Corak gangguan ialah jalur terang atau gelap yang disebabkan oleh rasuk yang berada dalam fasa atau luar fasa antara satu sama lain. Apabila ditindih, gelombang cahaya dan gelombang serupa akan bertambah jika fasanya bertepatan (kedua-duanya dalam arah kenaikan dan penurunan), atau ia saling mengimbangi jika ia berada dalam antifasa. Fenomena ini dipanggil gangguan membina dan merosakkan, masing-masing. Jika pancaran sinaran monokromatik, kesemuanya mempunyai panjang gelombang yang sama, melalui dua celah sempit (eksperimen itu mula-mula dijalankan pada tahun 1801 oleh Thomas Young, seorang saintis Inggeris yang, terima kasih kepadanya, membuat kesimpulan tentang sifat gelombang cahaya), kedua-dua pancaran yang terhasil boleh diarahkan pada skrin rata, di mana, bukannya dua tompok bertindih, pinggiran gangguan terbentuk - corak kawasan terang dan gelap berselang sekata. Fenomena ini digunakan, contohnya, dalam semua interferometer optik.
Superposition
Ciri penentu semua gelombang ialah superposisi, yang menerangkan kelakuan gelombang tindih. Prinsipnya ialah apabila berada di angkasaJika lebih daripada dua gelombang ditindih, maka gangguan yang terhasil adalah sama dengan jumlah algebra bagi gangguan individu. Kadangkala peraturan ini dilanggar kerana gangguan yang besar. Tingkah laku mudah ini membawa kepada satu siri kesan yang dipanggil fenomena gangguan.
Fenomena gangguan dicirikan oleh dua kes ekstrem. Dalam maksima konstruktif kedua-dua gelombang bertepatan, dan mereka berada dalam fasa antara satu sama lain. Hasil daripada superposisi mereka adalah peningkatan dalam kesan mengganggu. Amplitud gelombang campuran yang terhasil adalah sama dengan jumlah amplitud individu. Dan, sebaliknya, dalam gangguan yang merosakkan, maksimum satu gelombang bertepatan dengan minimum yang kedua - mereka berada dalam antifasa. Amplitud gelombang gabungan adalah sama dengan perbezaan antara amplitud bahagian komponennya. Dalam kes apabila ia adalah sama, gangguan yang merosakkan adalah lengkap dan jumlah gangguan medium adalah sifar.
Percubaan Jung
Corak gangguan daripada dua sumber jelas menunjukkan kehadiran gelombang bertindih. Thomas Jung mencadangkan bahawa cahaya ialah gelombang yang mematuhi prinsip superposisi. Pencapaian percubaannya yang terkenal ialah demonstrasi gangguan cahaya yang membina dan merosakkan pada tahun 1801. Versi moden eksperimen Young pada dasarnya berbeza hanya kerana ia menggunakan sumber cahaya yang koheren. Laser menerangi secara seragam dua celah selari dalam permukaan legap. Cahaya yang melalui mereka diperhatikan pada skrin jauh. Apabila lebar antara slot adalah lebih besar daripadapanjang gelombang, peraturan optik geometri diperhatikan - dua kawasan yang diterangi kelihatan pada skrin. Walau bagaimanapun, apabila celah menghampiri satu sama lain, cahaya difraksi, dan gelombang pada skrin bertindih antara satu sama lain. Pembelauan itu sendiri adalah akibat daripada sifat gelombang cahaya dan merupakan satu lagi contoh kesan ini.
Corak gangguan
Prinsip superposisi menentukan taburan keamatan yang terhasil pada skrin bercahaya. Corak gangguan berlaku apabila perbezaan laluan dari celah ke skrin adalah sama dengan nombor integer panjang gelombang (0, λ, 2λ, …). Perbezaan ini memastikan bahawa tahap tertinggi tiba pada masa yang sama. Gangguan merosakkan berlaku apabila perbezaan laluan ialah nombor integer panjang gelombang yang dianjak separuh (λ/2, 3λ/2, …). Jung menggunakan hujah geometri untuk menunjukkan bahawa superposisi menghasilkan satu siri jarak sama rata atau tompok keamatan tinggi sepadan dengan kawasan gangguan membina yang dipisahkan oleh tompok gelap gangguan musnah total.
Jarak antara lubang
Parameter penting bagi geometri celah dua ialah nisbah panjang gelombang cahaya λ kepada jarak antara lubang d. Jika λ/d adalah lebih kurang daripada 1, maka jarak antara pinggir akan menjadi kecil dan tiada kesan pertindihan akan diperhatikan. Dengan menggunakan celah yang rapat, Jung dapat memisahkan kawasan gelap dan terang. Oleh itu, dia menentukan panjang gelombang warna cahaya yang boleh dilihat. Magnitud yang sangat kecil menjelaskan mengapa kesan ini diperhatikan sahajadalam keadaan tertentu. Untuk memisahkan kawasan gangguan membina dan merosakkan, jarak antara sumber gelombang cahaya mestilah sangat kecil.
Panjang gelombang
Memerhati kesan gangguan adalah mencabar kerana dua sebab lain. Kebanyakan sumber cahaya memancarkan spektrum panjang gelombang yang berterusan, menghasilkan berbilang corak gangguan bertindih antara satu sama lain, setiap satu dengan jaraknya sendiri antara pinggir. Ini membatalkan kesan yang paling ketara, seperti kawasan gelap gulita.
Koheren
Agar gangguan dapat diperhatikan dalam tempoh masa yang panjang, sumber cahaya yang koheren mesti digunakan. Ini bermakna sumber sinaran mesti mengekalkan hubungan fasa yang tetap. Sebagai contoh, dua gelombang harmonik dengan frekuensi yang sama sentiasa mempunyai hubungan fasa tetap pada setiap titik dalam ruang - sama ada dalam fasa, atau dalam antifasa, atau dalam beberapa keadaan pertengahan. Walau bagaimanapun, kebanyakan sumber cahaya tidak memancarkan gelombang harmonik sebenar. Sebaliknya, ia memancarkan cahaya di mana perubahan fasa rawak berlaku berjuta-juta kali sesaat. Sinaran sedemikian dipanggil tidak koheren.
Sumber yang ideal ialah laser
Gangguan masih diperhatikan apabila gelombang dua sumber tidak koheren ditindih dalam ruang, tetapi corak gangguan berubah secara rawak, bersama-sama dengan peralihan fasa rawak. Penderia cahaya, termasuk mata, tidak boleh mendaftar dengan cepatmenukar imej, tetapi hanya intensiti purata masa. Pancaran laser hampir monokromatik (iaitu, terdiri daripada satu panjang gelombang) dan sangat koheren. Ia merupakan sumber cahaya yang ideal untuk memerhatikan kesan gangguan.
Pengesanan kekerapan
Selepas 1802, panjang gelombang cahaya nampak Jung yang diukur boleh dikaitkan dengan kelajuan cahaya yang tidak cukup tepat yang tersedia pada masa itu untuk menghampiri kekerapannya. Contohnya, untuk lampu hijau adalah kira-kira 6×1014 Hz. Ini adalah banyak pesanan magnitud yang lebih tinggi daripada kekerapan getaran mekanikal. Sebagai perbandingan, manusia boleh mendengar bunyi dengan frekuensi sehingga 2×104 Hz. Perkara yang betul-betul turun naik pada kadar sedemikian kekal menjadi misteri untuk 60 tahun akan datang.
Gangguan dalam filem nipis
Kesan yang diperhatikan tidak terhad kepada geometri celah dua yang digunakan oleh Thomas Young. Apabila sinar dipantulkan dan dibiaskan daripada dua permukaan yang dipisahkan oleh jarak yang setanding dengan panjang gelombang, gangguan berlaku dalam filem nipis. Peranan filem antara permukaan boleh dimainkan oleh vakum, udara, sebarang cecair atau pepejal lutsinar. Dalam cahaya yang boleh dilihat, kesan gangguan dihadkan kepada dimensi tertib beberapa mikrometer. Contoh filem yang terkenal ialah gelembung sabun. Cahaya yang dipantulkan daripadanya adalah superposisi dua gelombang - satu dipantulkan dari permukaan hadapan, dan yang kedua - dari belakang. Mereka bertindih di angkasa dan bertindan antara satu sama lain. Bergantung pada ketebalan sabunfilem, dua gelombang boleh berinteraksi secara membina atau merosakkan. Pengiraan lengkap corak gangguan menunjukkan bahawa untuk cahaya dengan satu panjang gelombang λ, gangguan konstruktif diperhatikan untuk ketebalan filem λ/4, 3λ/4, 5λ/4, dsb., dan gangguan merosakkan diperhatikan untuk λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formula untuk pengiraan
Fenomena gangguan mempunyai banyak kegunaan, jadi adalah penting untuk memahami persamaan asas yang terlibat. Formula berikut membolehkan anda mengira pelbagai kuantiti yang dikaitkan dengan gangguan untuk dua kes gangguan yang paling biasa.
Lokasi pinggir terang dalam eksperimen Young, iaitu kawasan dengan gangguan membina, boleh dikira menggunakan ungkapan: ycerah.=(λL/d)m, dengan λ ialah panjang gelombang; m=1, 2, 3, …; d ialah jarak antara slot; L ialah jarak ke sasaran.
Lokasi jalur gelap, iaitu kawasan interaksi yang merosakkan, ditentukan oleh formula: ygelap.=(λL/d)(m+1/2).
Untuk jenis gangguan lain - dalam filem nipis - kehadiran superposisi yang membina atau merosakkan menentukan anjakan fasa gelombang pantulan, yang bergantung pada ketebalan filem dan indeks biasannya. Persamaan pertama menerangkan kes ketiadaan anjakan sedemikian, dan yang kedua menerangkan anjakan separuh panjang gelombang:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Di sini λ ialah panjang gelombang; m=1, 2, 3, …; t ialah laluan yang dilalui dalam filem; n ialah indeks biasan.
Pemerhatian dalam alam semula jadi
Apabila matahari bersinar pada gelembung sabun, jalur berwarna terang boleh dilihat kerana panjang gelombang yang berbeza tertakluk kepada gangguan yang merosakkan dan dialihkan daripada pantulan. Baki cahaya yang dipantulkan kelihatan sebagai pelengkap kepada warna yang jauh. Sebagai contoh, jika tiada komponen merah akibat gangguan yang merosakkan, maka pantulan akan menjadi biru. Filem nipis minyak pada air menghasilkan kesan yang sama. Secara semula jadi, bulu beberapa burung, termasuk burung merak dan burung kolibri, dan cangkerang beberapa kumbang kelihatan berwarna-warni, tetapi berubah warna apabila sudut tontonan berubah. Fizik optik di sini ialah gangguan gelombang cahaya yang dipantulkan daripada struktur berlapis nipis atau susunan rod pemantul. Begitu juga, mutiara dan cengkerang mempunyai iris, berkat superposisi pantulan dari beberapa lapisan ibu-mutiara. Batu permata seperti opal mempamerkan corak gangguan yang cantik disebabkan oleh penyerakan cahaya daripada corak biasa yang dibentuk oleh zarah sfera mikroskopik.
Permohonan
Terdapat banyak aplikasi teknologi fenomena gangguan cahaya dalam kehidupan seharian. Fizik optik kamera adalah berdasarkan kepada mereka. Salutan anti-reflektif kanta biasa ialah filem nipis. Ketebalan dan pembiasannya dipilih untuk menghasilkan gangguan merosakkan cahaya boleh dilihat yang dipantulkan. Lebih banyak lapisan khusus yang terdiri daripadabeberapa lapisan filem nipis direka untuk menghantar sinaran hanya dalam julat panjang gelombang yang sempit dan, oleh itu, digunakan sebagai penapis cahaya. Salutan berbilang lapisan juga digunakan untuk meningkatkan pemantulan cermin teleskop astronomi, serta rongga optik laser. Interferometri - kaedah pengukuran tepat yang digunakan untuk mengesan perubahan kecil dalam jarak relatif - adalah berdasarkan pemerhatian anjakan dalam jalur gelap dan terang yang dicipta oleh cahaya yang dipantulkan. Contohnya, mengukur cara corak gangguan akan berubah membolehkan anda menentukan kelengkungan permukaan komponen optik dalam pecahan panjang gelombang optik.
