أنماط التداخل عبارة عن نطاقات فاتحة أو مظلمة ناتجة عن حزم في الطور أو خارج الطور مع بعضها البعض. عند التراكب ، تتراكم موجات الضوء والموجات المماثلة إذا تزامنت أطوارها (في اتجاه الزيادة والنقصان) ، أو أنها تعوض بعضها البعض إذا كانت في الطور المضاد. تسمى هذه الظواهر التدخل البناء والمدمّر ، على التوالي. إذا مرت شعاع من الإشعاع أحادي اللون ، وكلها لها نفس الطول الموجي ، عبر شقين ضيقين (تم إجراء التجربة لأول مرة في عام 1801 من قبل توماس يونج ، عالم إنجليزي ، بفضله ، توصل إلى استنتاج حول طبيعة الموجة من الضوء) ، يمكن توجيه الشعاعين الناتج إلى شاشة مسطحة ، حيث بدلاً من نقطتين متداخلتين ، يتم تشكيل هامش تداخل - نمط من مناطق الضوء والظلمة المتناوبة بالتساوي. تستخدم هذه الظاهرة ، على سبيل المثال ، في جميع مقاييس التداخل الضوئية.
تراكب
السمة المميزة لجميع الموجات هي التراكب ، الذي يصف سلوك الموجات المتراكبة. مبدأها هو أنه عندما تكون في الفضاءإذا تم فرض أكثر من موجتين ، فإن الاضطراب الناتج يساوي المجموع الجبري للاضطرابات الفردية. في بعض الأحيان يتم انتهاك هذه القاعدة للاضطرابات الكبيرة. يؤدي هذا السلوك البسيط إلى سلسلة من التأثيرات تسمى ظاهرة التداخل.
تتميز ظاهرة التدخل بحالتين متطرفتين. في الحد الأقصى البناء للموجتين تتطابقان ، وهما في الطور مع بعضهما البعض. نتيجة تراكبها هو زيادة في التأثير المربك. سعة الموجة المختلطة الناتجة تساوي مجموع السعات الفردية. وعلى العكس من ذلك ، في التداخل المدمر ، يتزامن الحد الأقصى لموجة واحدة مع الحد الأدنى من الثانية - فهي في الطور المضاد. سعة الموجة المركبة تساوي الفرق بين اتساع الأجزاء المكونة لها. في حالة تساويهما ، يكون التداخل المدمر كاملاً ، ويكون الاضطراب الكلي للوسط صفرًا.
تجربة جونغ
يشير نمط التداخل من مصدرين بوضوح إلى وجود موجات متداخلة. اقترح توماس جونغ أن الضوء عبارة عن موجة تتبع مبدأ التراكب. كان إنجازه التجريبي الشهير هو إظهار التداخل البناء والمدمّر للضوء في عام 1801. تختلف النسخة الحديثة من تجربة يونغ بشكل أساسي فقط من حيث أنها تستخدم مصادر ضوء متماسكة. يضيء الليزر بشكل موحد شقين متوازيين في سطح معتم. يتم ملاحظة الضوء الذي يمر عبرها على شاشة بعيدة. عندما يكون العرض بين الفتحات أكبر بكثير منالطول الموجي ، تمت مراعاة قواعد البصريات الهندسية - تظهر منطقتان مضاءتان على الشاشة. ومع ذلك ، عندما تقترب الشقوق من بعضها البعض ، ينحرف الضوء ، وتتداخل الموجات على الشاشة مع بعضها البعض. الانعراج نفسه هو نتيجة لطبيعة موجة الضوء وهو مثال آخر على هذا التأثير.
نمط التداخل
يحدد مبدأ التراكب توزيع الكثافة الناتج على الشاشة المضيئة. يحدث نمط التداخل عندما يكون اختلاف المسار من الشق إلى الشاشة مساويًا لعدد صحيح من الأطوال الموجية (0 ، ، 2λ ، …). يضمن هذا الاختلاف وصول الارتفاعات في نفس الوقت. يحدث التداخل المدمر عندما يكون اختلاف المسار عبارة عن عدد صحيح من أطوال الموجات المنقولة بمقدار النصف (λ / 2 ، 3λ / 2 ، …). استخدم Jung الحجج الهندسية لإظهار أن التراكب ينتج عنه سلسلة من الهوامش المتباعدة بشكل متساوٍ أو بقع ذات كثافة عالية تتوافق مع مناطق التداخل البناء مفصولة ببقع داكنة من التداخل التدميري الكلي.
المسافة بين الثقوب
معلمة مهمة للهندسة ذات الشق المزدوج هي نسبة الطول الموجي للضوء λ إلى المسافة بين الثقوب د. إذا كانت λ / d أقل بكثير من 1 ، فستكون المسافة بين الأطراف صغيرة ولن يتم ملاحظة أي تأثيرات تداخل. باستخدام الشقوق المتقاربة ، كان Jung قادرًا على فصل المناطق المظلمة عن المناطق الفاتحة. وهكذا ، قام بتحديد الأطوال الموجية لألوان الضوء المرئي. حجمها الصغير للغاية يفسر سبب ملاحظة هذه التأثيرات فقطتحت ظروف معينة. لفصل مناطق التداخل البناء والمدمّر ، يجب أن تكون المسافات بين مصادر موجات الضوء صغيرة جدًا.
الطول الموجي
تمثل مراقبة تأثيرات التداخل تحديًا لسببين آخرين. تصدر معظم مصادر الضوء طيفًا مستمرًا من الأطوال الموجية ، مما ينتج عنه أنماط تداخل متعددة متراكبة على بعضها البعض ، ولكل منها مسافاته الخاصة بين الأطراف. هذا يلغي التأثيرات الأكثر وضوحًا ، مثل مناطق الظلام الدامس.
التماسك
من أجل ملاحظة التداخل على مدى فترة زمنية طويلة ، يجب استخدام مصادر ضوء متماسكة. هذا يعني أن مصادر الإشعاع يجب أن تحافظ على علاقة طور ثابتة. على سبيل المثال ، يكون للموجتين التوافقيتين من نفس التردد دائمًا علاقة طور ثابتة عند كل نقطة في الفضاء - إما في الطور أو في الطور المضاد أو في حالة وسيطة ما. ومع ذلك ، فإن معظم مصادر الضوء لا تصدر موجات توافقية حقيقية. وبدلاً من ذلك ، فإنها تصدر ضوءًا تحدث فيه تغيرات الطور العشوائية ملايين المرات في الثانية. يسمى هذا الإشعاع غير متماسك.
المصدر المثالي هو الليزر
التداخل لا يزال يُلاحظ عندما يتم فرض موجات من مصدرين غير متماسكين في الفضاء ، لكن أنماط التداخل تتغير عشوائيًا ، جنبًا إلى جنب مع التحول العشوائي في الطور. أجهزة استشعار الضوء ، بما في ذلك العيون ، لا يمكنها التسجيل بسرعةتغيير الصورة ، ولكن فقط شدة متوسط الوقت. شعاع الليزر أحادي اللون تقريبًا (أي يتكون من طول موجي واحد) ومتماسك للغاية. إنه مصدر ضوء مثالي لمراقبة تأثيرات التداخل.
كشف التردد
بعد عام 1802 ، يمكن أن تكون الأطوال الموجية للضوء المرئي المقاسة لجونغ مرتبطة بالسرعة غير الدقيقة الكافية للضوء المتاح في ذلك الوقت لتقريب تردده. على سبيل المثال ، بالنسبة للضوء الأخضر ، يكون حوالي 6 × 1014هرتز. هذا كثير من حيث الحجم أعلى من وتيرة الاهتزازات الميكانيكية. بالمقارنة ، يمكن للإنسان سماع الصوت بترددات تصل إلى 2 × 104هرتز. ما تذبذب بالضبط بهذا المعدل ظل لغزًا لمدة 60 عامًا.
التدخل في الأغشية الرقيقة
التأثيرات المرصودة لا تقتصر على هندسة الشق المزدوج التي استخدمها توماس يونغ. عندما تنعكس الأشعة وتنكسر من سطحين مفصولين بمسافة مماثلة لطول الموجة ، يحدث التداخل في الأغشية الرقيقة. يمكن لعب دور الفيلم بين الأسطح عن طريق الفراغ أو الهواء أو أي سوائل شفافة أو مواد صلبة. في الضوء المرئي ، تقتصر تأثيرات التداخل على أبعاد بترتيب بضعة ميكرومترات. من الأمثلة المعروفة للفيلم فقاعة صابون. الضوء المنعكس منه هو تراكب لموجتين - واحدة تنعكس من السطح الأمامي ، والثانية - من الخلف. تتداخل في الفضاء وتتراكم مع بعضها البعض. حسب سمك الصابونالأفلام ، يمكن أن تتفاعل موجتان بشكل بناء أو هدَّام. يوضح الحساب الكامل لنمط التداخل أنه بالنسبة للضوء ذي الطول الموجي الواحد λ ، لوحظ التداخل البناء لسمك غشاء يبلغ λ / 4 ، 3λ / 4 ، 5λ / 4 ، وما إلى ذلك ، ويلاحظ التداخل المدمر لـ λ / 2 ، λ ، 3λ / 2 ،…
صيغ لحساب
ظاهرة التداخل لها استخدامات عديدة ، لذلك من المهم فهم المعادلات الأساسية المتضمنة. تسمح لك الصيغ التالية بحساب الكميات المختلفة المرتبطة بالتداخل في حالتي التداخل الأكثر شيوعًا.
يمكن حساب موقع الحواف الساطعة في تجربة يونغ ، أي المناطق ذات التداخل البناء ، باستخدام التعبير: ybright.=(L / d) m ، حيث λ هو الطول الموجي م=1 ، 2 ، 3 ، … ؛ د هي المسافة بين الفتحات ؛ L هي المسافة إلى الهدف
يتم تحديد موقع العصابات المظلمة ، أي مناطق التفاعل المدمر ، بواسطة الصيغة: ydark.=(λL / d) (m + 1/2).
بالنسبة لنوع آخر من التداخل - في الأغشية الرقيقة - يحدد وجود تراكب بناء أو مدمر انزياح طور الموجات المنعكسة ، والذي يعتمد على سمك الفيلم ومعامل انكساره. تصف المعادلة الأولى حالة عدم وجود مثل هذا التحول ، والثانية تصف إزاحة نصف طول الموجة:
2nt=mλ ؛
2nt=(م + 1/2) λ.
هنا λ هو الطول الموجي ؛ م=1 ، 2 ، 3 ، … ؛ ر هو المسار الذي يسلكه الفيلم ؛ n هو معامل الانكسار.
ملاحظة في الطبيعة
عندما تشرق الشمس على فقاعة صابون ، يمكن رؤية الأشرطة الملونة الزاهية حيث تتعرض أطوال موجية مختلفة لتداخل مدمر وتتم إزالتها من الانعكاس. يظهر الضوء المنعكس المتبقي كمكمل للألوان البعيدة. على سبيل المثال ، إذا لم يكن هناك مكون أحمر نتيجة للتداخل المدمر ، فسيكون الانعكاس أزرق. تنتج الأغشية الرقيقة من الزيت على الماء نفس التأثير. في الطبيعة ، يبدو ريش بعض الطيور ، بما في ذلك الطاووس والطيور الطنانة ، وأصداف بعض الخنافس متقزحة اللون ، ولكن يتغير لونها مع تغير زاوية الرؤية. فيزياء البصريات هنا هي تداخل موجات الضوء المنعكسة من هياكل طبقات رقيقة أو صفيفات من قضبان عاكسة. وبالمثل ، فإن اللآلئ والأصداف لها قزحية ، وذلك بفضل تراكب الانعكاسات من عدة طبقات من عرق اللؤلؤ. تُظهر الأحجار الكريمة مثل العقيق أنماط تداخل جميلة بسبب تشتت الضوء من الأنماط العادية التي تتكون من جزيئات كروية مجهرية.
التطبيق
هناك العديد من التطبيقات التكنولوجية لظواهر تداخل الضوء في الحياة اليومية. تستند فيزياء بصريات الكاميرا عليها. الطلاء المعتاد المضاد للانعكاس للعدسات هو غشاء رقيق. يتم اختيار سمكها وانكسارها لإنتاج تداخل مدمر للضوء المرئي المنعكس. المزيد من الطلاءات المتخصصة تتكون منتم تصميم عدة طبقات من الأغشية الرقيقة لنقل الإشعاع فقط في نطاق ضيق من الطول الموجي ، وبالتالي ، يتم استخدامها كمرشحات ضوئية. تُستخدم الطلاءات متعددة الطبقات أيضًا لزيادة انعكاس مرايا التلسكوب الفلكي ، فضلاً عن التجاويف الضوئية بالليزر. يعتمد قياس التداخل - طرق القياس الدقيقة المستخدمة لاكتشاف التغيرات الصغيرة في المسافات النسبية - على ملاحظة التحولات في النطاقات المظلمة والضوء التي تم إنشاؤها بواسطة الضوء المنعكس. على سبيل المثال ، قياس كيفية تغير نمط التداخل يسمح لك بتحديد انحناء أسطح المكونات الضوئية في أجزاء من الطول الموجي البصري.
