تجربة يونغهي أول تجربة تداخل يتم شرحها على أساس نظرية الموجة. في تجربة يونج، يمر الضوء من المصدر عبر شقين متقاربين. تسقط أشعة الضوء، التي تتوسع بسبب الحيود، على شاشة بعيدة. تظهر أطراف التداخل في المنطقة التي تتداخل فيها أشعة الضوء.
تدخل – أحد ألمع مظاهر الطبيعة الموجية للضوء. يتم ملاحظة هذه الظاهرة المثيرة للاهتمام والجميلة عند تراكب شعاعين ضوئيين أو أكثر. تتميز شدة الضوء في منطقة تداخل الشعاع بطابع تناوب الخطوط الفاتحة والداكنة، حيث تكون الشدة عند الحد الأقصى أكبر وعند الحد الأدنى أقل من مجموع شدة الشعاع. عند استخدام الضوء الأبيض هامش التدخل تظهر ملونة بألوان مختلفة من الطيف. نواجه ظاهرة التداخل في كثير من الأحيان: ألوان بقع الزيت على الأسفلت، وتلوين زجاج النوافذ المتجمد، وأنماط ملونة غريبة على أجنحة بعض الفراشات والخنافس - كل هذا مظهر من مظاهر تداخل الضوء.
التجربة الأولى لمراقبة تداخل الضوء في ظروف المختبر تعود إلى نيوتن. وقد لاحظ نمط التداخل الذي يحدث عندما ينعكس الضوء في فجوة هوائية رقيقة بين لوح زجاجي مسطح وعدسة محدبة مسطحة ذات نصف قطر انحناء كبير (الشكل 6).كان نمط التداخل على شكل حلقات متحدة المركز، تسمى حلقات نيوتن (الشكل 7).
لم يتمكن نيوتن من تفسير سبب ظهور الحلقات من وجهة نظر النظرية الجسيمية، لكنه فهم أن هذا يرجع إلى بعض دورية العمليات الضوئية.
أول تجربة تداخل تم شرحها على أساس النظرية الموجية للضوء كانت تجربة يونغ (1802). في تجربة يونج، يأتي الضوء من مصدر كان بمثابة شق ضيق س، سقطت على شاشة ذات شقين متقاربين س 1 و س 2 (الشكل 8).عند مروره عبر كل من الشقين، يتسع شعاع الضوء بسبب الحيود، وبالتالي، على الشاشة البيضاء E، تمر أشعة الضوء عبر الشقين س 1 و س 2، متداخلة. وفي المنطقة التي تداخلت فيها أشعة الضوء، لوحظ نمط تداخل على شكل خطوط فاتحة وخطوط داكنة متناوبة.
|
|
|
الشكل 8 مخطط تجربة التدخل ليونج |
كان يونج أول من أدرك أنه لا يمكن ملاحظة التداخل عند إضافة موجات من مصدرين مستقلين. ولذلك، هناك فجوات في تجربته س 1 و س 2، والتي، وفقًا لمبدأ هيجنز، يمكن اعتبارها مصادر للموجات الثانوية، تمت إضاءتها بضوء مصدر واحد س. مع ترتيب متماثل للشقوق، موجات ثانوية تنبعث من المصادر س 1 و س 2 في الطور، لكن هذه الموجات تنتقل إلى نقطة المراقبة صمسافات مختلفة ص 1 و ص 2. وبالتالي فإن مراحل التذبذبات التي تحدثها الموجات من المصادر س 1 و س 2 عند النقطة ص، بشكل عام، مختلفة. وهكذا تتلخص مشكلة التداخل الموجي في مشكلة إضافة ذبذبات لها نفس التردد ولكن بأطوار مختلفة. البيان الذي يلوح من المصادر س 1 و س 2 ينتشران بشكل مستقل عن بعضهما البعض، وعند نقطة المراقبة يتم جمعهما ببساطة، وهذه حقيقة تجريبية وتسمى مبدأ التراكب .
موجة أحادية اللون (أو جيبية). ، ينتشر في اتجاه ناقل نصف القطر، كما هو مكتوب
لا توجد أدوات قادرة على رصد التغيرات السريعة في مجال موجة الضوء في النطاق البصري؛ الكمية المرصودة هي تدفق الطاقة، والذي يتناسب طرديًا مع مربع سعة المجال الكهربائي للموجة. عادة ما تسمى الكمية الفيزيائية التي تساوي مربع سعة المجال الكهربائي للموجة شدة : أنا = أ 2 .
تؤدي التحولات المثلثية البسيطة إلى التعبير التالي لشدة الاهتزاز الناتج عند نقطة ما ص:
|
|
حيث Δ = ص 2 – ص 1 – ما يسمى اختلاف السكتة الدماغية .
ويترتب على هذا التعبير أن الحد الأقصى للتداخل (شريط الضوء) يتحقق عند تلك النقاط في الفضاء التي تكون فيها Δ = مλ ( م= 0، ±1، ±2، ...). في نفس الوقت أناالحد الأقصى = ( أ 1 + أ 2) 2 > أنا 1 + أنا 2. تم الوصول إلى الحد الأدنى للتداخل (النطاق المظلم) عند Δ = م LA + LA / 2. الحد الأدنى لقيمة الشدة أنادقيقة = ( أ 1 – أ 2) 2 < أنا 1 + أنا 2. على الشكل 9يُظهر توزيع شدة الضوء في نمط التداخل اعتمادًا على اختلاف المسار Δ.
على وجه الخصوص، إذا أنا 1 = أنا 2 = أنا 0، أي أن شدة الموجتين المتداخلتين هي نفسها، ويأخذ التعبير (*) الشكل التالي:
|
عند التحول على طول محور الإحداثيات ذعلى مسافة تساوي عرض هامش التدخل Δ ل، أي عند الانتقال من حد أقصى للتداخل إلى الحد الأقصى المجاور، يتغير فرق المسار Δ بطول موجة واحد lect. لذلك،
حيث ψ هي زاوية التقاء "الأشعة" عند نقطة المراقبة ص. دعونا إجراء تقييم كمي. لنفترض أن المسافة دبين الشقوق س 1 و س 2 يساوي 1 مم، والمسافة من الشقوق إلى الشاشة E هي ل= 1 م، ثم ψ = د / ل= 0.001 راد. للضوء الأخضر (5 = 500 نانومتر) نحصل على Δ ل= ψ / ψ = 5 10 5 نانومتر = 0.5 مم. للضوء الأحمر ( γ = 600 نانومتر) Δ ل= 0.6 ملم. بهذه الطريقة، قام يونج أولاً بقياس الأطوال الموجية للضوء، على الرغم من أن دقة هذه القياسات كانت منخفضة. يجب التأكيد على أنه في البصريات الموجية، على عكس البصريات الهندسية، يفقد مفهوم شعاع الضوء معناه المادي. يُستخدم مصطلح "شعاع" هنا للإيجاز للإشارة إلى اتجاه انتشار الموجة. في ما يلي، سيتم استخدام هذا المصطلح دون علامات الاقتباس. في تجربة نيوتن (الشكل 6)مع حدوث موجة طبيعية على سطح مستوٍ للعدسة، يكون فرق المسار مساويًا تقريبًا لضعف سمك فجوة الهواء بين العدسة والمستوى. في الحالة التي يكون فيها نصف قطر انحناء العدسة R كبيرًا مقارنةً بـ h، يمكننا الحصول تقريبًا على:
حيث r هو الإزاحة من محور التماثل. عند كتابة تعبير لفرق المسار، يجب أيضًا أن تأخذ في الاعتبار أن الموجتين 1 و2 تنعكسان في ظروف مختلفة. تنعكس الموجة الأولى من الواجهة الزجاجية الهوائية، وتنعكس الثانية من الواجهة الزجاجية الهوائية. وفي الحالة الثانية، تتغير مرحلة تذبذب الموجة المنعكسة بمقدار π، وهو ما يعادل زيادة في فرق المسار بمقدار lect / 2. لذلك
عند r = 0، أي عند المركز (نقطة الاتصال) Δ = α / 2؛ ولذلك، يُلاحظ دائمًا الحد الأدنى من التداخل - أي البقعة المظلمة - في مركز حلقات نيوتن. يتم تحديد نصف قطر الحلقات المظلمة اللاحقة بواسطة التعبير
تسمح لك هذه الصيغة بتحديد الطول الموجي للضوء بشكل تجريبي π إذا كان نصف قطر انحناء العدسة R معروفًا. مشكلة تماسك الموجة. جعلت نظرية يونغ من الممكن تفسير ظاهرة التداخل التي تنشأ عند إضافة اثنين موجات أحادية اللوننفس التردد. ومع ذلك، فإن التجربة اليومية تعلمنا أن تداخل الضوء في الواقع ليس من السهل ملاحظته. إذا تم إضاءة مصباحين متطابقين في غرفة، فسيتم إضافة شدة الضوء عند أي نقطة ولا يتم ملاحظة أي تداخل. السؤال الذي يطرح نفسه: في أي الحالات يكون من الضروري إضافة الشدة (مع مراعاة علاقات الطور)، وفي أي الحالات - شدة الموجة، أي مربعات شدة المجال؟ لا تستطيع نظرية تداخل الموجات أحادية اللون الإجابة على هذا السؤال. موجات الضوء الحقيقية ليست أحادية اللون تمامًا. لأسباب فيزيائية أساسية، يكون للإشعاع دائمًا طابع إحصائي (أو عشوائي). تنبعث ذرات المصدر الضوئي بشكل مستقل عن بعضها البعض في أوقات عشوائية، ويستمر إشعاع كل ذرة لفترة قصيرة جدًا (τ ≥ 10 –8 s). يتكون الإشعاع الناتج من المصدر في كل لحظة من الزمن من مساهمات من عدد كبير من الذرات. بعد فترة من الزمن τ، يتم تجديد مجموعة الذرات المنبعثة بأكملها. ولذلك، فإن إجمالي الإشعاع سيكون له سعة مختلفة، والأهم من ذلك، مرحلة مختلفة. تظل مرحلة الموجة المنبعثة من مصدر ضوء حقيقي ثابتة تقريبًا فقط على مدار فترات زمنية بترتيب τ. تسمى "القصاصات" الفردية من الإشعاع لمدة τ تسوجامي . القطارات لها طول مكاني يساوي جτ، حيث ج- سرعة الضوء. التذبذبات في القطارات المختلفة لا تتفق مع بعضها البعض. وبالتالي، فإن الموجة الضوئية الحقيقية هي عبارة عن سلسلة من القطارات الموجية مرحلة التغيير العشوائي. ويقال عادة أن التذبذبات في القطارات المختلفة غير متماسك . يُطلق على الفاصل الزمني τ الذي تظل خلاله مرحلة التذبذب ثابتة تقريبًا وقت التماسك . لا يمكن أن يحدث التداخل إلا مع إضافة تذبذبات متماسكة، أي تذبذبات تنتمي إلى نفس القطار. وعلى الرغم من أن أطوار كل من هذه التذبذبات تخضع أيضًا لتغيرات عشوائية مع الزمن، إلا أن هذه التغيرات هي نفسها، وبالتالي فإن فرق الطور للتذبذبات المتماسكة يظل ثابتًا. في هذه الحالة، يتم ملاحظة نمط تداخل مستقر، وبالتالي يتم استيفاء مبدأ تراكب المجال. عند إضافة تذبذبات غير متماسكة، يتبين أن فرق الطور هو دالة عشوائية للوقت. تتعرض أطراف التداخل لحركات عشوائية من جانب إلى آخر، وخلال الوقت Δ رتسجيلها، والذي في التجارب البصرية أطول بكثير من وقت التماسك (Δ ر>> τ)، يحدث المتوسط الكامل. سيسجل جهاز التسجيل (عين، لوحة فوتوغرافية، خلية ضوئية) عند نقطة المراقبة قيمة شدة متوسطة تساوي مجموع الشدات أنا 1 + أنا 2 من كلا الاهتزازات. في هذه الحالة، يتم استيفاء قانون إضافة الشدة. وبالتالي، لا يمكن أن يحدث التداخل إلا عند إضافة تذبذبات متماسكة. لكي يحدث تداخل الموجات، من الضروري أن يكون للموجات نفس التردد وأن يظل فرق الطور بين تذبذبات المجالات في هذه الموجات ثابتًا مع مرور الوقت. وفي هذه الحالة، لا يصبح نمط التداخل طمسًا بمرور الوقت ولا يتحرك في الفضاء. تسمى الموجات التي تستوفي هذه الشروط متماسكة. إن أبسط طريقة للحصول على موجات متماسكة هي تقسيم موجة من مصدر أحادي اللون إلى موجتين أو أكثر (ستكون هذه الموجات متماسكة إذا كان الانقسام، على سبيل المثال، عند الانعكاس من المرآة، لا يؤدي إلى اختلاف طور غير متحكم فيه). ومن ثم يمكنك جعل كل موجة تسلك مسارًا مختلفًا بطرق مختلفة. يمكن القيام بذلك إما عن طريق جعل شعاعين يسافران مسافات مختلفة في الفضاء (كما في تجربة يونج)، أو عن طريق جعل الشعاعين يسافران نفس المسافة ولكن في أوساط لها معاملات انكسار مختلفة، وبالتالي تغيير سرعة الضوء. وفي كلتا الحالتين، ينشأ اختلاف ثابت معين في مسار الأشعة، والذي يؤدي عند دمج هذه الأشعة إلى نمط التداخل. الموجات الصادرة من مصدرين مستقلين غير متماسكة ولا يمكن أن تتداخل. لقد خمن T. Young بشكل حدسي أنه من أجل الحصول على تداخل الضوء، من الضروري تقسيم الموجة من المصدر إلى موجتين متماسكتين ومن ثم ملاحظة نتيجة إضافتهما على الشاشة. ويتم ذلك في جميع مخططات التدخل. ومع ذلك، حتى في هذه الحالة، يختفي نمط التداخل إذا تجاوز فرق المسار Δ طول التماسك جτ. |
(6)
(7)
(8)
عند النظر إلى صورة ثلاثية الأبعاد مشرقة، من غير المرجح أن يتذكر معظمنا المصطلحات المادية "الحيود"و "تداخل موجات الضوء".
ولكن بفضل دراسة هذه المفاهيم أصبحت فرصة إنشاء الصور المجسمة ممكنة.
ما هو حيود الضوء؟
كلمة "الحيود"مشتقة من اللاتينية "حيود"، وهو ما يعني حرفيا "موجات تنحني حول العوائق" . وكما هو معروف فإن لها طبيعة موجية، وأشعتها تخضع لقوانين الموجة. في الفيزياء، الحيود هو الاسم الذي يطلق على الظواهر البصرية التي تحدث عندما تنتشر موجات الضوء في وسط غير متجانس بصريًا مع شوائب معتمة.
تحدد الطبيعة الموجية للضوء سلوكه عند التحرك حول العوائق. إذا كان العائق أطول بعدة مرات من الطول الموجي للضوء، فإن الضوء لا ينحني حوله، ويشكل منطقة الظل. لكن في الحالات التي يتناسب فيها حجم العوائق مع الطول الموجي، تحدث ظاهرة الحيود. من حيث المبدأ، أي انحراف عن القوانين البصرية الهندسية يمكن أن يعزى إلى الحيود.
تدخل الموجة
إذا قمنا بتثبيت شاشة معتمة أمام مصدر الضوء وقمنا بعمل ثقب فيها، فإن أشعة الضوء التي تخترق هذه النقطة على الشاشة التالية، الموازية للأولى، ستظهر على شكل حلقات متحدة المركز مع ضوء متناوب والهالات السوداء. وتسمى هذه الظاهرة في الفيزياء حيود فريسنل، نسبة إلى العالم الذي اكتشفها ووصفها لأول مرة.
ومن خلال تغيير شكل الثقب وجعله على شكل شق، نحصل على صورة مختلفة على الشاشة الثانية. سيتم ترتيب أشعة الضوء في سلسلة من الخطوط الفاتحة والداكنة، كما هو الحال في الباركود الخاص بالمتجر. حيود الضوء عن طريق ثقب على شكل شق كان أول من وصفه هو الفيزيائي الألماني فراونهوفر، والذي لا يزال يسمى باسمه. 
وتمكن العلماء من تفسير تحلل الموجة الضوئية إلى مناطق فاتحة ومظلمة باستخدام مفهوم التداخل. يمكن للعديد من مصادر التذبذبات الموجية، إذا كانت ترددات تذبذباتها متماسكة (نفس أو مضاعفات بعضها البعض)، أن تعزز إشعاع بعضها البعض، ولكنها يمكن أن تضعفه أيضًا، اعتمادًا على تزامن مراحل التذبذب. عند التحرك حول العوائق وظهور موجات ثانوية، يبدأ تدخلها. في المناطق التي تتزامن فيها أطوار الموجات، تتم ملاحظة زيادة الإضاءة (خطوط أو دوائر ضوئية ساطعة)، وحيث لا تتزامن، تقل الإضاءة (المناطق المظلمة).
صريف الحيود
إذا أخذنا لوحة شفافة وقمنا بتطبيق سلسلة من الخطوط غير الشفافة المتوازية عليها على نفس المسافة من بعضها البعض، فسنحصل على محزوز الحيود. عند مرور جبهة ضوئية مسطحة من خلالها، يحدث الحيود على الخطوط المعتمة. تشكل الموجات الثانوية، الموهنة والمضخمة بشكل متبادل، الحد الأدنى والحد الأقصى للحيود، والذي يسهل اكتشافه على شاشة موضوعة خلف حاجز شبكي.
في هذه الحالة، لا يحدث انحراف أشعة الضوء فحسب، بل يحدث أيضًا تحلل الضوء الأبيض إلى مكونات طيفية ملونة. في الطبيعة، غالبًا ما يتم تشكيل تلوين أجنحة الفراشة وريش الطيور وقشور الثعابين اللازمة للتمويه من خلال استخدام الظواهر البصرية الحيود والتداخل، وليس بسبب الأصباغ.
الصور المجسمة
تم اختراع مبدأ الهولوغرام في عام 1947 من قبل الفيزيائي د. غابور، الذي حصل لاحقًا على جائزة نوبل لاختراعه. ثلاثي الأبعاد، أي. يمكن التقاط صورة ثلاثية الأبعاد لجسم ما وتسجيلها ثم إعادة إنتاجها باستخدام أشعة الليزر. إحدى الموجات الضوئية تسمى الموجة المرجعية وتنبعث من المصدر، والثانية هي موجة الكائن وتنعكس عن الجسم المسجل.
على لوحة فوتوغرافية أو أي مادة أخرى مخصصة للتسجيل، يتم تسجيل مجموعة من الخطوط والبقع الفاتحة والداكنة، والتي تعكس تداخل الموجات الكهرومغناطيسية في هذه المنطقة من الفضاء. إذا تم توجيه ضوء بطول موجي يتوافق مع خصائص الموجة المرجعية على لوحة فوتوغرافية، فإنه يتحول إلى موجة ضوئية ذات خصائص قريبة من موجة الجسم. وبالتالي، يتم الحصول على صورة ثلاثية الأبعاد لكائن ثابت في تدفق الضوء. 
واليوم، لا يزال من الممكن تسجيل الصور المجسمة وتشغيلها حتى في المنزل. للقيام بذلك، تحتاج إلى شعاع ليزر، ولوحة فوتوغرافية وإطار يحمل هذه الأجهزة بشكل موثوق بلا حراك، بالإضافة إلى كائن التسجيل. للحصول على صورة ثلاثية الأبعاد للمنزل، يعد شعاع مؤشر الليزر مع إزالة عدسة التركيز مثاليًا.
تعريف
ظاهرة التداخليسمى تراكب التذبذبات وتقويتها أو إضعافها المتبادل.
يتجلى التداخل على أنه تناوب بين الحد الأقصى والحد الأدنى للكثافة. تسمى نتيجة التداخل بنمط التداخل. كلمة التدخل هي من أصل فرنسي وتعني التدخل.
إن ظاهرة التداخل الموجي ممكنة عندما تحدث التذبذبات بترددات متساوية، ولها نفس اتجاهات إزاحة الجسيمات في الفضاء، وتكون فروق الطور للتذبذبات ثابتة، أي إذا كانت مصادر التذبذبات متماسكة. (يتم ترجمة كلمة cohaerer من اللاتينية على أنها مرتبطة). تخلق مجموعة واحدة من الموجات المتحركة الفارغة تذبذبات متطابقة عند كل نقطة من الجزء المدروس من مجال الموجة. وفي هذه الحالة يتم فرضه على مجموعة من الموجات المتشابهة والمتماسكة مع الأولى ولها نفس السعة، ثم تؤدي ظاهرة التداخل إلى طبقية ثابتة للمجال الموجي مع مرور الوقت إلى مناطق ذات تذبذبات متزايدة أو مناطق ذات تذبذبات متزايدة. إضعاف.
يتم تحديد موقع تضخيم التداخل للتذبذبات من خلال الاختلاف في مسارات الموجة (). يتم تحقيق أقصى تضخيم للتذبذبات إذا:
K هو عدد صحيح. - الطول الموجي.
تكون التذبذبات أضعف إذا:
أي نوع من الموجات يمكن أن يتدخل. تاريخيًا، تم اكتشاف التداخل لأول مرة في موجات الضوء بواسطة ر. بويل ور. هوك، اللذين لاحظا ظهور اللون في الأغشية الرقيقة. قدم T. Jung مفهوم مبدأ تراكب الموجات، وأوضح جوهر الظاهرة واستخدم مصطلح التداخل. كان يونج أول من جرب تداخل الضوء. حصل على نمط التداخل من شقين، والذي أصبح فيما بعد تجربة كلاسيكية. في هذه التجربة، ضربت موجة ضوئية من شق ضيق شاشة تحتوي على شقين ضيقين آخرين. على شاشة العرض التوضيحي، تداخلت أشعة الضوء من الشقين الأخيرين مع بعضها البعض. وفي منطقة التداخل، ظهر نمط تداخل من الخطوط الفاتحة والداكنة. أوضحت النظرية التي وضعها يونج ظاهرة التداخل عندما يتم تراكب موجتين أحاديتي اللون لهما نفس الترددات. كان يونج أول من أدرك أنه لا يمكن الحصول على التداخل عند التعامل مع مصادر الضوء المستقلة.
تدخل ثابت وغير ثابت
ينقسم التداخل إلى ثابت وغير ثابت. يحدث نمط التداخل الثابت فقط في حالة الموجات المتماسكة تمامًا.
ونتيجة لذلك، يتم إعادة توزيع الطاقة في الفضاء. تتركز الطاقة في الحد الأقصى، لكنها لا تصل إلى الحد الأدنى على الإطلاق. تتوافق إعادة توزيع طاقة الأمواج في الفضاء أثناء التداخل مع قانون الحفاظ على الطاقة. وستكون طاقة الموجة الناتجة عن التداخل مساوية لمجموع طاقات الموجات الزاحفة (في المتوسط).
عندما يتم فرض موجات غير متماسكة، لا يتم ملاحظة ظاهرة التداخل.
شرط الحد الأقصى للتداخل لموجة الضوء هو التعبير:
الطول الموجي للضوء في الفراغ؛ - الاختلاف البصري في مسار الأشعة. فرق المسار البصري () هو الفرق في الأطوال البصرية التي تنتقل بها الموجات:
L هو طول المسار البصري (طول (طول) المسار الهندسي مضروبًا في معامل انكسار الوسط (n)):
إذا كانت المساواة قائمة:
ثم يتم ملاحظة الحد الأدنى عند النقطة المعنية. يسمى التعبير (6) بشرط الحد الأدنى للتداخل.
أمثلة على حل المشكلات
مثال 1
| يمارس | تتراوح الأطوال الموجية للضوء المرئي من 380 نانومتر إلى 760 نانومتر. أي الموجات من هذا النطاق سيتم تضخيمها إلى أقصى حد مع اختلاف المسار البصري  م؟ |
| حل | شرط الحد الأقصى لشدة الضوء أثناء التداخل هو: دعونا نعبر عن الطول الموجي للضوء من الحالة (1.1):
دعونا نفكر في قيم مختلفة لـ k.
دعونا نرى أي من الأطوال الموجية التي تم الحصول عليها تقع ضمن نطاق الطول الموجي المرئي البالغ 380 (نانومتر). |
| إجابة |  م؛ م |
(nm) لنحول نانومتر إلى أمتار لسهولة المقارنة: 0.380 م، وتبين أن النطاق المدروس يشمل موجات فقط عند m؛ و م.مثال 2
| يمارس | ما هي المسافة من مصادر الضوء المتماسكة إلى شاشة العرض التوضيحي في تجربة يونج (l)، المسافة بين هذه المصادر هي d، طول الضوء هو، المسافة بين الأطراف في منتصف نمط التداخل هي b؟ اقبل ذلك. |
| حل | دعونا نجعل الرسم. من الشكل 1، وفقاً لنظرية فيثاغورس، لدينا: |
بفضل الدروس السابقة، عرفنا أن الضوء عبارة عن مجموعة من الأشعة المستقيمة التي تنتشر في الفضاء بطريقة معينة. ومع ذلك، لشرح خصائص بعض الظواهر، لا يمكننا استخدام مفاهيم البصريات الهندسية، أي أنه لا يمكننا تجاهل الخصائص الموجية للضوء. على سبيل المثال، عندما يمر ضوء الشمس عبر منشور زجاجي، تظهر على الشاشة صورة لأشرطة ألوان متناوبة (الشكل 1)، وهو ما يسمى بالطيف؛ يكشف الفحص الدقيق لفقاعة الصابون عن لونها الغريب (الشكل 2)، الذي يتغير باستمرار بمرور الوقت. لشرح هذه الأمثلة وغيرها من الأمثلة المشابهة، سنستخدم نظرية تعتمد على الخصائص الموجية للضوء، وهي البصريات الموجية.
أرز. 1. تحلل الضوء إلى الطيف
أرز. 2. فقاعة الصابون
سنتناول في هذا الدرس ظاهرة تسمى تداخل الضوء. وباستخدام هذه الظاهرة، أثبت العلماء في القرن التاسع عشر أن الضوء له طبيعة موجية، وليس طبيعة جسيمية.
ظاهرة التدخل هي على النحو التالي: عندما تتراكب موجتان أو أكثر على بعضها البعض في الفضاء، يظهر نمط ثابت لتوزيع السعة، بينما في بعض النقاط في الفضاء تكون السعة الناتجة هي مجموع اتساع الموجات الأصلية، وفي نقاط أخرى في الفضاء تصبح السعة الناتجة يساوي الصفر. وفي هذه الحالة، يجب فرض قيود معينة على ترددات وأطوار الموجات القابلة للطي في البداية.
مثال على إضافة موجتين ضوئيتين
تعتمد الزيادة أو النقصان في السعة على فرق الطور الذي تصل به الموجتان المطويتان إلى نقطة معينة.
في الشكل. ويبين الشكل 3 حالة إضافة موجتين من المصادر النقطية وتقع على مسافة منها ومن النقطة م، حيث يتم إجراء قياسات السعة. كلا الموجتين لهما نقطة موفي الحالة العامة، سعات مختلفة، لأنها قبل الوصول إلى هذه النقطة تسلك مسارات مختلفة وتختلف أطوارها.
أرز. 3. إضافة موجتين
في الشكل. يوضح الشكل 4 كيف يعتمد سعة التذبذب الناتج عند نقطة ما ميعتمد على المراحل التي تصل فيها موجتا الجيب. عندما تتزامن التلال، يتم تعظيم السعة الناتجة. عندما تتزامن القمة مع القاع، يتم إعادة تعيين السعة الناتجة إلى الصفر. في الحالات المتوسطة، تكون قيمة السعة الناتجة بين الصفر ومجموع اتساع الموجات القابلة للطي (الشكل 4).
أرز. 4. إضافة موجتين جيبيتين
سيتم ملاحظة القيمة القصوى للسعة الناتجة في الحالة التي يكون فيها فرق الطور بين الموجتين المضافتين صفراً. وينبغي ملاحظة الشيء نفسه عندما يكون فرق الطور مساوياً لأن هذه هي فترة دالة الجيب (الشكل 5).
أرز. 5. القيمة القصوى للسعة الناتجة
سعة الاهتزازات عند نقطة معينة الحد الأقصى، إذا كان الاختلاف في مساري الموجتين المثيرتين للتذبذب عند هذه النقطة يساوي عدداً صحيحاً من الأطوال الموجية أو عدداً زوجياً من أنصاف الموجات (الشكل 6).
أرز. 6. السعة القصوى للتذبذبات عند نقطة ما م
يكون سعة التذبذبات عند نقطة معينة في حدها الأدنى إذا كان الاختلاف في مساري الموجتين المثيرتين للتذبذب عند هذه النقطة يساوي عددًا فرديًا من أنصاف الموجات أو عدد نصف صحيح من الأطوال الموجية (الشكل 7).
أرز. 7. الحد الأدنى لسعة التذبذبات عند نقطة ما م
، أين .
تدخللا يمكن ملاحظتها إلا في حالة الإضافة متماسكموجات (الشكل 8).
أرز. 8. التدخل
موجات متماسكة- هذه الموجات لها نفس الترددات، وفرق الطور ثابت مع مرور الوقت عند نقطة معينة (الشكل 9).
أرز. 9. موجات متماسكة
إذا كانت الموجات غير متماسكة، عند أي نقطة مراقبة تصل موجتان مع اختلاف طور عشوائي. وبالتالي فإن السعة بعد إضافة موجتين ستكون أيضًا متغيرًا عشوائيًا يتغير بمرور الوقت، وستظهر التجربة عدم وجود نمط تداخل.
موجات غير متماسكة- هذه موجات يتغير فيها فرق الطور بشكل مستمر (الشكل 10).
أرز. 10. موجات غير متماسكة
هناك العديد من المواقف التي يمكن فيها ملاحظة تداخل أشعة الضوء. على سبيل المثال، وصمة عار البنزين في بركة (الشكل 11)، فقاعة الصابون (الشكل 2).
أرز. 11. بقعة البنزين في البركة
ويشير مثال فقاعات الصابون إلى حالة ما يسمى بالتداخل في الأغشية الرقيقة. وكان العالم الإنجليزي توماس يونج (الشكل 12) هو أول من طرح فكرة إمكانية تفسير ألوان الأغشية الرقيقة بإضافة موجات ينعكس أحدها عن السطح الخارجي للطبقة. الفيلم، والآخر من الداخل.
أرز. 12. توماس يونغ (1773-1829)
وتعتمد نتيجة التداخل على زاوية سقوط الضوء على الفيلم، وسمكه، والطول الموجي للضوء. سيحدث التضخيم إذا تأخرت الموجة المنكسرة عن الموجة المنعكسة بعدد صحيح من الأطوال الموجية. إذا تأخرت الموجة الثانية بمقدار نصف موجة أو عدد فردي من أنصاف الموجات، فإن الضوء سوف يضعف (الشكل 13).
أرز. 13. انعكاس موجات الضوء من أسطح الأفلام
يتم تفسير تماسك الموجات المنعكسة من الأسطح الخارجية والداخلية للفيلم من خلال حقيقة أن كلتا الموجتين جزء من نفس الموجة الساقطة.
يتوافق الاختلاف في الألوان مع حقيقة أن الضوء يمكن أن يتكون من موجات ذات ترددات (أطوال) مختلفة. إذا كان الضوء يتكون من موجات لها نفس الترددات فإنه يسمى أحادية اللونوأعيننا تراه لونًا واحدًا.
ضوء أحادي اللون(من اليونانية القديمة μόνος - واحد، χρῶμα - اللون) - موجة كهرومغناطيسية ذات تردد واحد محدد وثابت تمامًا من نطاق الترددات التي تراها العين البشرية مباشرة. يرجع أصل المصطلح إلى حقيقة أن البشر ينظرون إلى الاختلافات في تردد موجات الضوء على أنها اختلافات في اللون. ومع ذلك، بحكم طبيعتها الفيزيائية، لا تختلف الموجات الكهرومغناطيسية في النطاق المرئي عن الموجات في النطاقات الأخرى (الأشعة تحت الحمراء، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة السينية، وما إلى ذلك)، ويستخدم أيضًا مصطلح "أحادية اللون" ("أحادية اللون") بالنسبة لهم، على الرغم من أنهم ليس لديهم إحساس بالألوان ولا موجات. يسمى الضوء الذي يتكون من موجات ذات أطوال موجية مختلفة متعدد الألوان(نور من الشمس).
وبالتالي، إذا سقط ضوء أحادي اللون على طبقة رقيقة، فإن نمط التداخل سيعتمد على زاوية السقوط (في بعض الزوايا ستعزز الموجات بعضها البعض، وفي زوايا أخرى ستلغي بعضها البعض). مع الضوء متعدد الألوان، لمراقبة نمط التداخل، من الملائم استخدام فيلم بسماكة متغيرة، حيث تتداخل موجات ذات أطوال مختلفة عند نقاط مختلفة، ويمكننا الحصول على صورة ملونة (كما هو الحال في فقاعة الصابون).
هناك أجهزة خاصة - مقاييس التداخل (الشكل 14، 15)، والتي يمكنك من خلالها قياس الأطوال الموجية، ومؤشرات الانكسار للمواد المختلفة وغيرها من الخصائص.
أرز. 14. مقياس تداخل جامين
أرز. 15. مقياس التداخل فيزو
على سبيل المثال، في عام 1887، قام اثنان من الفيزيائيين الأمريكيين، ميشيلسون ومورلي (الشكل 16)، بتصميم مقياس تداخل خاص (الشكل 17)، كانا يعتزمان من خلاله إثبات أو دحض وجود الأثير. وتعتبر هذه التجربة من أشهر التجارب في الفيزياء.
أرز. 17. مقياس التداخل النجمي لميكلسون
يُستخدم التداخل أيضًا في مجالات أخرى من النشاط البشري (لتقييم جودة المعالجة السطحية، ولتنقية البصريات، وللحصول على طلاءات عاكسة للغاية).
حالة
توجد مرآتان شفافتان بالتوازي مع بعضهما البعض. تسقط عليها موجة ضوئية ذات تردد عمودي على مستوى المرايا (الشكل 18). ما الحد الأدنى للمسافة بين المرآتين من أجل ملاحظة الحد الأدنى من التداخل الأولي للأشعة المارة؟
أرز. 18. رسم توضيحي للمشكلة
منح:
يجد:
حل
سوف يمر شعاع واحد عبر المرآتين. والآخر سيمر من المرآة الأولى، وينعكس من الثانية والأولى، ويمر من الثانية. وسيكون الفرق في مسار هذه الأشعة ضعف المسافة بين المرآتين.
الحد الأدنى للرقم يتوافق مع قيمة عدد صحيح.
الطول الموجي هو:
أين هي سرعة الضوء.
دعونا نعوض بقيمة وقيمة الطول الموجي في صيغة فرق المسار:
إجابة: .
للحصول على موجات ضوئية متماسكة باستخدام مصادر الضوء التقليدية، يتم استخدام طرق تقسيم واجهة الموجة. وفي هذه الحالة تنقسم موجة الضوء المنبعثة من أي مصدر إلى جزأين أو أكثر متماسكين مع بعضهما البعض.
1. الحصول على موجات متماسكة بطريقة يونج
مصدر الضوء عبارة عن شق مضاء بشكل ساطع، تسقط منه موجة الضوء على شقين ضيقين موازيين للشق الأصلي س(الشكل 19). وبالتالي، فإن الشقوق بمثابة مصادر متماسكة. على الشاشة في المنطقة قبل الميلادويلاحظ نمط التداخل في شكل خطوط فاتحة وداكنة متناوبة.
أرز. 19. الحصول على موجات متماسكة بطريقة يونج
2. الحصول على موجات متماسكة باستخدام منشور فريسنل
يتكون هذا المنشور الثنائي من منشورين مستطيلين متطابقين مع زاوية انكسار صغيرة جدًا، مطويتين عند قاعدتيهما. ينكسر الضوء من المصدر في كلا المنشورين، ونتيجة لذلك تنتشر الأشعة خلف المنشور، كما لو كانت تنبعث من مصادر وهمية و (الشكل 20). هذه المصادر متماسكة. وهكذا، على الشاشة في المنطقة قبل الميلادويلاحظ نمط التدخل.
أرز. 20. الحصول على موجات متماسكة باستخدام منشور فريسنل
3. الحصول على موجات متماسكة باستخدام فصل طول المسار البصري
يتم إنشاء موجتين متماسكتين من مصدر واحد، ولكن مسارات هندسية مختلفة في الطول وتمريرها إلى الشاشة (الشكل 21). في هذه الحالة، ينتقل كل شعاع عبر وسط له معامل انكسار مطلق خاص به. فرق الطور بين الموجات الواصلة إلى نقطة ما على الشاشة يساوي القيمة التالية:
أين وهي الأطوال الموجية في الوسائط التي تكون معاملات انكسارها مساوية لـ و على التوالي.
أرز. 21. الحصول على موجات متماسكة باستخدام فصل طول المسار البصري
يسمى حاصل ضرب طول المسار الهندسي ومعامل الانكسار المطلق للوسط طول المسار البصري.
,
– الاختلاف البصري في مسار الموجات المتداخلة.
باستخدام التداخل، يمكنك تقييم جودة المعالجة السطحية للمنتج بدقة الطول الموجي. للقيام بذلك، تحتاج إلى إنشاء طبقة رقيقة من الهواء على شكل إسفين بين سطح العينة ولوحة مرجعية ناعمة للغاية. ثم ستتسبب عدم انتظام السطح حتى سم في انحناء ملحوظ لأهداب التداخل التي تتشكل عندما ينعكس الضوء من الأسطح التي يتم اختبارها والحافة السفلية (الشكل 22).
أرز. 22. التحقق من جودة المعالجة السطحية
تستخدم الكثير من معدات التصوير الفوتوغرافي الحديثة عددًا كبيرًا من النظارات البصرية (العدسات والمنشورات وما إلى ذلك). من خلال المرور عبر هذه الأنظمة، يواجه تدفق الضوء انعكاسات متعددة، مما يؤثر سلبًا على جودة الصورة، حيث يتم فقدان جزء من الطاقة أثناء الانعكاس. لتجنب هذا التأثير، من الضروري استخدام طرق خاصة، واحدة منها هي طريقة مسح البصريات.
ويستند المقاصة البصرية على ظاهرة التداخل. يتم تطبيق طبقة رقيقة ذات معامل انكسار أقل من معامل انكسار الزجاج على سطح الزجاج البصري، مثل العدسة.
في الشكل. ويبين الشكل 23 مسار الشعاع الساقط على السطح البيني بزاوية طفيفة. للتبسيط، نقوم بإجراء جميع الحسابات لزاوية تساوي الصفر.
أرز. 23. طلاء البصريات
الفرق في مسار موجات الضوء 1 و 2 المنعكسة من الأسطح العلوية والسفلية للفيلم يساوي ضعف سمك الفيلم:
الطول الموجي في الفيلم أقل من الطول الموجي في الفراغ نمرة واحدة ( ن- معامل انكسار الفيلم):
لكي تضعف الموجتان 1 و 2 بعضهما البعض، يجب أن يكون فرق المسار مساوياً لنصف الطول الموجي، أي:
إذا كانت سعات الموجتين المنعكستين هي نفسها أو قريبة جدًا من بعضها البعض، فإن انقراض الضوء سيكون كاملاً. ولتحقيق ذلك، يتم اختيار معامل انكسار الفيلم وفقًا لذلك، حيث يتم تحديد شدة الضوء المنعكس من خلال نسبة معاملات الانكسار للوسائط.
تدخل- إضافة موجتين (أو عدة) في الفضاء، حيث يتم تقوية أو إضعاف سعة الموجة الناتجة في نقاط مختلفة. هذه الظاهرة نموذجية للموجات من أي طبيعة: الموجات الصوتية، والموجات على سطح الماء، والموجات الكهرومغناطيسية، وما إلى ذلك.
يتم إعطاء نمط التداخل المستقر فقط بواسطة موجات متماسكة، أي. موجات لها نفس الترددات وفرق زمني ثابت في أطوار التذبذبات.
دع موجتين من نفس التردد تصلان إلى النقطة A، بعد أن قطعتا مسافات مختلفة سابقًا ل 1و ل 2من مصادرهم.
ويعتمد سعة التذبذب الناتج على كمية تسمى اختلاف السكتة الدماغيةموجات
إذا كان فرق المسار يساوي عددًا صحيحًا من الموجات، فإن الموجات تصل إلى نقطة الطور. عند إضافتها، تعزز الموجات بعضها البعض وتنتج تذبذبًا بسعة مضاعفة.
إذا كان فرق المسار يساوي عددًا فرديًا من أنصاف الموجات، فإن الموجات تصل إلى النقطة A في الطور المضاد. في هذه الحالة، يلغي كل منهما الآخر، ويكون سعة التذبذب الناتج صفرًا.
وفي نقاط أخرى في الفضاء، لوحظ تعزيز جزئي أو إضعاف للموجة الناتجة.
تجربة يونغ
في عام 1802 عالم إنجليزي توماس يونجأجرى تجربة لاحظ فيها تداخل الضوء. ضوء من فجوة ضيقة س، سقطت على شاشة ذات شقين متقاربين س 1و س 2. وبمروره عبر كل من الشقين، يتمدد شعاع الضوء، وعلى شاشة بيضاء يمر شعاع الضوء عبر الشقوق س 1و س 2، متداخلة. وفي المنطقة التي تداخلت فيها أشعة الضوء، لوحظ نمط تداخل على شكل خطوط فاتحة وخطوط داكنة متناوبة.
مسار الشعاع في فيلم الصابون
يوضح الشكل مقطعًا عرضيًا من فيلم الصابون الذي تمت زيادته بشكل كبير في السمك. دع موجة الضوء تصل إلى النقطة A من الفيلم. ينعكس بعض الضوء من هذا السطح، وينكسر البعض الآخر، ويمر إلى الفيلم وينعكس عن سطحه عند النقطة B. وهذان الشعاعان المنعكسان لهما نفس التردد لأنهما يأتيان من نفس المصدر. عند إضافتها معًا، فإنها تشكل نمطًا من التداخل.
نواجه ظواهر التداخل في كثير من الأحيان: ألوان بقع الزيت، والأنماط الموجودة على أجنحة بعض الفراشات والخنافس، وما إلى ذلك.