Interferenční vzory jsou světlé nebo tmavé pásy, které jsou způsobeny paprsky, které jsou ve fázi nebo mimo fázi. Při superponování se světlo a podobné vlny sčítají, pokud se jejich fáze shodují (ve směru nárůstu i poklesu), nebo se vzájemně kompenzují, pokud jsou v protifázi. Tyto jevy se nazývají konstruktivní a destruktivní interference, resp. Pokud svazek monochromatického záření, které má všechny stejnou vlnovou délku, prochází dvěma úzkými štěrbinami (poprvé experiment provedl v roce 1801 Thomas Young, anglický vědec, který díky němu dospěl k závěru o vlnové povaze světla), lze dva výsledné paprsky nasměrovat na plochou obrazovku, na které se místo dvou překrývajících se bodů vytvoří interferenční proužky - vzor rovnoměrně se střídajících světlých a tmavých oblastí. Tento jev se využívá např. ve všech optických interferometrech.
Superpozice
Určující charakteristikou všech vln je superpozice, která popisuje chování superponovaných vln. Jeho princip spočívá v tom, že když je ve vesmíruPokud jsou superponovány více než dvě vlny, pak se výsledná porucha rovná algebraickému součtu jednotlivých poruch. Někdy je toto pravidlo porušeno kvůli velkým poruchám. Toto jednoduché chování vede k řadě efektů nazývaných interferenční jevy.
Jev interference je charakterizován dvěma extrémními případy. V konstruktivních maximech se tyto dvě vlny shodují a jsou spolu ve fázi. Výsledkem jejich superpozice je zvýšení rušivého efektu. Amplituda výsledné smíšené vlny je rovna součtu jednotlivých amplitud. A naopak u destruktivní interference se maximum jedné vlny shoduje s minimem druhé – jsou v protifázi. Amplituda kombinované vlny je rovna rozdílu mezi amplitudami jejích složek. V případě, že jsou stejné, je destruktivní interference dokončena a celkové narušení média je nulové.
Jungův experiment
Interferenční obrazec ze dvou zdrojů jasně ukazuje na přítomnost překrývajících se vln. Thomas Jung navrhl, že světlo je vlna, která se řídí principem superpozice. Jeho slavným experimentálním počinem byla demonstrace konstruktivní a destruktivní interference světla v roce 1801. Moderní verze Youngova experimentu se liší v podstatě pouze tím, že využívá koherentní světelné zdroje. Laser rovnoměrně osvětluje dvě paralelní štěrbiny v neprůhledném povrchu. Světlo, které jimi prochází, je pozorováno na vzdálené obrazovce. Když je šířka mezi sloty mnohem větší nežvlnové délce jsou dodržována pravidla geometrické optiky - na obrazovce jsou vidět dvě osvětlené plochy. Jak se však štěrbiny k sobě přibližují, světlo se ohýbá a vlny na obrazovce se navzájem překrývají. Samotná difrakce je důsledkem vlnové povahy světla a je dalším příkladem tohoto efektu.
Vzor rušení
Princip superpozice určuje výsledné rozložení intenzity na osvětlené obrazovce. Interferenční obrazec nastane, když rozdíl dráhy od štěrbiny k stínítku je roven celému počtu vlnových délek (0, λ, 2λ, …). Tento rozdíl zajišťuje, že výšky přicházejí ve stejnou dobu. K destruktivní interferenci dochází, když je dráhový rozdíl celočíselný počet vlnových délek posunutý o polovinu (λ/2, 3λ/2, …). Jung použil geometrické argumenty, aby ukázal, že superpozice vede k sérii rovnoměrně rozmístěných proužků nebo ploch vysoké intenzity, které odpovídají oblastem konstruktivní interference oddělené tmavými skvrnami totální destruktivní interference.
Vzdálenost mezi otvory
Důležitým parametrem geometrie dvojité štěrbiny je poměr vlnové délky světla λ ke vzdálenosti mezi otvory d. Pokud je λ/d mnohem menší než 1, pak bude vzdálenost mezi proužky malá a nebudou pozorovány žádné překrývající se efekty. Použitím těsně rozmístěných štěrbin byl Jung schopen oddělit tmavé a světlé oblasti. Tak určil vlnové délky barev viditelného světla. Jejich extrémně malá velikost vysvětluje, proč jsou tyto účinky pozorovány pouzeza určitých podmínek. K oddělení oblastí konstruktivního a destruktivního rušení musí být vzdálenosti mezi zdroji světelných vln velmi malé.
Vlnová délka
Pozorování rušivých efektů je náročné ze dvou dalších důvodů. Většina světelných zdrojů vyzařuje spojité spektrum vlnových délek, což má za následek mnohočetné interferenční obrazce superponované na sebe, z nichž každý má svou vlastní vzdálenost mezi proužky. Tím se ruší nejvýraznější efekty, jako jsou oblasti úplné tmy.
Koherence
Aby bylo možné pozorovat rušení po delší dobu, musí být použity koherentní světelné zdroje. To znamená, že zdroje záření musí udržovat konstantní fázový vztah. Například dvě harmonické vlny stejné frekvence mají vždy pevný fázový vztah v každém bodě prostoru - buď ve fázi, nebo v protifázi, nebo v nějakém mezistavu. Většina světelných zdrojů však nevyzařuje skutečné harmonické vlny. Místo toho vyzařují světlo, ve kterém dochází k náhodným fázovým změnám milionkrát za sekundu. Takové záření se nazývá nekoherentní.
Ideálním zdrojem je laser
Interference je stále pozorována, když jsou vlny dvou nekoherentních zdrojů superponovány v prostoru, ale interferenční vzory se mění náhodně spolu s náhodným fázovým posunem. Světelné senzory, včetně očí, se nedokážou rychle zaregistrovatměnící se obraz, ale pouze časově zprůměrovanou intenzitu. Laserový paprsek je téměř monochromatický (tj. skládá se z jedné vlnové délky) a vysoce koherentní. Je to ideální zdroj světla pro pozorování rušivých efektů.
Detekce frekvence
Po roce 1802 mohly Jungovy naměřené vlnové délky viditelného světla souviset s nedostatečně přesnou rychlostí světla dostupnou v té době, aby bylo možné aproximovat jeho frekvenci. Například pro zelené světlo je to asi 6×1014 Hz. To je o mnoho řádů vyšší než frekvence mechanických vibrací. Pro srovnání, člověk může slyšet zvuk s frekvencí až 2×104 Hz. Co přesně kolísalo takovým tempem, zůstalo na dalších 60 let záhadou.
Interference v tenkých vrstvách
Pozorované efekty nejsou omezeny na geometrii dvojité štěrbiny, kterou používá Thomas Young. Když se paprsky odrážejí a lámou od dvou povrchů oddělených vzdáleností srovnatelnou s vlnovou délkou, dochází v tenkých vrstvách k interferenci. Roli filmu mezi povrchy může hrát vakuum, vzduch, jakékoli průhledné kapaliny nebo pevné látky. Ve viditelném světle jsou interferenční efekty omezeny na rozměry v řádu několika mikrometrů. Známým příkladem filmu je mýdlová bublina. Světlo odražené od něj je superpozicí dvou vln - jedna se odráží od přední plochy a druhá - zezadu. Prostorově se překrývají a na sebe nakládají. Podle tloušťky mýdlafilmy, dvě vlny mohou interagovat konstruktivně nebo destruktivně. Kompletní výpočet interferenčního obrazce ukazuje, že pro světlo o jedné vlnové délce λ je pozorována konstruktivní interference pro tloušťku filmu λ/4, 3λ/4, 5λ/4 atd. a destruktivní interference je pozorována pro λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Vzorce pro výpočet
Jev rušení má mnoho využití, proto je důležité porozumět základním rovnicím, které se v něm vyskytují. Následující vzorce vám umožňují vypočítat různé veličiny spojené s interferencí pro dva nejběžnější případy interference.
Umístění jasných proužků v Youngově experimentu, tj. oblastí s konstruktivní interferencí, lze vypočítat pomocí výrazu: yjasné.=(λL/d)m, kde λ je vlnová délka; m=l, 2, 3, …; d je vzdálenost mezi štěrbinami; L je vzdálenost k cíli.
Umístění tmavých pásů, tj. oblastí destruktivní interakce, je určeno vzorcem: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
U jiného typu interference – v tenkých vrstvách – přítomnost konstruktivní nebo destruktivní superpozice určuje fázový posun odražených vln, který závisí na tloušťce filmu a jeho indexu lomu. První rovnice popisuje případ absence takového posunu a druhá popisuje posun o půl vlnové délky:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Zde λ je vlnová délka; m=l, 2, 3, …; t je cesta ujetá ve filmu; n je index lomu.
Pozorování v přírodě
Když slunce svítí na mýdlovou bublinu, lze vidět jasné barevné pruhy, protože různé vlnové délky podléhají destruktivní interferenci a jsou odstraněny z odrazu. Zbývající odražené světlo se jeví jako doplňkové ke vzdáleným barvám. Pokud například v důsledku destruktivní interference není žádná červená složka, odraz bude modrý. Tenký film oleje na vodě má podobný efekt. V přírodě se peří některých ptáků, včetně pávů a kolibříků, a skořápky některých brouků jeví jako duhové, ale mění barvu se změnou úhlu pohledu. Fyzikou optiky je zde interference odražených světelných vln z tenkých vrstevnatých struktur nebo polí odrazných tyčí. Podobně i perly a mušle mají duhovku díky superpozici odlesků z několika vrstev perleti. Drahé kameny, jako je opál, vykazují krásné interferenční vzory v důsledku rozptylu světla z pravidelných vzorů tvořených mikroskopickými sférickými částicemi.
Aplikace
V každodenním životě existuje mnoho technologických aplikací jevů světelné interference. Na nich je založena fyzika optiky fotoaparátu. Obvyklá antireflexní vrstva čoček je tenký film. Jeho tloušťka a lom jsou zvoleny tak, aby vytvářely destruktivní interferenci odraženého viditelného světla. Specializovanější nátěry sestávající zněkolik vrstev tenkých vrstev je navrženo tak, aby propouštělo záření pouze v úzkém rozsahu vlnových délek, a proto se používají jako světelné filtry. Vícevrstvé povlaky se také používají ke zvýšení odrazivosti zrcadel astronomických dalekohledů a také laserových optických dutin. Interferometrie - přesné metody měření používané k detekci malých změn relativních vzdáleností - je založena na pozorování posunů tmavých a světlých pásů vytvořených odraženým světlem. Například měření toho, jak se změní interferenční obrazec, vám umožní určit zakřivení povrchů optických součástí ve zlomcích optické vlnové délky.
