Trikdžių raštai yra šviesios arba tamsios juostos, kurias sukelia pluoštai, kurie yra fazėje arba nefazėje vienas su kitu. Kai sutampa, šviesos ir panašios bangos sumuojasi, jei jų fazės sutampa (tiek didėjimo, tiek mažėjimo kryptimis), arba kompensuoja viena kitą, jei yra priešfazėje. Šie reiškiniai atitinkamai vadinami konstruktyviais ir destruktyviais trukdžiais. Jei monochromatinės spinduliuotės spindulys, kurio visų bangos ilgis yra toks pat, praeina per du siaurus plyšius (eksperimentą pirmą kartą 1801 m. atliko anglų mokslininkas Thomas Youngas, kuris jo dėka padarė išvadą apie bangos prigimtį). šviesos), du susidariusius pluoštus galima nukreipti į plokščią ekraną, kuriame vietoj dviejų persidengiančių dėmių susidaro trukdžių pakraščiai – tolygiai kintančių šviesių ir tamsių sričių raštas. Šis reiškinys naudojamas, pavyzdžiui, visuose optiniuose interferometruose.
Superpozicija
Visoms bangoms būdinga charakteristika yra superpozicija, kuri nusako vienas ant kito esančių bangų elgesį. Jo principas – kai kosmoseJei yra daugiau nei dvi bangos, gautas trikdymas yra lygus atskirų trikdžių algebrinei sumai. Kartais ši taisyklė pažeidžiama dėl didelių perturbacijų. Toks paprastas elgesys sukelia daugybę padarinių, vadinamų trukdžių reiškiniais.
Trikdžių fenomenui būdingi du kraštutiniai atvejai. Konstruktyvūs dviejų bangų maksimumai sutampa ir yra viena su kita. Jų superpozicijos rezultatas – padidėjęs trikdantis efektas. Gautos mišrios bangos amplitudė lygi atskirų amplitudių sumai. Ir, atvirkščiai, esant destruktyviems trukdžiams, vienos bangos maksimumas sutampa su antrosios minimumu - jie yra antifazėje. Kombinuotosios bangos amplitudė yra lygi jos sudedamųjų dalių amplitudių skirtumui. Tuo atveju, kai jie yra lygūs, destrukciniai trukdžiai yra visiški, o bendras terpės trikdymas lygus nuliui.
Jungo eksperimentas
Dviejų š altinių trukdžių modelis aiškiai rodo, kad bangos persidengia. Thomas Jungas teigė, kad šviesa yra banga, kuri paklūsta superpozicijos principui. Jo garsus eksperimentinis laimėjimas buvo konstruktyvios ir destruktyvios šviesos trukdžių demonstravimas 1801 m. Šiuolaikinė Youngo eksperimento versija iš esmės skiriasi tik tuo, kad jame naudojami koherentiniai šviesos š altiniai. Lazeris tolygiai apšviečia du lygiagrečius plyšius nepermatomame paviršiuje. Per juos praeinanti šviesa stebima nuotoliniame ekrane. Kai plotis tarp plyšių yra daug didesnis neibangos ilgio, laikomasi geometrinės optikos taisyklių – ekrane matomos dvi apšviestos sritys. Tačiau, kai plyšiai artėja vienas prie kito, šviesa išsisklaido, o bangos ekrane persidengia. Pati difrakcija yra šviesos banginės prigimties pasekmė ir yra dar vienas šio poveikio pavyzdys.
Trikdžių modelis
Superpozicijos principas lemia gaunamą intensyvumo pasiskirstymą apšviestame ekrane. Interferencinis modelis atsiranda, kai kelio skirtumas nuo plyšio iki ekrano yra lygus sveikajam bangos ilgių skaičiui (0, λ, 2λ, …). Šis skirtumas užtikrina, kad aukščiausios vertės pasiektų tuo pačiu metu. Destrukciniai trukdžiai atsiranda, kai kelio skirtumas yra sveikasis bangos ilgių skaičius, pasislinkęs per pusę (λ/2, 3λ/2, …). Jungas panaudojo geometrinius argumentus, kad parodytų, jog superpozicija sukuria tolygiai išdėstytų kraštelių arba didelio intensyvumo dėmių seriją, atitinkančią konstruktyvių trukdžių sritis, atskirtas tamsiomis visiško destruktyvaus trukdžių dėmėmis.
Atstumas tarp skylių
Svarbus dvigubo plyšio geometrijos parametras yra šviesos bangos ilgio λ ir atstumo tarp skylių d santykis. Jei λ/d yra daug mažesnis už 1, tai atstumas tarp kraštų bus mažas ir nebus pastebėta persidengimo efektų. Naudodamas glaudžiai išdėstytus plyšius, Jungas sugebėjo atskirti tamsias ir šviesias sritis. Taigi jis nustatė matomos šviesos spalvų bangos ilgius. Jų ypač mažas dydis paaiškina, kodėl šie poveikiai pastebimi tiktam tikromis sąlygomis. Norint atskirti konstruktyvių ir destruktyvių trukdžių sritis, atstumai tarp šviesos bangų š altinių turi būti labai maži.
Bangos ilgis
Trikdžių efektų stebėjimas yra sudėtingas dėl kitų dviejų priežasčių. Dauguma šviesos š altinių skleidžia nenutrūkstamą bangų ilgių spektrą, todėl vienas ant kito yra keli trukdžių modeliai, kurių kiekvienas turi savo atstumą tarp pakraščių. Tai panaikina ryškiausius efektus, pvz., visiškos tamsos sritis.
Nuoseklumas
Kad trukdžiai būtų stebimi ilgą laiką, turi būti naudojami nuoseklūs šviesos š altiniai. Tai reiškia, kad spinduliuotės š altiniai turi palaikyti pastovų fazių ryšį. Pavyzdžiui, dvi vienodo dažnio harmoninės bangos visada turi fiksuotą fazių ryšį kiekviename erdvės taške – arba fazėje, arba antifazėje, arba kokioje nors tarpinėje būsenoje. Tačiau dauguma šviesos š altinių neskleidžia tikrų harmoninių bangų. Vietoj to, jie skleidžia šviesą, kurioje atsitiktiniai fazės pokyčiai vyksta milijonus kartų per sekundę. Tokia spinduliuotė vadinama nenuoseklia.
Idealus š altinis yra lazeris
Trikdžiai vis dar stebimi, kai erdvėje yra dviejų nenuoseklių š altinių bangos, tačiau trukdžių modeliai keičiasi atsitiktinai, kartu su atsitiktiniu fazės poslinkiu. Šviesos jutikliai, įskaitant akis, negali greitai registruotiskintantis vaizdas, bet tik laiko vidurkis intensyvumas. Lazerio spindulys yra beveik vienspalvis (ty susideda iš vieno bangos ilgio) ir labai koherentiškas. Tai idealus šviesos š altinis trukdžių efektams stebėti.
Dažnio aptikimas
Po 1802 m. Jungo išmatuoti matomos šviesos bangos ilgiai galėjo būti susieti su tuo metu nepakankamai tiksliu šviesos greičiu, kad būtų galima apytiksliai nustatyti jos dažnį. Pavyzdžiui, žaliai šviesa yra apie 6×1014 Hz. Tai daug kartų didesnis už mechaninių virpesių dažnį. Palyginimui, žmogus gali girdėti garsą, kurio dažnis yra iki 2×104 Hz. Kas tiksliai svyravo tokiu greičiu, išliko paslaptis ateinančius 60 metų.
Plonos plėvelės trukdžiai
Pastebėti efektai neapsiriboja Thomaso Youngo naudojama dvigubo plyšio geometrija. Kai spinduliai atsispindi ir lūžta nuo dviejų paviršių, atskirtų atstumu, panašiu į bangos ilgį, plonose plėvelėse atsiranda trukdžių. Plėvelės tarp paviršių vaidmenį gali atlikti vakuumas, oras, bet kokie skaidrūs skysčiai ar kietos medžiagos. Rekomenduojamoje šviesoje trukdžių efektai yra apriboti iki kelių mikrometrų dydžio. Gerai žinomas plėvelės pavyzdys – muilo burbulas. Nuo jo atsispindinti šviesa yra dviejų bangų superpozicija – viena atsispindi nuo priekinio paviršiaus, o antroji – nuo galo. Jie persidengia erdvėje ir susikaupia vienas su kitu. Priklausomai nuo muilo tirštumofilmai, dvi bangos gali sąveikauti konstruktyviai arba destruktyviai. Išsamus trukdžių modelio apskaičiavimas rodo, kad šviesai, kurios bangos ilgis yra vienas λ, konstruktyvieji trukdžiai stebimi esant λ/4, 3λ/4, 5λ/4 ir tt plėvelės storiui, o destruktyvieji trukdžiai stebimi esant λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Skaičiavimo formulės
Trikdžių reiškinys gali būti naudojamas daugeliu atvejų, todėl svarbu suprasti pagrindines susijusias lygtis. Šios formulės leidžia apskaičiuoti įvairius dydžius, susijusius su trukdžiais dviem dažniausiai pasitaikančiais trukdžių atvejais.
Ryškių kraštų vietą Youngo eksperimente, t. y. sritis su konstruktyviais trukdžiais, galima apskaičiuoti naudojant išraišką: ybright.=(λL/d)m, kur λ yra bangos ilgis; m=1, 2, 3, …; d yra atstumas tarp plyšių; L yra atstumas iki taikinio.
Tamsių juostų, t. y. destruktyvios sąveikos zonų, vieta nustatoma pagal formulę: ytamsi.=(λL/d)(m+1/2).
Kito tipo trukdžiams – plonose plėvelėse – konstruktyvios arba destruktyvios superpozicijos buvimas lemia atspindėtų bangų fazės poslinkį, kuris priklauso nuo plėvelės storio ir jos lūžio rodiklio. Pirmoji lygtis apibūdina atvejį, kai tokio poslinkio nėra, o antroji – pusės bangos ilgio poslinkį:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Čia λ yra bangos ilgis; m=1, 2, 3, …; t – filme nueitas kelias; n yra lūžio rodiklis.
Stebėjimas gamtoje
Kai saulė šviečia ant muilo burbulo, gali būti matomos ryškios spalvos juostos, nes skirtingi bangos ilgiai yra veikiami destruktyvių trukdžių ir pašalinami iš atspindžio. Likusi atspindėta šviesa papildo tolimas spalvas. Pavyzdžiui, jei dėl destruktyvių trukdžių nėra raudonos spalvos komponento, tada atspindys bus mėlynas. Plonos aliejaus plėvelės ant vandens sukuria panašų efektą. Gamtoje kai kurių paukščių, įskaitant povus ir kolibrius, plunksnos ir kai kurių vabalų kriauklės atrodo vaivorykštės, tačiau keičiasi spalva, pasikeitus žiūrėjimo kampui. Optikos fizika čia yra atspindėtų šviesos bangų trukdžiai iš plonų sluoksnių struktūrų arba atspindinčių strypų matricų. Panašiai perlai ir kriauklės turi rainelę dėl kelių perlamutro sluoksnių atspindžių superpozicijos. Brangakmeniai, tokie kaip opalas, pasižymi gražiais trukdžių raštais dėl šviesos sklaidos iš įprastų raštų, kuriuos sudaro mikroskopinės sferinės dalelės.
Programa
Kasdieniame gyvenime yra daug šviesos trukdžių reiškinių technologinių pritaikymų. Jais remiasi fotoaparato optikos fizika. Įprasta antirefleksinė lęšių danga yra plona plėvelė. Jo storis ir lūžis parenkami taip, kad atsispindėtų matomos šviesos destruktyvūs trukdžiai. Labiau specializuotos dangos, susidedančios iškeli plonų plėvelių sluoksniai yra skirti perduoti spinduliuotę tik siaurame bangos ilgio diapazone, todėl yra naudojami kaip šviesos filtrai. Daugiasluoksnės dangos taip pat naudojamos astronominių teleskopų veidrodžių, taip pat lazerinių optinių ertmių atspindžiui padidinti. Interferometrija – tikslūs matavimo metodai, naudojami nedideliems santykinių atstumų pokyčiams aptikti – pagrįsta atspindėtos šviesos sukurtų tamsių ir šviesių juostų poslinkių stebėjimu. Pavyzdžiui, matuojant, kaip keisis trukdžių modelis, galima nustatyti optinių komponentų paviršių kreivumą optinio bangos ilgio dalimis.
