ინტერფერენციული შაბლონები არის მსუბუქი ან მუქი ზოლები, რომლებიც გამოწვეულია სხივებით, რომლებიც ფაზაში ან ფაზაში არიან ერთმანეთთან. როდესაც ზედმიწევნით, მსუბუქი და მსგავსი ტალღები ემატება, თუ მათი ფაზები ემთხვევა (როგორც ზრდის, ისე შემცირების მიმართულებით), ან ანაზღაურებენ ერთმანეთს, თუ ისინი ანტიფაზაში არიან. ამ ფენომენებს, შესაბამისად, კონსტრუქციულ და დესტრუქციულ ჩარევას უწოდებენ. თუ მონოქრომატული გამოსხივების სხივი, რომელთაგან ყველა ერთნაირი ტალღის სიგრძეა, გადის ორ ვიწრო ჭრილში (ექსპერიმენტი პირველად 1801 წელს ჩაატარა ინგლისელმა მეცნიერმა თომას იანგმა, რომელიც მისი წყალობით მივიდა დასკვნამდე ტალღის ბუნების შესახებ. სინათლის), ორი მიღებული სხივი შეიძლება იყოს მიმართული ბრტყელ ეკრანზე, რომელზედაც ორი გადახურული ლაქის ნაცვლად იქმნება ჩარევის ზღურბლები - სინათლისა და ბნელი უბნების თანაბრად მონაცვლეობის ნიმუში. ეს ფენომენი გამოიყენება, მაგალითად, ყველა ოპტიკურ ინტერფერომეტრში.
ზედმეტად
ყველა ტალღის განმსაზღვრელი მახასიათებელია სუპერპოზიცია, რომელიც აღწერს ზედმიწევნითი ტალღების ქცევას. მისი პრინციპია, როდესაც სივრცეშითუ ორზე მეტი ტალღა ზედმეტად არის გადანაწილებული, მაშინ მიღებული აშლილობა უდრის ცალკეული არეულობების ალგებრულ ჯამს. ზოგჯერ ეს წესი ირღვევა დიდი აშლილობის დროს. ეს მარტივი ქცევა იწვევს ეფექტების სერიას, რომელსაც ეწოდება ჩარევის ფენომენი.
ჩარევის ფენომენი ხასიათდება ორი უკიდურესი შემთხვევით. კონსტრუქციულ მაქსიმუმში ორი ტალღა ემთხვევა და ისინი ფაზაში არიან ერთმანეთთან. მათი სუპერპოზიციის შედეგია შემაშფოთებელი ეფექტის ზრდა. მიღებული შერეული ტალღის ამპლიტუდა უდრის ცალკეული ამპლიტუდების ჯამს. და, პირიქით, დესტრუქციულ ჩარევაში ერთი ტალღის მაქსიმუმი ემთხვევა მეორეს მინიმუმს - ისინი ანტიფაზაში არიან. კომბინირებული ტალღის ამპლიტუდა უდრის სხვაობას მისი შემადგენელი ნაწილების ამპლიტუდას შორის. იმ შემთხვევაში, როდესაც ისინი ტოლია, დესტრუქციული ჩარევა დასრულებულია და საშუალო არეულობა ნულის ტოლია.
იუნგის ექსპერიმენტი
ჩარევის ნიმუში ორი წყაროდან ნათლად მიუთითებს გადახურვის ტალღების არსებობაზე. თომას იუნგი ვარაუდობს, რომ სინათლე არის ტალღა, რომელიც ემორჩილება სუპერპოზიციის პრინციპს. მისი ცნობილი ექსპერიმენტული მიღწევა იყო სინათლის კონსტრუქციული და დესტრუქციული ჩარევის დემონსტრირება 1801 წელს. იანგის ექსპერიმენტის თანამედროვე ვერსია არსებითად განსხვავდება მხოლოდ იმით, რომ იგი იყენებს თანმიმდევრულ სინათლის წყაროებს. ლაზერი ერთნაირად ანათებს ორ პარალელურ ჭრილს გაუმჭვირვალე ზედაპირზე. მათში გამავალი სინათლე შეინიშნება დისტანციურ ეკრანზე. როდესაც სლოტებს შორის სიგანე გაცილებით მეტია ვიდრეტალღის სიგრძე, დაცულია გეომეტრიული ოპტიკის წესები - ეკრანზე ორი განათებული უბანი ჩანს. თუმცა, როდესაც ჭრილები ერთმანეთს უახლოვდება, სინათლე იფანტება და ეკრანზე ტალღები ერთმანეთს ეფარება. დიფრაქცია თავისთავად სინათლის ტალღური ბუნების შედეგია და ამ ეფექტის კიდევ ერთი მაგალითია.
ჩარევის ნიმუში
სუპერპოზიციის პრინციპი განსაზღვრავს მიღებული ინტენსივობის განაწილებას განათებულ ეკრანზე. ჩარევის ნიმუში ჩნდება, როდესაც ბილიკის განსხვავება ჭრილიდან ეკრანამდე ტოლია ტალღის სიგრძის მთელი რიცხვის (0, λ, 2λ, …). ეს განსხვავება უზრუნველყოფს მწვერვალების ერთსა და იმავე დროს მიღწევას. დესტრუქციული ჩარევა ხდება მაშინ, როდესაც ბილიკის სხვაობა არის ტალღის სიგრძის მთელი რიცხვი, რომელიც გადაადგილებულია ნახევრად (λ/2, 3λ/2, …). იუნგმა გამოიყენა გეომეტრიული არგუმენტები იმის დასანახად, რომ სუპერპოზიცია იწვევს თანაბრად განლაგებული ზღურბლების ან მაღალი ინტენსივობის ლაქების სერიას, რომელიც შეესაბამება კონსტრუქციული ჩარევის უბნებს, რომლებიც გამოყოფილია მთლიანი დესტრუქციული ჩარევის მუქი ლაქებით.
მანძილი ხვრელებს შორის
ორმაგი ჭრილის გეომეტრიის მნიშვნელოვანი პარამეტრია სინათლის ტალღის სიგრძის თანაფარდობა λ ხვრელებს შორის მანძილს d. თუ λ/d არის 1-ზე ბევრად ნაკლები, მაშინ მანძილი ფრთებს შორის იქნება მცირე და არ შეინიშნება გადახურვის ეფექტი. მჭიდროდ დაშორებული ნაპრალების გამოყენებით, იუნგმა შეძლო ბნელი და მსუბუქი ადგილების გამიჯვნა. ამრიგად, მან განსაზღვრა ხილული სინათლის ფერების ტალღის სიგრძე. მათი უკიდურესად მცირე სიდიდე განმარტავს, თუ რატომ შეინიშნება მხოლოდ ეს ეფექტებიგარკვეულ პირობებში. კონსტრუქციული და დესტრუქციული ჩარევის არეების გამოსაყოფად, სინათლის ტალღების წყაროებს შორის მანძილი უნდა იყოს ძალიან მცირე.
ტალღის სიგრძე
ჩარევის ეფექტებზე დაკვირვება რთულია კიდევ ორი მიზეზის გამო. სინათლის წყაროების უმეტესობა ასხივებს ტალღის სიგრძის უწყვეტ სპექტრს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება მრავლობითი ჩარევის შაბლონები ერთმანეთზე, თითოეულს აქვს საკუთარი მანძილი ზღურბლებს შორის. ეს გააუქმებს ყველაზე გამოხატულ ეფექტებს, როგორიცაა სრული სიბნელის არეები.
თანმიმდევრულობა
იმისათვის, რომ ჩარევა დაფიქსირდეს დიდი ხნის განმავლობაში, უნდა იქნას გამოყენებული თანმიმდევრული სინათლის წყაროები. ეს ნიშნავს, რომ რადიაციის წყაროებმა უნდა შეინარჩუნონ მუდმივი ფაზის ურთიერთობა. მაგალითად, ერთი და იგივე სიხშირის ორ ჰარმონიულ ტალღას ყოველთვის აქვს ფიქსირებული ფაზური ურთიერთობა სივრცის თითოეულ წერტილში - ან ფაზაში, ან ანტიფაზაში, ან რაიმე შუალედურ მდგომარეობაში. თუმცა, სინათლის წყაროების უმეტესობა არ ასხივებს ნამდვილ ჰარმონიულ ტალღებს. ამის ნაცვლად, ისინი ასხივებენ შუქს, რომელშიც შემთხვევითი ფაზის ცვლილებები ხდება წამში მილიონჯერ. ასეთ გამოსხივებას არათანმიმდევრული ეწოდება.
იდეალური წყაროა ლაზერი
ინტერფერენცია კვლავ შეინიშნება, როდესაც სივრცეში ორი არათანმიმდევრული წყაროს ტალღები ზემოდან არის გადანაწილებული, მაგრამ ჩარევის შაბლონები იცვლება შემთხვევით, შემთხვევითი ფაზის ცვლასთან ერთად. სინათლის სენსორები, თვალების ჩათვლით, სწრაფად ვერ აღრიცხავენიცვლება სურათი, მაგრამ მხოლოდ დროის საშუალო ინტენსივობა. ლაზერის სხივი თითქმის მონოქრომატულია (ანუ შედგება ერთი ტალღის სიგრძისგან) და უაღრესად თანმიმდევრული. ეს არის იდეალური სინათლის წყარო ჩარევის ეფექტებზე დასაკვირვებლად.
სიხშირის გამოვლენა
1802 წლის შემდეგ, იუნგის მიერ ხილული სინათლის გაზომილი ტალღის სიგრძე შეიძლება დაკავშირებული იყოს სინათლის არასაკმარისად ზუსტ სიჩქარესთან, რომელიც ხელმისაწვდომი იყო იმ დროს მისი სიხშირის მიახლოებით. მაგალითად, მწვანე შუქისთვის ეს არის დაახლოებით 6×1014 ჰც. ეს მექანიკური ვიბრაციების სიხშირეზე ბევრად მეტია. შედარებისთვის, ადამიანს შეუძლია გაიგოს ხმა 2×104 ჰც-მდე სიხშირით. კონკრეტულად რა მერყეობდა ასეთი ტემპით, საიდუმლო დარჩა მომდევნო 60 წლის განმავლობაში.
თხელ ფენებში ჩარევა
დაკვირვებული ეფექტები არ შემოიფარგლება თომას იანგის მიერ გამოყენებული ორმაგი ჭრილის გეომეტრიით. როდესაც სხივები აირეკლება და ირღვევა ორი ზედაპირიდან, რომლებიც გამოყოფილია ტალღის სიგრძის მანძილით, ჩარევა ხდება თხელ ფილმებში. ზედაპირებს შორის ფილმის როლი შეიძლება შეასრულოს ვაკუუმმა, ჰაერმა, ნებისმიერი გამჭვირვალე სითხე ან მყარი. ხილულ შუქზე, ჩარევის ეფექტები შემოიფარგლება რამდენიმე მიკრომეტრის ზომით. ფილმის ცნობილი მაგალითია საპნის ბუშტი. მისგან არეკლილი სინათლე არის ორი ტალღის სუპერპოზიცია - ერთი აირეკლება წინა ზედაპირიდან, ხოლო მეორე - უკანა მხრიდან. ისინი ერთმანეთს ემთხვევა სივრცეში და ეწყობა ერთმანეთს. დამოკიდებულია საპნის სისქეზეფილმებს, ორ ტალღას შეუძლია ურთიერთქმედება კონსტრუქციულად ან დესტრუქციულად. ჩარევის ნიმუშის სრული გაანგარიშება გვიჩვენებს, რომ სინათლისთვის ერთი ტალღის სიგრძით λ, კონსტრუქციული ჩარევა შეინიშნება ფირის სისქისთვის λ/4, 3λ/4, 5λ/4 და ა.შ., ხოლო დესტრუქციული ჩარევა შეინიშნება λ/2. λ, 3λ/ 2, …
გამოთვლის ფორმულები
ჩარევის ფენომენს მრავალი გამოყენება აქვს, ამიტომ მნიშვნელოვანია ჩართული ძირითადი განტოლებების გაგება. შემდეგი ფორმულები საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ ჩარევასთან დაკავშირებული სხვადასხვა რაოდენობა ორი ყველაზე გავრცელებული ჩარევის შემთხვევისთვის.
იუნგის ექსპერიმენტში კაშკაშა ფარდების მდებარეობა, ანუ კონსტრუქციული ჩარევის მქონე არეები, შეიძლება გამოითვალოს გამოთქმის გამოყენებით: yნათელი.=(λL/d)m, სადაც λ. არის ტალღის სიგრძე; m=1, 2, 3, …; d არის მანძილი სლოტებს შორის; L არის მანძილი სამიზნემდე.
მუქი ზოლების მდებარეობა, ანუ დესტრუქციული ურთიერთქმედების არეები, განისაზღვრება ფორმულით: yმუქი.=(λL/d)(m+1/2).
სხვა ტიპის ინტერფერენციისთვის - თხელ ფენებში - კონსტრუქციული ან დესტრუქციული სუპერპოზიციის არსებობა განსაზღვრავს არეკლილი ტალღების ფაზურ ცვლას, რაც დამოკიდებულია ფირის სისქეზე და მის გარდატეხის ინდექსზე. პირველი განტოლება აღწერს ასეთი გადაადგილების არარსებობის შემთხვევას, ხოლო მეორე აღწერს ნახევრად ტალღის სიგრძის ცვლას:
2nt=მλ;
2nt=(m+1/2) λ.
აქ λ არის ტალღის სიგრძე; m=1, 2, 3, …; t არის ფილმში გავლილი გზა; n არის გარდატეხის ინდექსი.
დაკვირვება ბუნებაში
როდესაც მზე ანათებს საპნის ბუშტს, ნათელი ფერის ზოლები ჩანს, რადგან სხვადასხვა ტალღის სიგრძე ექვემდებარება დესტრუქციულ ჩარევას და ამოღებულია ანარეკლიდან. დარჩენილი არეკლილი შუქი შორეულ ფერებს ავსებს. მაგალითად, თუ არ არის წითელი კომპონენტი დესტრუქციული ჩარევის შედეგად, მაშინ ანარეკლი ლურჯი იქნება. მსგავს ეფექტს იძლევა წყალზე ზეთის თხელი ფენები. ბუნებაში, ზოგიერთი ფრინველის ბუმბული, მათ შორის ფარშევანგისა და კოლიბრის ჩათვლით, და ზოგიერთი ხოჭოს ნაჭუჭები მოლურჯო ჩანს, მაგრამ ფერს იცვლის ხედვის კუთხით. ოპტიკის ფიზიკა აქ არის არეკლილი სინათლის ტალღების ჩარევა თხელი ფენიანი სტრუქტურებიდან ან ამრეკლავი ღეროების მასივებიდან. ანალოგიურად, მარგალიტსა და ნაჭუჭს აქვს ირისი, მარგალიტის დედის რამდენიმე ფენის ანარეკლების სუპერპოზიციის წყალობით. ძვირფასი ქვები, როგორიცაა ოპალი, ავლენენ ლამაზ ინტერფერენციულ ნიმუშებს მიკროსკოპული სფერული ნაწილაკების მიერ წარმოქმნილი ჩვეულებრივი ნიმუშებიდან სინათლის გაფანტვის გამო.
აპლიკაცია
არსებობს სინათლის ჩარევის ფენომენის მრავალი ტექნოლოგიური გამოყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში. მათზეა დაფუძნებული კამერის ოპტიკის ფიზიკა. ლინზების ჩვეულებრივი ანტირეფლექსური საფარი არის თხელი ფილმი. მისი სისქე და გარდატეხა არჩეულია არეკლილი ხილული სინათლის დესტრუქციული ჩარევის შესაქმნელად. უფრო სპეციალიზებული საფარები შედგებათხელი ფირის რამდენიმე ფენა შექმნილია რადიაციის გადასაცემად მხოლოდ ვიწრო ტალღის დიაპაზონში და, შესაბამისად, გამოიყენება როგორც სინათლის ფილტრები. მრავალშრიანი საფარი ასევე გამოიყენება ასტრონომიული ტელესკოპის სარკეების, ასევე ლაზერული ოპტიკური ღრუების არეკვლის ასამაღლებლად. ინტერფერომეტრია - ზუსტი გაზომვის მეთოდები, რომლებიც გამოიყენება ფარდობით დისტანციებზე მცირე ცვლილებების დასადგენად - ეფუძნება ბნელ და ნათელ ზოლების ცვლილებებზე დაკვირვებას, რომლებიც შექმნილია არეკლილი სინათლის მიერ. მაგალითად, გაზომვა, თუ როგორ შეიცვლება ჩარევის ნიმუში, საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ ოპტიკური კომპონენტების ზედაპირის გამრუდება ოპტიკური ტალღის სიგრძის ფრაქციებში.
