und dunkle Bereiche zu unterteilen. So bestimmt er die Wellenlängen des sichtbaren Lichts Farben. Ihr extrem kleiner Wert erklärt, warum diese Effekte nur unter bestimmten Bedingungen eingehalten werden. Um die Bereiche konstruktiver und destruktiver Interferenz unterteilen, ist der Abstand zwischen der Quelle von Lichtwellen muß sehr klein sein.

Wellenlänge

Beobachtung von Interferenzeffekten ist eine Herausforderung aus zwei anderen Gründen. Die meisten Lichtquellen emittiert ein kontinuierliches Wellenlängenspektrum, was zur Bildung von mehreren Interferenzmustern resultierenden übereinander angeordnet, die jeweils mit einem Zwischenraum zwischen den Streifen. Dies beseitigt die ausgeprägteste Effekte, wie Bereiche völliger Dunkelheit.

Kohärenz

Dass eine Störung könnte über einen längeren Zeitraum beobachtet werden, ist es notwendig, kohärente Lichtquellen zu verwenden. Dies bedeutet, dass die Strahlungsquellen eine konstante Phasenbeziehung aufrechterhalten müssen. Zum Beispiel kann zwei Oberwellen der gleichen Frequenz haben immer eine feste Phasenbeziehung zu jedem Punkt im Raum – entweder in Phase oder in Gegenphase oder in einem Zwischenzustand. die meisten der Lichtquellen jedoch strahlt die wahre harmonische Welle. Stattdessen sie Licht emittieren, in denen zufällige Phasenwechsel Millionen Mal pro Sekunde auftritt. Eine solche Strahlung ist inkohärent bezeichnet.

Ideal Quelle – Laser

Interferenz wird nach wie vor, wenn überlagerte Wellen im Raum von zwei inkohärenten Quellen beobachtet, aber Interferenzmuster variieren zufällig zusammen mit einer zufälligen Phasenverschiebung. Lichtsensoren, einschließlich der Augen, kann ein sich schnell änderndes Bild nicht registrieren, und nur die mittlere Intensität der Zeit. Der Laserstrahl wird fast monochromatische (m. E. aus einer einzigen Wellenlänge besteht) und eine hoch-. Es ist eine ideale Lichtquelle für die Interferenzeffekte zu beobachten.

Bestimmung der Frequenz

Nach Jung 1802 Maßnahme Wellenlängen des sichtbaren Lichts kann mit unzureichend genau Lichtgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt verfügbar korreliert wird seine ungefähre Frequenz zu berechnen. So ist beispielsweise grünes Licht bis etwa 6 × ^14. Oktober Hz gleich. Dies ist um viele Größenordnungen größer als die Frequenz der mechanischen Schwingungen. Zum Vergleich kann eine Person , die den Schall mit Frequenzen bis zu 2 × ^{10. April} Hz hören. Was ändert sich genau mit einer Rate blieb noch ein Geheimnis für die nächsten 60 Jahre.

Interferenz in dünnen Filmen

Die beobachteten Effekte sind nicht auf die Doppelspaltgeometrie beschränkt, die von Thomas Young. Wenn es eine Reflexion und Brechung der Strahlen, die von den beiden Oberflächen durch einen Abstand vergleichbar mit der Wellenlänge getrennt ist, tritt Interferenz in dünnen Schichten. Die Rolle des Films zwischen den Flächen kann ein Vakuum, Luft, Flüssigkeit oder einen beliebigen transparenten Festkörper spielen. Im sichtbaren Licht Interferenzeffekte werden durch die Größen von wenigen Mikrometern beschränkt. Ein bekanntes Beispiel für all die Folie eine Blase. Reflektiertes Licht von ihm, eine Überlagerung von zwei Wellen, – einer von der Vorderfläche reflektiert wird, und die zweite – auf der Rückseite. Sie überschneiden sich in Raum und miteinander addiert. In Abhängigkeit von der Dicke des Seifenfilms können zwei Wellen in Wechselwirkung treten konstruktiv oder destruktiv. Eine vollständige Berechnung des Interferenzmusters zeigt an, dass mit einer Wellenlänge für Licht λ konstruktive Interferenz wird für eine Schichtdicke von λ beobachtet / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, usw., und destruktiven – .. / 2 & lambda;, λ, 3λ / 2, …

Formeln zur Berechnung

Interferenzerscheinung war viele Anwendungen, so ist es wichtig, sich darauf beziehen, die Grundgleichung zu verstehen. Die folgenden Gleichungen ermöglichen die Berechnung der verschiedenen Werte mit der Interferenz assoziiert, die für ihre beiden häufigsten Fälle.

Location Lichtstreifen in Youngs Experiment .. Dh Seiten mit konstruktiver Interferenz können nach folgenden Formel berechnet werden: y _ist das _Licht. = (& Lambda; L / D) m, worin λ – Wellenlänge; m = 1, 2, 3, …; d – der Abstand zwischen den Schlitzen; L – Entfernung zum Ziel.

.. Lage dunkle Bänder, dh den Bereichen destruktiver Wechselwirkung gegeben ist durch : y _{ist dunkel.} = (& Lambda; L / d) (m + 1/2).

Für andere Arten Störeinflüssen – in dünnen Filmen – das Vorhandensein konstruktive oder destruktive Überlagerung bestimmt die Phasenverschiebung der reflektierten Wellen, die von der Filmdicke und dem Brechungsindex der davon abhängt. Die erste Gleichung beschreibt den Fall des Fehlens einer solchen Verschiebung, und die zweite – eine Verschiebung der halben Wellenlänge:

2NT = m & lgr;

2NT = (m + 1/2) λ.

Hier λ – Wellenlänge; m = 1, 2, 3, …; t – Pfad in dem Film durchlaufen; n – Brechungsindex.

Beobachtung in der Natur

Wenn die Sonne auf die Blase leuchtet, können Sie die bunten Streifen sehen, da verschiedene Wellenlängen zu einer destruktiven Interferenz ausgesetzt sind und von der Reflexion entfernt. Das verbleibende reflektierte Licht erscheint als eine Komplementärfarbentfernung. Wenn beispielsweise als Ergebnis der destruktiven Interferenz abwesender Rotanteil ist, wird die Reflexion blau sein. Der dünne Film aus Öl auf dem Wasser erzeugt eine ähnliche Wirkung. In der Natur, die Federn einiger Vögel, darunter Pfauen und Kolibris, und die Schalen einiger Käfer heller erscheinen, während Farbe ändert, wenn Sie den Blickwinkel ändern. optische Physik ist hier die Interferenz von Lichtwellen von den dünnen Schichtstrukturen oder Arrays reflektierten reflektierenden Stäbe. Ähnlich Perlen und Schale sind Iris, aufgrund Überlagerung von Reflektionen von mehreren Schichten der Perle. Edelsteine wie Opal, weisen schöne Interferenzmuster, die durch Licht von regelmäßigen Strukturen Streuung durch mikroskopische kugelförmige Teilchen gebildet.

Anwendung

Es gibt viele technische Anwendungen von Licht Interferenzerscheinungen im Alltag. Sie basieren Optik Physik Kamera. Normale Linsen Anti-Reflexbeschichtung ist ein dünner Film. Seine Dicke und Brechung der Strahlen so gewählt sind, destruktive Interferenz des reflektierten sichtbaren Lichts zu erzeugen. Spezialisiertere Beschichtungen aus mehreren Schichten von Dünnschichten für die in einem engen Wellenlängenbereich nur Strahlung verläuft und somit als Filter dienen, bestehend eingesetzt. Mehrschichtüberzüge werden auch zur Erhöhung der Reflektivität des Spiegels von astronomischen Teleskopen, sowie optische Laserresonator verwendet. Interferometrie – genaue Messverfahren verwendet, um kleine Änderungen in der relativen Entfernung Registrierung – basiert auf der Beobachtung der Verschiebungen von hellen und dunklen Banden durch das reflektierte Licht erzeugt wird. Zum Beispiel kann eine Messung dafür, wie das Interferenzmuster ändert, ermöglicht es, die Krümmung der Oberflächen der optischen Komponenten in einer optischen Wellenlängenkeule einzustellen.