Les phénomènes d'interférence. Conditions du maximum et minimum

Les phénomènes d'interférence – il est des bandes claires ou foncées qui sont causées par les rayons qui sont en phase ou en opposition de phase avec l'autre. Les ondes lumineuses et analogues sont ajoutés lors de l'application, si les phases coïncident (dans le sens d'augmentation ou de diminution), ou ils annulent mutuellement si elles sont en opposition de phase. Ces phénomènes sont appelés interférence constructive et destructive, respectivement. Si le faisceau de lumière monochromatique, toutes les ondes qui ont la même longueur, passe par deux fentes étroites (l'expérience a été menée en 1801 par Thomas Young, scientifique anglais, qui, grâce à lui est venu à la conclusion que la nature ondulatoire de la lumière), deux du faisceau résultant peut être dirigé sur un écran plat qui, au lieu des deux points qui se chevauchent sont formées des franges d'interférence – alternant uniformément motif de zones claires et sombres. Ce phénomène est utilisé, par exemple, dans tous les interféromètres optiques.

superposition

La caractéristique essentielle d'une superposition d'ondes qui décrit le comportement des ondes superposées. Son principe réside dans le fait que, lorsque dans l'espace de deux ondes superposées, la perturbation résultante est égale à la somme algébrique des perturbations individuelles. Parfois, dans les grandes perturbations cette règle est violée. Ce comportement simple, conduit à un certain nombre d'effets que l'on appelle des phénomènes d'interférence.

Le phénomène d'interférence est caractérisé par deux extrêmes. Les deux ondes constructive maxima coïncident, et ils sont en phase les uns avec les autres. Le résultat de la superposition est le renforcement de la perturbation. L'amplitude de l'onde mélangée résultante est égale à la somme des amplitudes individuelles. A l'inverse, une interférence destructive dans un maximum d'une onde coïncide avec le minimum seconde – ils sont en opposition. L'amplitude de l'onde combinée est égale à la différence entre les amplitudes de ses parties constitutives. Dans le cas où ils sont égaux, il est l'interférence destructive complète et perturbation du milieu total est égal à zéro.

L'expérience de jeune

Le motif d'interférence des deux sources indique clairement la présence des vagues qui se chevauchent. Thomas Young a suggéré que la lumière – une vague qui obéit au principe de superposition. Sa célèbre réalisation a été la démonstration expérimentale du constructive et destructive interférence de la lumière en 1801 La version moderne de l'expérience de Young dans la nature ne diffère que par le fait qu'elle utilise des sources de lumière cohérente. Laser éclaire uniformément deux fentes parallèles dans la surface opaque. La lumière qui passe à travers eux, il y a un écran distant. Lorsque la largeur entre les fentes est sensiblement supérieure à la longueur d'onde, les règles de l'optique géométrique observées – vu sur l'écran deux zones illuminées. Cependant, l'approche de fentes lumière diffractée et des vagues sur l'écran sont superposées les unes des autres. Lui-même est une Diffraction conséquence de la nature ondulatoire de la lumière, et encore un autre exemple de cet effet.

Le motif d'interférence

Le principe de superposition détermine la distribution d'intensité résultante sur l'écran lumineux. Le motif d'interférence se produit lorsque la différence de trajet à partir de la fente de l'écran est égal au nombre entier de longueurs d'onde (0, λ, 2λ, …). Cette différence garantit que des sommets viennent en même temps. l'interférence destructive se produit lorsque la différence de trajet égale à un nombre entier de longueurs d'onde décalée de la moitié (λ / 2, 3λ / 2, …). Jung a utilisé des arguments géométriques pour montrer que la superposition conduit à une série de bandes espacées de façon égale ou zones de forte intensité correspondant aux régions d'interférence constructive, séparés par des zones sombres pleins destructive.

Entraxe

Une importante géométrie de paramètre avec deux fentes est le rapport de la longueur d'onde λ de la lumière et la distance entre les trous d. Si λ / d est beaucoup inférieur à 1, la distance entre les bandes sera faible et les effets qui se chevauchent ne sont pas respectées. En utilisant des fentes rapprochées, Jung a pu diviser les zones claires et sombres. Ainsi, il a déterminé les longueurs d'onde de couleurs de lumière visible. Leur valeur extrêmement faible explique pourquoi ces effets sont observés que dans certaines conditions. Pour diviser les zones d'interférence constructive et destructive, la distance entre la source des ondes lumineuses doit être très faible.

longueur d'ondes

Observation des effets d'interférence est difficile pour deux autres raisons. La plupart des sources de lumière émet un spectre de longueurs d'onde continue, entraînant la formation de plusieurs modèles d'interférences superposées les unes aux autres, chacune avec un intervalle entre les bandes. Cela élimine les effets les plus prononcés, comme les zones d'obscurité complète.

cohésion

Cette ingérence a pu être observée sur une longue période de temps, il est nécessaire d'utiliser des sources de lumière cohérente. Cela signifie que les sources de rayonnement doivent maintenir une relation de phase constante. Par exemple, deux ondes harmoniques de la même fréquence ont toujours une relation de phase fixe pour chaque point de l'espace – soit en phase ou en opposition de phase, ou dans un état intermédiaire. Cependant, la plupart des sources de lumière émet la véritable onde harmonique. , Ils émettent la lumière au lieu, dans lequel le changement de phase aléatoire se produit des millions de fois par seconde. Un tel rayonnement est appelé incohérent.

source idéale – laser

L'interférence est encore observée lorsque les ondes superposées dans l'espace de deux sources incohérentes, mais des motifs d'interférence varie de façon aléatoire, avec un décalage de phase aléatoire. Les capteurs de lumière, y compris les yeux, ne peuvent pas enregistrer une image en évolution rapide, et que l'intensité moyenne du temps. Le faisceau laser est presque monochromatique (m. E. se compose d'une seule longueur d'onde) et un hautement. Il est une source de lumière idéale pour observer les effets d'interférence.

Détermination de la fréquence

Après Jung 1802 de longueurs d'onde de mesure de la lumière visible peut être corrélée avec une vitesse suffisamment précise de la lumière disponible au moment de calculer sa fréquence approximative. Par exemple, la lumière verte est égale à environ 6 × Octobre ¹⁴ Hz. Ceci est plusieurs ordres de grandeur supérieure à la fréquence des vibrations mécaniques. A titre de comparaison, une personne peut entendre le son avec des fréquences jusqu'à 2 x ¹⁰ Hz Avril. Ce qui varie exactement à un rythme toujours resté un mystère pour les 60 prochaines années.

Interférence dans les couches minces

Les effets observés ne sont pas limités à la géométrie de la double fente utilisée par Thomas Young. Quand il y a une réflexion et la réfraction des rayons des deux surfaces séparées par une distance comparable à la longueur d'onde, l'interférence se produit dans des couches minces. Le rôle du film entre les surfaces peut jouer un vide, de l'air, de liquide ou de tout corps solide transparent. En effet d'interférence lumière visible sont limitées par la taille de quelques micromètres. Un exemple connu de tout le film est une bulle. La lumière réfléchie par elle, est une superposition de deux ondes – une est réfléchie par la surface avant, et le second – sur le dos. Ils se chevauchent dans l'espace et a ajouté à l'autre. En fonction de l'épaisseur du film de savon, deux ondes peuvent interagir constructive ou destructive. Un calcul complet de la figure d'interférence indique que pour la lumière présentant une longueur d'onde λ interférence constructive est observée pour une épaisseur de film de λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, etc., et destructrice – .. à X / 2, λ, 3λ / 2, …

Les formules de calcul

phénomène d'interférence a été de nombreuses utilisations, il est donc important de comprendre l'équation de base s'y rapportant. Les équations suivantes permettent le calcul des différentes valeurs associées à l'interférence, pour ses deux cas les plus courants.

bandes de lumière Emplacement dans l'expérience de Young, .. Ie sites avec une interférence constructive peuvent être calculées en utilisant l'expression: y _{est lumière.} = (ΛL / d) m, où λ – longueur d'onde; m = 1, 2, 3, …; d – la distance entre les fentes; L – distance de la cible.

.. Lieu des bandes sombres, à savoir les zones d'interaction destructrice est donnée par: y _{est sombre.} = (ΛL / d) (m + 1/2).

Pour d'autres interférences des espèces – en films minces – la présence de superposition constructive ou destructive détermine le déphasage des ondes réfléchies, qui dépend de l'épaisseur du film et l'indice de réfraction de celui-ci. La première équation décrit le cas d'absence d'un tel changement, et la seconde – un décalage de moitié la longueur d'onde:

2NT = mλ;

2NT = (m + 1/2) λ.

Ici, λ – longueur d'onde; m = 1, 2, 3, …; t – chemin parcouru dans le film; n – indice de réfraction.

Observation dans la nature

Quand le soleil brille sur la bulle, vous pouvez voir les bandes de couleurs vives, puisque les différentes longueurs d'onde sont soumises à une interférence destructive et retirés de la réflexion. La lumière réfléchie restante apparaît comme une suppression de couleur complémentaire. Par exemple, si à la suite d'une interférence destructive est absent composante rouge, la réflexion sera bleu. Le film mince d'huile sur l'eau produit un effet similaire. Dans la nature, les plumes de certains oiseaux, y compris des paons et des oiseaux-mouches, et les coquilles de certains coléoptères apparaissent plus claires, tout en changeant de couleur lorsque vous changez l'angle de vue. la physique optique est ici l'interférence des ondes lumineuses réfléchies par les couches minces de structures ou réseaux réfléchissants tiges. De même perles et coquille sont l'iris, en raison de la superposition des réflexions de plusieurs couches de nacre. Les pierres précieuses telles que l'opale, présentent de belles figures d'interférence provoquées par la diffusion de la lumière à partir de structures régulières formées par des particules microscopiques sphériques.

application

Il existe de nombreuses applications technologiques des phénomènes d'interférence lumineuse dans la vie de tous les jours. Ils sont basés optique de la caméra physique. lentilles normale revêtement antireflet est un film mince. Son épaisseur et de la réfraction des rayons sont choisis pour produire une interférence destructive de la lumière visible réfléchie. des revêtements plus spécialisés, comprenant des couches multiples de films minces destinés à ne laisser passer que le rayonnement dans une plage de longueur d'onde étroite et sont donc utilisés en tant que filtres. revêtements multicouches sont également utilisés pour augmenter la réflectivité des miroirs de télescopes astronomiques, ainsi que les résonateurs laser optiques. Interférométrie – Méthodes de mesure précises utilisées pour l'enregistrement des petits changements dans la distance relative – est basée sur l'observation des variations de la lumière et des bandes sombres produites par la lumière réfléchie. Par exemple, une mesure de la façon dont le motif d'interférence change, permet de régler la courbure des surfaces des composants optiques dans un des lobes de longueurs d'onde optiques.