Girişim desenleri, birbiriyle aynı fazda veya faz dışı olan ışınların neden olduğu açık veya koyu bantlardır. Işık ve benzeri dalgalar üst üste bindiklerinde fazları çakışırsa (artış ve azalış yönünde) toplanır veya antifazda ise birbirini dengeler. Bu fenomenlere sırasıyla yapıcı ve yıkıcı girişim denir. Hepsi aynı dalga boyuna sahip bir monokromatik radyasyon ışını iki dar yarıktan geçerse (deney ilk olarak 1801'de İngiliz bir bilim adamı olan Thomas Young tarafından gerçekleştirildi ve onun sayesinde dalga doğası hakkında bir sonuca vardı) ışık)), ortaya çıkan iki ışın düz bir ekrana yönlendirilebilir, bunun üzerinde iki örtüşen nokta yerine girişim saçakları oluşur - eşit olarak değişen aydınlık ve karanlık alanların bir modeli. Bu fenomen, örneğin tüm optik interferometrelerde kullanılır.
Süperpozisyon
Tüm dalgaların tanımlayıcı özelliği, üst üste binen dalgaların davranışını tanımlayan süperpozisyondur. İlkesi, uzaydaykenİkiden fazla dalga üst üste bindirilirse, ortaya çıkan pertürbasyon, bireysel pertürbasyonların cebirsel toplamına eşittir. Bazen bu kural büyük pertürbasyonlar için ihlal edilir. Bu basit davranış, girişim fenomeni adı verilen bir dizi etkiye yol açar.
Girişim olgusu, iki aşırı durumla karakterize edilir. Yapıcı maksimumda iki dalga çakışır ve birbirleriyle aynı fazdadırlar. Süperpozisyonlarının sonucu, rahatsız edici etkide bir artıştır. Ortaya çıkan karışık dalganın genliği, bireysel genliklerin toplamına eşittir. Ve tersine, yıkıcı girişimde, bir dalganın maksimumu, ikincinin minimumuyla çakışır - bunlar antifazdadır. Birleşik dalganın genliği, bileşen parçalarının genlikleri arasındaki farka eşittir. Eşit oldukları durumda, yıkıcı girişim tamamlanır ve ortamın toplam pertürbasyonu sıfırdır.
Jung'un deneyi
İki kaynaktan gelen girişim deseni, örtüşen dalgaların varlığını açıkça gösterir. Thomas Jung, ışığın süperpozisyon ilkesine uyan bir dalga olduğunu öne sürdü. Onun ünlü deneysel başarısı, 1801'de ışığın yapıcı ve yıkıcı girişiminin gösterilmesiydi. Young'ın deneyinin modern versiyonu, yalnızca tutarlı ışık kaynakları kullanması bakımından farklılık gösteriyor. Lazer, opak bir yüzeydeki iki paralel yarığı eşit şekilde aydınlatır. İçlerinden geçen ışık uzak bir ekranda gözlenir. Yuvalar arasındaki genişlik şundan çok daha büyük olduğundadalga boyu, geometrik optik kuralları gözlenir - ekranda iki aydınlatılmış alan görünür. Ancak yarıklar birbirine yaklaştıkça ışık kırılır ve ekrandaki dalgalar üst üste biner. Kırınım, ışığın dalgalı doğasının bir sonucudur ve bu etkinin başka bir örneğidir.
Girişim deseni
Süperpozisyon ilkesi, aydınlatılan ekranda ortaya çıkan yoğunluk dağılımını belirler. Yarıktan ekrana olan yol farkı tam sayıda dalga boyuna (0, λ, 2λ, …) eşit olduğunda bir girişim deseni oluşur. Bu fark, yükseklerin aynı anda gelmesini sağlar. Yıkıcı girişim, yol farkı yarıya kaydırılmış dalga boylarının tam sayısı (λ/2, 3λ/2, …) olduğunda meydana gelir. Jung, üst üste binmenin, toplam yıkıcı girişimin karanlık yamaları ile ayrılan yapıcı girişim alanlarına karşılık gelen bir dizi eşit aralıklı saçak veya yüksek yoğunluklu yamalar ile sonuçlandığını göstermek için geometrik argümanlar kullandı.
Delikler arasındaki mesafe
Çift yarık geometrisinin önemli bir parametresi, ışık dalga boyu λ'nın delikler d arasındaki mesafeye oranıdır. λ/d 1'den çok küçükse, saçaklar arasındaki mesafe küçük olacak ve örtüşme etkisi gözlemlenmeyecektir. Jung, yakın aralıklı yarıklar kullanarak karanlık ve aydınlık alanları ayırmayı başardı. Böylece görünür ışığın renklerinin dalga boylarını belirledi. Son derece küçük büyüklükleri, bu etkilerin neden sadece gözlemlendiğini açıklıyor.belirli şartlar altında. Yapıcı ve yıkıcı girişim alanlarını ayırmak için, ışık dalgalarının kaynakları arasındaki mesafeler çok küçük olmalıdır.
Dalga boyu
Girişim etkilerini gözlemlemek diğer iki nedenden dolayı zordur. Çoğu ışık kaynağı sürekli bir dalga boyu spektrumu yayar ve bu, her biri saçaklar arasında kendi aralığına sahip olan birbiri üzerine bindirilmiş çoklu girişim desenleriyle sonuçlanır. Bu, zifiri karanlık alanlar gibi en belirgin etkileri ortadan kaldırır.
Tutarlılık
Geniş bir süre boyunca parazitin gözlemlenebilmesi için uyumlu ışık kaynakları kullanılmalıdır. Bu, radyasyon kaynaklarının sabit bir faz ilişkisini sürdürmesi gerektiği anlamına gelir. Örneğin, aynı frekanstaki iki harmonik dalga, uzayın her noktasında - ya fazda, ya antifazda ya da bir ara durumda - her zaman sabit bir faz ilişkisine sahiptir. Ancak çoğu ışık kaynağı gerçek harmonik dalgalar yaymaz. Bunun yerine, saniyede milyonlarca kez rastgele faz değişikliklerinin meydana geldiği ışık yayarlar. Bu tür radyasyona tutarsız denir.
İdeal kaynak bir lazerdir
İki tutarsız kaynağın dalgaları uzayda üst üste bindiğinde girişim hala gözlemlenir, ancak girişim desenleri rasgele bir faz kayması ile birlikte rasgele değişir. Gözler de dahil olmak üzere ışık sensörleri hızlı bir şekilde kayıt olamazdeğişen görüntü, ancak yalnızca zaman ortalamalı yoğunluk. Lazer ışını neredeyse tek renklidir (yani bir dalga boyundan oluşur) ve oldukça tutarlıdır. Girişim etkilerini gözlemlemek için ideal bir ışık kaynağıdır.
Frekans algılama
1802'den sonra, Jung'un ölçülen görünür ışığın dalga boyları, frekansına yaklaşmak için o sırada mevcut olan yetersiz kesinlikteki ışık hızıyla ilgili olabilir. Örneğin, yeşil ışık için yaklaşık 6×1014 Hz'dir. Bu, mekanik titreşimlerin frekansından çok daha yüksek büyüklük mertebesidir. Karşılaştırıldığında, bir insan 2×104 Hz'e kadar olan frekanslardaki sesleri duyabilir. Böyle bir oranda tam olarak nelerin dalgalandığı önümüzdeki 60 yıl boyunca bir sır olarak kaldı.
İnce filmlerde parazit
Gözlenen etkiler, Thomas Young tarafından kullanılan çift yarık geometrisiyle sınırlı değildir. Işınlar, dalga boyuna benzer bir mesafeyle ayrılmış iki yüzeyden yansıtıldığında ve kırıldığında, ince filmlerde girişim meydana gelir. Filmin yüzeyler arasındaki rolü, vakum, hava, herhangi bir şeffaf sıvı veya katı tarafından oynanabilir. Görünür ışıkta, girişim etkileri birkaç mikrometre mertebesinde boyutlarla sınırlıdır. İyi bilinen bir film örneği sabun köpüğüdür. Ondan yansıyan ışık, biri ön yüzeyden, ikincisi arkadan yansıyan iki dalganın üst üste binmesidir. Uzayda örtüşürler ve birbirleriyle yığılırlar. Sabunun kalınlığına bağlı olarakFilmler, iki dalga yapıcı veya yıkıcı olarak etkileşime girebilir. Girişim modelinin eksiksiz bir hesaplaması, bir dalga boyu λ olan ışık için, λ/4, 3λ/4, 5λ/4, vb. film kalınlığı için yapıcı girişim gözlemlendiğini ve λ/2 için yıkıcı girişim gözlemlendiğini gösterir, λ, 3λ/ 2, …
Hesaplama formülleri
Girişim olgusunun birçok kullanımı vardır, bu nedenle ilgili temel denklemleri anlamak önemlidir. Aşağıdaki formüller, en yaygın iki girişim durumu için girişimle ilişkili çeşitli miktarları hesaplamanıza olanak tanır.
Young'ın deneyindeki parlak saçakların konumu, yani yapıcı girişime sahip alanlar, şu ifade kullanılarak hesaplanabilir: yparlak.=(λL/d)m, burada λ dalga boyudur; m=1, 2, 3, …; d, yuvalar arasındaki mesafedir; L, hedefe olan mesafedir.
Koyu bantların konumu, yani yıkıcı etkileşim alanları şu formülle belirlenir: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Başka bir girişim türü için - ince filmlerde - yapıcı veya yıkıcı bir süperpozisyonun varlığı, filmin kalınlığına ve kırılma indisine bağlı olarak yansıyan dalgaların faz kaymasını belirler. İlk denklem, böyle bir kaymanın olmadığı durumu tanımlar ve ikincisi, yarım dalga boyu kaymasını tanımlar:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Burada λ dalga boyudur; m=1, 2, 3, …; t filmde kat edilen yoldur; n kırılma indisidir.
Doğada gözlem
Güneş bir sabun köpüğü üzerinde parladığında, farklı dalga boyları yıkıcı girişime maruz kaldığı ve yansımadan kaldırıldığı için parlak renkli bantlar görülebilir. Kalan yansıyan ışık, uzaktaki renklerin tamamlayıcısı olarak görünür. Örneğin, yıkıcı girişim sonucunda kırmızı bileşen yoksa yansıma mavi olacaktır. Su üzerindeki ince yağ filmleri de benzer bir etki yaratır. Doğada, tavus kuşu ve sinek kuşları da dahil olmak üzere bazı kuşların tüyleri ve bazı böceklerin kabukları yanardöner görünür, ancak görüş açısı değiştikçe renk değiştirir. Buradaki optik fiziği, ince katmanlı yapılardan veya yansıtıcı çubuk dizilerinden yansıyan ışık dalgalarının girişimidir. Benzer şekilde, sedefin birkaç katmanından gelen yansımaların üst üste binmesi sayesinde inciler ve kabukların bir irisi vardır. Opal gibi değerli taşlar, mikroskobik küresel parçacıkların oluşturduğu düzenli desenlerden ışığın saçılması nedeniyle güzel girişim desenleri sergiler.
Uygulama
Günlük yaşamda ışık girişimi fenomeninin birçok teknolojik uygulaması vardır. Kamera optiğinin fiziği bunlara dayanmaktadır. Lenslerin olağan yansıma önleyici kaplaması ince bir filmdir. Kalınlığı ve kırılması, yansıyan görünür ışığın yıkıcı girişimini üretecek şekilde seçilir. Aşağıdakilerden oluşan daha özel kaplamalarbirkaç ince film tabakası radyasyonu yalnızca dar bir dalga boyu aralığında iletmek üzere tasarlanmıştır ve bu nedenle ışık filtreleri olarak kullanılır. Astronomik teleskop aynalarının yanı sıra lazer optik boşluklarının yansıtıcılığını artırmak için çok katmanlı kaplamalar da kullanılır. İnterferometri - bağıl mesafelerdeki küçük değişiklikleri tespit etmek için kullanılan hassas ölçüm yöntemleri - yansıyan ışık tarafından oluşturulan karanlık ve aydınlık bantlardaki kaymaların gözlemlenmesine dayanır. Örneğin, girişim deseninin nasıl değişeceğini ölçmek, optik bileşenlerin yüzeylerinin eğriliğini optik dalga boyunun kesirlerinde belirlemenize olanak tanır.
