Pola interferensi Kondisi maksimal dan minimum

Pola interferensi adalah pita terang atau gelap yang disebabkan oleh sinar yang berada dalam fase atau fase satu sama lain. Gelombang ringan dan gelombang serupa ditambahkan saat dilapiskan, jika fasa mereka bertepatan (baik dalam arah meningkat atau menurun), atau mereka saling mengimbangi jika berada dalam antiphase. Fenomena ini disebut gangguan konstruktif dan destruktif. Jika seberkas radiasi monokromatik, semua gelombang dengan panjang yang sama, melewati dua celah sempit (eksperimen pertama kali dilakukan pada tahun 1801 oleh Thomas Young, seorang ilmuwan Inggris yang berterima kasih kepadanya sampai pada kesimpulan tentang sifat gelombang cahaya), dua sinar yang dihasilkan dapat diarahkan Pada layar datar, di mana alih-alih dua bintik yang saling tumpang tindih membentuk pinggiran interferensi - sebuah pola area terang dan gelap bergantian. Fenomena ini digunakan, misalnya pada semua interferometer optik.

Superposisi

Karakteristik yang menentukan dari semua gelombang adalah superposisi yang menggambarkan perilaku gelombang yang dilapiskan. Prinsipnya adalah bahwa bila lebih dari dua gelombang ditumpangkan di ruang angkasa, perturbasi resultan sama dengan jumlah aljabar dari gangguan individu. Terkadang aturan ini dilanggar karena gangguan besar. Perilaku sederhana tersebut menyebabkan sejumlah efek, yang disebut fenomena gangguan.

Fenomena gangguan ditandai dengan dua kasus ekstrim. Dalam maksima konstruktif dari dua gelombang bertepatan, dan keduanya dalam fase satu sama lain. Hasil superposisi mereka adalah penguatan efek yang mengganggu. Amplitudo gelombang campuran yang dihasilkan sama dengan jumlah amplitudo individu. Dan, sebaliknya, dalam gangguan yang merusak, maksimum satu gelombang bertepatan dengan minimum yang kedua - keduanya antiphase. Amplitudo gelombang gabungan sama dengan perbedaan antara amplitudo komponen penyusunnya. Dalam kasus di mana mereka sama, gangguan destruktif selesai, dan total gangguan medium adalah nol.

Percobaan Young

Pola interferensi dari dua sumber secara tegas menunjukkan adanya gelombang yang tumpang tindih. Thomas Jung menyarankan bahwa cahaya adalah gelombang yang mematuhi prinsip superposisi. Prestasi eksperimentalnya yang terkenal adalah demonstrasi gangguan cahaya konstruktif dan destruktif pada tahun 1801. Versi modern eksperimen Jung secara inheren berbeda hanya karena menggunakan sumber cahaya yang koheren. Laser secara seragam menerangi dua celah sejajar di permukaan buram. Cahaya yang melewatinya diamati di layar jauh. Bila lebar di antara slot lebih panjang dari panjang gelombang, aturan optik geometris diamati - dua area yang diterangi terlihat di layar. Namun, ketika pendekatan retak, cahaya akan berkurang, dan gelombang di layar tumpang tindih. Difraksi itu sendiri merupakan konsekuensi dari sifat gelombang cahaya dan contoh lain dari efek ini.

Pola interferensi

Prinsip superposisi menentukan distribusi intensitas yang dihasilkan pada layar yang diterangi. Pola interferensi terjadi bila perbedaan jalur dari slot ke layar sama dengan bilangan bulat dari panjang gelombang (0, λ, 2λ, ...). Perbedaan ini memastikan bahwa harga tertinggi datang pada saat bersamaan. Interferensi yang merusak terjadi bila selisih jalur sama dengan bilangan bulat dari panjang gelombang yang bergeser setengahnya (λ / 2, 3λ / 2, ...). Jung menggunakan argumen geometris untuk menunjukkan bahwa superposisi mengarah pada serangkaian pita yang sama atau area intensitas tinggi yang sesuai dengan area gangguan konstruktif yang dipisahkan oleh daerah gelap yang merusak total.

Jarak lubang

Parameter penting dari geometri dengan dua celah adalah rasio panjang gelombang gelombang cahaya λ terhadap jarak antara lubang d. Jika λ / d jauh lebih kecil dari 1, jarak antara band akan kecil, dan efek yang tumpang tindih tidak akan diamati. Dengan menggunakan slot jarak dekat, Jung mampu memisahkan area gelap dan terang. Dengan demikian, ia menentukan panjang gelombang warna cahaya tampak. Nilai mereka yang sangat kecil menjelaskan mengapa efek ini diamati hanya dalam kondisi tertentu. Untuk memisahkan bagian gangguan konstruktif dan destruktif, jarak antara sumber gelombang cahaya harus sangat kecil.

Panjang gelombang

Pengamatan efek gangguan adalah tugas yang sulit karena dua alasan lain. Sebagian besar sumber cahaya memancarkan spektrum panjang gelombang kontinu, menghasilkan pembentukan beberapa pola interferensi yang saling bertumpu satu sama lain, masing-masing memiliki selang waktu antara band. Ini menghilangkan efek yang paling menonjol, seperti area kegelapan total.

Koherensi

Agar dapat mengamati gangguan dalam jangka waktu lama, perlu menggunakan sumber cahaya yang koheren. Ini berarti bahwa sumber radiasi harus mempertahankan hubungan fase konstan. Sebagai contoh, dua gelombang harmonik dengan frekuensi yang sama selalu memiliki hubungan fase tetap pada setiap titik ruang - baik dalam fase, atau antiphase, atau dalam keadaan menengah. Namun, sebagian besar sumber cahaya tidak memancarkan gelombang harmonis sejati. Sebaliknya, mereka memancarkan cahaya, di mana perubahan fase acak terjadi jutaan kali per detik. Radiasi semacam itu disebut tidak koheren.

Sumber yang ideal adalah laser

Gangguan masih diamati ketika dua sumber yang tidak koheren ditumpangkan di ruang angkasa, namun pola interferensi berubah secara acak, bersamaan dengan pergeseran fasa acak. Sensor cahaya, termasuk mata, tidak bisa mendaftarkan gambar yang berubah dengan cepat, tapi hanya intensitas rata-rata waktu saja. Sinar laser hampir monokromatik (yang terdiri dari satu panjang gelombang) dan sangat koheren. Ini adalah sumber cahaya ideal untuk mengamati efek gangguan.

Penentuan frekuensi

Setelah 1802, panjang gelombang cahaya tampak yang diukur oleh Jung dapat dikorelasikan dengan kecepatan cahaya yang kurang memadai yang tersedia pada suatu waktu untuk menghitung frekuensinya. Misalnya, dalam lampu hijau itu sekitar 6 × 10 ¹⁴ Hz. Ini banyak pesanan yang besarnya lebih besar dari frekuensi osilasi mekanis. Sebagai perbandingan, seseorang bisa mendengar suara dengan frekuensi hingga 2 × 10 ⁴ Hz. Apa yang sebenarnya berfluktuasi dengan kecepatan seperti itu, tetap menjadi misteri selama 60 tahun ke depan.

Gangguan pada film tipis

Efek yang diamati tidak terbatas pada geometri celah ganda yang digunakan oleh Thomas Young. Saat refleksi dan pembiasan sinar dari dua permukaan yang dipisahkan oleh jarak yang sebanding dengan panjang gelombang terjadi, terjadi interferensi pada film tipis. Peran film di antara permukaan dapat dimainkan oleh vakum, udara, cairan bening atau padatan. Pada efek interferensi cahaya tampak terbatas pada ukuran beberapa mikrometer. Contoh film yang terkenal adalah gelembung sabun. Cahaya yang tercermin darinya adalah superposisi dua gelombang - yang dipantulkan dari permukaan depan, dan yang lainnya - dari belakang. Mereka dikenakan di ruang angkasa dan ditumpuk satu sama lain. Bergantung pada ketebalan film sabun, dua gelombang dapat berinteraksi secara konstruktif atau destruktif. Perhitungan lengkap pola interferensi menunjukkan bahwa untuk cahaya dengan satu panjang gelombang λ interferensi konstruktif diamati untuk film dengan ketebalan λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, dll, dan destruktif untuk λ / 2, λ, 3λ / 2, ...

Rumus untuk perhitungan

Fenomena gangguan telah menemukan banyak aplikasi, jadi penting untuk memahami persamaan dasar yang berlaku untuk itu. Rumus berikut memungkinkan kita untuk menghitung jumlah yang berbeda yang terkait dengan gangguan untuk dua kasus yang paling umum.

Penataan pita terang dalam eksperimen Young, yaitu, daerah dengan gangguan konstruktif, dapat dihitung dengan menggunakan ungkapan: y _cahaya. = (ΛL / d) m, dimana λ adalah panjang gelombang; M = 1, 2, 3, ...; D adalah jarak antara celah; L adalah jarak ke sasaran.

Lokasi band gelap, yaitu daerah interaksi destruktif, ditentukan oleh rumus: y _gelap. = (ΛL / d) (m + 1/2).

Untuk jenis gangguan lain - pada film tipis - adanya overlay yang konstruktif atau destruktif menentukan pergeseran fasa gelombang yang dipantulkan, yang bergantung pada ketebalan film dan indeks pembiasannya. Persamaan pertama menggambarkan kasus ketika tidak ada perpindahan seperti itu, dan yang kedua menggambarkan pergeseran setengah panjang gelombang:

2nt = mλ;

2nt = (m + 1/2) λ.

Disini λ adalah panjang gelombang; M = 1, 2, 3, ...; T adalah jalan yang dilalui dalam film; N adalah indeks bias.

Pengamatan di alam

Saat matahari menyinari gelembung sabun, Anda bisa melihat pita-pita berwarna cerah, karena panjang gelombang yang berbeda mengalami gangguan destruktif dan dikeluarkan dari pantulan. Sisa cahaya yang dipantulkan tampak melengkapi warna yang hilang. Misalnya, jika akibat gangguan destruktif tidak ada komponen merah, maka pantulannya akan berwarna biru. Film minyak tipis pada air menghasilkan efek yang sama. Dalam sifat bulu beberapa burung, termasuk burung merak dan burung kolibri, dan kerang dari beberapa kumbang terlihat cerah, sambil berubah warna saat mengubah sudut pandang. Fisika optik di sini terdiri dari gangguan gelombang cahaya yang dipantulkan dari struktur berlapis tipis atau susunan batang pemantul. Demikian pula, mutiara dan kerang memiliki iris karena pengenaan refleksi dari beberapa lapisan ibu mutiara. Batu mulia, seperti opal, menunjukkan pola interferensi yang indah karena hamburan cahaya dari struktur biasa yang dibentuk oleh partikel bola mikroskopis.

Aplikasi

Ada banyak aplikasi teknologi fenomena gangguan ringan dalam kehidupan sehari-hari. Fisika optik kamera didasarkan pada mereka. Lapisan lensa antireflective biasa adalah film tipis. Ketebalan dan pembiasan sinarnya dipilih sedemikian rupa sehingga menghasilkan gangguan destruktif pada cahaya tampak yang dipantulkan. Lapisan khusus yang terdiri dari beberapa lapisan film tipis dirancang untuk mentransmisikan radiasi hanya dalam rentang panjang gelombang yang sempit dan oleh karena itu digunakan sebagai filter cahaya. Lapisan multilayer juga digunakan untuk meningkatkan reflektifitas cermin teleskop astronomi, serta resonator optik laser. Interferometri - metode pengukuran yang tepat yang digunakan untuk mencatat perubahan kecil dalam jarak relatif - didasarkan pada pengamatan pergeseran pita gelap dan cahaya yang dihasilkan oleh cahaya yang dipantulkan. Misalnya, mengukur bagaimana pola interferensi akan berubah memungkinkan seseorang untuk membuat kelengkungan permukaan komponen optik dalam fraksi panjang gelombang optik.