Застосування інтерференції, інтерференція в тонкій плівці

Сьогодні ми розповімо про застосування інтерференції в науці та повсякденному житті, розкриємо фізичний зміст цього явища і розповімо про історію його відкриття.

Визначення і розподілу

Перш ніж говорити про значущість того чи іншого феномену в природі і техніці, для початку необхідно дати визначення. Сьогодні ми розглядаємо явище, яке школярі вивчають на уроках фізики. Тому до опису практичного застосування інтерференції звернемося до підручника. Для початку необхідно зазначити, що це явище відноситься до всіх видів хвиль: до тих, що виникають на поверхні води або при дослідженні. Отже, інтерференція – це збільшення або зменшення амплітуди двох когерентних хвиль, яке виникає, якщо вони зустрічаються в одній точці простору. Максимуми в такому випадку називаються пучностями, а мінімуми – вузлами. У цьому визначенні фігурують деякі властивості коливальних процесів, які ми розкриємо трохи пізніше.


Картина, яка виходить в результаті накладення хвиль один на одного (а їх може бути дуже багато) залежить тільки від різниці фаз, в якій коливання приходять в одну точку простору.

Світло – це також хвиля

До такого висновку вчені прийшли вже в шістнадцятому столітті. Основи оптики як науки заклав всесвітньо відомий англійський вчений Ісаак Ньютон. Саме він вперше усвідомив, що світ складається з певних елементів, від кількості яких залежить його колір. Вчений відкрив явище дисперсії та рефракції. І він першим спостерігав інтерференцію світла на лінзах. Ньютон вивчав такі властивості променів, як кут заломлення в різних середовищах, подвійне заломлення, поляризація. Йому належить заслуга першого застосування інтерференції хвиль на благо людства. І саме Ньютон зрозумів, що не будь світло коливанням, він би не виявляв всі ці характеристики.

Властивості світла

До хвильових властивостей світла відносяться:

Довжина хвилі. Це відстань між двома сусідніми максимумами одного коливання. Саме довжина хвилі визначає колір і енергію видимого випромінювання.

Частота. Це кількість повних хвиль, які можуть відбутися за одну секунду. Величина виражається в Герцах і обернено пропорційна довжині хвилі.

Амплітуда. Це «висота» або «глибина» коливання. Величина прямо змінюється при інтерференції двох коливань. Амплітуда показує, наскільки сильно обурилося електромагнітне поле, щоб породити саме цю хвилю. Ще вона задає напруженість поля.

Фаза хвилі. Це та частина коливання, яка досягається в даний момент часу. Якщо дві хвилі зустрілися в одній точці при інтерференції, то їх різниця фаз буде виражатися в одиницях ?.

Когерентними називають електромагнітні випромінювання з однаковими характеристиками. Когерентність двох хвиль передбачає постійність їх різниці фаз. Природних джерел такого випромінювання не існує, вони створюються тільки штучним шляхом.

Застосування перше – наукове

Сер Ісаак багато і наполегливо працював над властивостями світла. Він спостерігав за тим, як саме пучок променів веде себе при зустрічі з призмою, циліндром, пластиною і лінзою з різних заломлюючих прозорих середовищ. Одного разу Ньютон поклав на скляну пластинку скляну ж опуклу лінзу кривий поверхнею вниз і направив на конструкцію потік паралельних променів. В результаті з центру лінзи радіально розходилися яскраві і темні кільця. Учений відразу здогадався, що таке явище може спостерігатися, тільки якщо у світі є якесь періодичне властивість, яка де-то гасить пучок, а десь, навпаки, посилює його. Так як відстань між кільцями залежало від кривизни лінзи, то Ньютон зміг приблизно порахувати довжину хвилі коливання. Таким чином, англійський учений вперше знайшов конкретне застосування явища інтерференції.

Інтерференція на щілини

Подальші дослідження властивостей світла вимагали постановки і проведення нових дослідів. Спочатку вчені навчилися створювати когерентні пучки з досить різнорідних джерел. Для цього потік від лампи, свічки або сонця ділився на два з допомогою оптичних пристосувань. Наприклад, коли промінь падає на скляну пластинку під кутом 45 градусів, то частина заломлюється і проходить далі, а частина відбивається. Якщо за допомогою лінз і призм зробити ці потоки паралельними, різниця фаз в них буде постійною. А щоб у дослідах світло не виходив віялом з точкового джерела, пучок робили паралельним з допомогою близькофокусної лінзи. Коли вчені навчилися всім цим маніпуляціям зі світлом, вони стали вивчати явище інтерференції на різних отворах, у тому числі на вузькій щілині або ряді щілин.

Інтерференція і дифракція

Описаний вище досвід став можливий завдяки іншому властивості світла – дифракції. Долаючи перешкоду досить маленьке, щоб зрівнятися з довжиною хвилі, коливання здатне змінити напрям свого поширення. Завдяки цьому після вузької щілини частина пучка змінює напрям поширення і взаємодіє з променями, які не змінювали кута нахилу. Тому застосування інтерференції і дифракції неможливо відокремити один від одного.

Моделі і реальність

До цього моменту ми користувалися моделлю ідеального світу, в якому всі пучки світла паралельні один одному і когерентни. Також в простому описі інтерференції мається на увазі те, що завжди зустрічаються випромінювання з однаковими довжинами хвиль. Але в реальності все не так: світло найчастіше білий, він складається з усіх електромагнітних коливань, які надає Сонце. А значить, інтерференція відбувається за більш складним законам.

Тонкі плівки

Найбільш наочний приклад такого роду взаємодії світла – це падіння пучка світла на тонку плівку. Коли в міській калюжі є крапля бензину, поверхня переливається всіма кольорами веселки. І це наслідок саме інтерференції. Світло падає на поверхню плівки, заломлюється, падає на границю бензину і води, відбивається, заломлюється. У результаті на виході хвиля зустрічається сама з собою. Таким чином, хвилі гасяться всі, крім тих, для яких виконується одна умова: товщина плівки кратна полуцелой довжині хвилі. Тоді на виході коливання буде зустрічатися саме з собою двома максимумами. Якщо ж товщина покриття дорівнює цілій довжині хвилі, тоді на виході відбудеться накладення максимуму на мінімум, і випромінювання погасить саме себе. З цього випливає, що чим товще плівка, тим більше повинна бути довжина хвилі, яка вийде з неї без втрат. Фактично тонка плівка сприяє виділенню окремих кольорів з усього спектра і може використовуватися в техніці.

Фотосесії і гаджети

Як не дивно, деякі застосування інтерференції знайомі всім модницям світу. Основна робота красивої дівчини-моделі – добре виглядати перед камерами. До фотосесії професіоналів жінок готує ціла бригада: стиліст, візажист, дизайнер одягу та інтер'єру, редактор журналу. Докучливі папараці можуть підстерегти модель на вулиці, вдома, в смішний одязі і безглуздій позі, а потім виставити знімки на загальний огляд. Але для всіх фотографів важливо гарне обладнання. Деякі апарати можуть коштувати кілька тисяч доларів. Серед основних характеристик такого обладнання обов'язково буде значитися просвітлення оптики. І знімки з такого апарату будуть відрізнятися досить високою якістю. Відповідно, і знята без підготовки зірка теж буде виглядати не так вже і непривабливо.

Окуляри, мікроскопи, зірки

Основа такого явища – інтерференція в тонких плівках. Це цікавий і поширений феномен. І знаходить інтерференція світла застосування в техніці, яку деякі тримають у руках кожен день. Людське око краще сприймає зелений колір. Тому фотографії красивих дівчат не повинні містити похибки саме в цій області спектра. Якщо на поверхню камери нанести плівку з конкретної товщиною, то таке обладнання не буде мати відблисків зеленого кольору. Якщо уважний читач коли-небудь помічав такі деталі, то його повинно було вразити наявність тільки червоних і фіолетових відсвітів. Така ж плівка наноситься на скельця окулярів. Але якщо мова йде не про людське око, а про безпристрасному приладі? Наприклад, мікроскоп повинен зареєструвати інфрачервоний спектр, а телескоп – вивчити ультрафіолетові складові зірок. Тоді наноситься просветляющая плівка іншої товщини.