L'uso di interferenze luminose

Oggi parleremo delle principali applicazioni di interferenza in varie aree dell'attività umana. Cerchiamo di rivelare l'essenza di questo fenomeno e come spiegarlo dal punto di vista della teoria ondulatoria della luce.

Mare, vento, luce

Questo titolo può ispirare una buona vacanza estiva o vacanza. Dalla combinazione di parole e colpi brezza salata, sole splendente e un senso di libertà. Ma oltre alle associazioni naturali, tutti questi fenomeni hanno una caratteristica comune: sono oscillazioni di qualche tipo di ambiente. Il vento sta da solo in questo senso. Le sue onde sono alternativamente più rarefatte e più dense d'aria. Tali vibrazioni sono chiamate trasversali. Certo, obbediscono alle leggi oscillatorie, ma sono ancora in qualche modo diversi dagli altri tipi di onde.

La luce e la superficie dell'acqua hanno più in comune. Tali onde sono lo spostamento del mezzo su e giù, la sua densità non cambia. Un buon oggetto del modello in questo caso è il grafico del seno o del coseno. Se immaginiamo che un punto si muova lungo la superficie di questi cambiamenti ritmici, allora sarà molto simile a un'onda elettromagnetica.

Su, giù, avanti

Prima di parlare interferenza della luce e il suo uso in tecnologia, devi prima affrontarlo onde elettromagnetiche. Le oscillazioni del campo elettromagnetico ed è l'essenza dei raggi del sole.

La luce è un flusso di particelle chiamato "fotone". Ogni fotone è un singolo pacchetto di energia indivisibile, o quantico. Si muove attraverso lo spazio in avanti finché non incontra un ostacolo. E non appena ciò accade, può succedere quanto segue:

• la materia assorbirà un fotone, prendendo la sua energia (il fenomeno è chiamato assorbimento);
• la sostanza assorbirà un fotone della stessa lunghezza d'onda e si irradierà leggermente modificato (questo è il fenomeno della diffusione della luce);
• il fotone cambia la direzione di propagazione (a causa della rifrazione o della riflessione).

All'interno del pacchetto energetico chiamato "fotone" c'è una costante oscillazione del campo elettromagnetico. Inoltre, ogni quanto ha le sue caratteristiche. Mentre il fotone si muove, le sue proprietà rimangono invariate.

Proprietà dei fotoni di luce

I quanti elettromagnetici sono onde. Pertanto, hanno proprietà come:

• lunghezza d'onda (λ);
• frequenza (ν);
• ampiezza (A);
• polarizzazione (lineare, circolare, ellittica);
• direzione di propagazione.

lunghezza d'onda e la frequenza è correlata dalla relazione λν = c, dove c è la velocità della luce nel pieno vuoto. Cioè, queste due quantità sono inversamente proporzionali l'una all'altra: se una è conosciuta, allora l'altra è molto facile da trovare. La seguente affermazione è anche vera: maggiore è la frequenza e più breve è la lunghezza d'onda del fotone, maggiore è l'energia trasportata dalla particella.

Nella scala delle onde elettromagnetiche, la luce rossa ha una frequenza inferiore al blu. Cioè, i fotoni rossi sono più "freddi". Allo stesso tempo, l'acqua calda è indicata in rubinetti in rosso e acqua fredda in blu ad alta energia. Ovviamente, il colore della pelle umana sotto l'influenza della temperatura è stato preso come base e non lo spettro elettromagnetico.

Incontro sui campi elettromagnetici

Un po 'più in alto abbiamo detto: se un fotone incontra un ostacolo, si dissolve nella sostanza, perde la sua individualità. Ma cosa succederà quando due fotoni si incontrano in un punto nello spazio?

Se la finzione esistesse nel mondo delle particelle elementari, sarebbe simile a questa:

"In una meravigliosa transizione quantica, un fotone indotto ha deciso di lasciare l'interno della stella e respirare nuovi neutrini. Camminò attraverso lo spazio della sua galassia alla velocità della luce e improvvisamente incontrò un altro simile fotone ... "

In effetti, ciò che succede dopo dipende dalla fase in cui i due quanti di luce si incontrano.

Se due "gobbe" si univano in un punto, allora la loro ampiezza sarebbe stata piegata e in quel punto l'intensità della luce sarebbe raddoppiata. Se c'è una "gobba" e "cavo", allora la loro interazione spegnerà la luce, poiché il risultato è zero potenza. Con una differenza di fase diversa ci saranno livelli intermedi di illuminazione.

Interferenze e diffrazione

Quello che abbiamo già detto è come una storia dalla fine. Tutti sanno già cosa accadrà, saliranno così audacemente nell'essenza dei fotoni. Ma prima nessuno sospettava che la luce - un'onda. E continuò così fino a quando furono eseguiti gli esperimenti con interferenze.

Se un raggio piatto di raggi paralleli viene diretto verso una fessura nella parete, il risultato non sarà una striscia uniforme di luce, ma una fila di nastri bianchi e neri divergenti come un ventilatore. Questo perché la luce ha la capacità di aggirare i bordi di un ostacolo. E nel processo di superare la distanza dei raggi ha cambiato la direzione della propagazione. Significa che ad un certo punto nello spazio si sono incrociati con altri raggi, e in uscita hanno formato diverse fasi. Questo è il motivo per cui l'applicazione di interferenze e diffrazione leggera spesso coincide.

Il significato teorico dell'interferenza

Diversi tipi di fori danno immagini diverse. Nell'esperimento descritto sopra, puoi modificare la larghezza della fenditura, aggiungere un altro foro, renderlo rotondo, quadrato, ecc. L'immagine finale ti dirà dove si sono incontrate le onde e quale angolo hanno deviato dalla direzione originale di propagazione. La definizione delle proprietà d'onda della luce è la prima applicazione dell'interferenza in ingegneria e natura.

Semplice difficile

Come creare una superficie piatta? Questa domanda è stata posta da ingegneri di antichi faraoni. Ma ora non è un compito così facile. Alcuni dispositivi utilizzano lastre di vetro. E dovrebbero essere molto lisci. Per verificare la qualità del prodotto finito, viene posizionato un altro piatto simile e la struttura viene posizionata in un flusso di raggi di luce paralleli. Se le frange di interferenza sono allineate in file pari, allora le superfici sono piatte. Se le bande si piegano o si rompono, il prodotto non è adatto per l'esecuzione del suo compito.

interferometri

Per misurare l'accuratezza delle distanze specificate e determinare lo strumento creato dai piani. Si chiama "interferometro". Il principio di funzionamento è molto semplice: la radiazione monocromatica è divisa da un numero di dispositivi ottici in due fasci paralleli. Sulla via di uno di essi viene messo l'oggetto misurato, il secondo passa senza ostacoli. L'immagine dei minimi e dei massimi di illuminazione rivelerà inesattezze e determinerà la differenza nel corso dei raggi.

Colore e luce

Ma fino a questo punto in tutti gli esperimenti descritti sopra si è ipotizzato che si verifichino le stesse onde. Ciò significa che la loro frequenza e ampiezza coincidono, solo le fasi differiscono. Ma in natura non esiste una radiazione monocromatica assolutamente pura. Qualsiasi sorgente di luce reale fornisce un'intera gamma di lunghezze d'onda e le loro ampiezze possono anche essere diverse. Ma anche in presenza di interferenze di luce naturale si verifica. Solo al posto delle aree chiare e scure si alterneranno colori diversi.

Benzina e natura

L'uso dell'interferenza in natura può essere trovato principalmente su rivestimenti sottili. Sicuramente tutti hanno visto che il film di benzina sulla superficie della pozza brilla di un arcobaleno in una giornata di sole. Questa è una conseguenza di interferenza e diffrazione della luce bianca. Raggi del sole contiene tutte le lunghezze d'onda. Ma entrano negli occhi di una persona in modo irregolare, senza alcun ordine. Quando una sottile pellicola di materia leggera appare sulla superficie dell'acqua, in diversi atomi, si diffonde in modo non uniforme. Da qualche parte l'altezza della copertura sarà più, da qualche parte - meno. Le seguenti modifiche si verificano con la luce:

• sono riflessi dalla superficie superiore del film;
• sono riflessi dalla superficie inferiore del film;
• si trovano all'uscita del film.

Naturalmente, con uno spessore specifico del rivestimento per onde con lunghezze diverse, verrà creato un diverso schema di differenza di fase. E solo alcuni quanti di luce incontreranno i massimi. Allo stesso tempo, l'occhio umano vedrà le onde dello stesso colore.

Questo fenomeno combina riflessione, interferenza e diffrazione.

Piume, membrane, conchiglie

La natura ama la diversità. Compresi i colori delle loro custodie. Ma la combinazione di pigmenti è limitata, ma il film trabocca fornisce un ampio campo per la sperimentazione. L'interferenza nei film dà colore:

• le ali di farfalle e scarafaggi;
• occhi di ragno;
• piume di uccelli;
• superfici interne di conchiglie e perle;
• squame di alcuni serpenti, rane, lucertole;
• membrane semi di alcune piante.

C'è anche un caso curioso in cui un imprenditore voleva ottenere una straordinaria vernice blu dalle ali delle farfalle tropicali appena scoperte. Ma la polvere rimaneva sempre grigio-marrone. Di conseguenza, l'imprenditore andò in bancarotta, ma non capì che le ali delle bellezze rare coprivano prismi speciali che riflettevano solo un colore, il blu. E distruggendo queste fragili strutture, ha perso la sua meravigliosa vernice.