Häiremustrid on heledad või tumedad ribad, mis on põhjustatud üksteisega faasis või faasist väljas olevate kiirte poolt. Valgus ja sarnased lained liidetakse üksteise peale, kui nende faasid langevad kokku (nii suurenemise kui kahanemise suunas), või kompenseerivad üksteist, kui nad on antifaasis. Neid nähtusi nimetatakse vastav alt konstruktiivseks ja destruktiivseks interferentsiks. Kui monokromaatilise kiirguse kiir, millel kõigil on sama lainepikkus, läbib kahte kitsast pilu (katse viis esmakordselt läbi 1801. aastal inglise teadlane Thomas Young, kes jõudis tänu temale järeldusele laine olemuse kohta valguse kohta), saab kahte tekkivat kiirt suunata lameekraanile, millel kahe kattuva koha asemel moodustuvad interferentsäärid - ühtlaselt vahelduvate heledate ja tumedate alade muster. Seda nähtust kasutatakse näiteks kõigis optilistes interferomeetrites.
Superpositsioon
Kõigi lainete määravaks tunnuseks on superpositsioon, mis kirjeldab üksteise peale asetatud lainete käitumist. Selle põhimõte on, et kosmoses viibidesKui kattuvad rohkem kui kaks lainet, on tulemuseks saadav häiring võrdne üksikute häiringute algebralise summaga. Mõnikord rikutakse seda reeglit suurte häirete korral. See lihtne käitumine toob kaasa rea mõjusid, mida nimetatakse interferentsi nähtusteks.
Häirete nähtust iseloomustavad kaks äärmuslikku juhtumit. Konstruktiivses maksimumis langevad need kaks lainet kokku ja on üksteisega faasis. Nende superpositsiooni tulemuseks on häiriva efekti suurenemine. Saadud segalaine amplituud on võrdne üksikute amplituudide summaga. Ja vastupidi, destruktiivsete häirete korral langeb ühe laine maksimum kokku teise minimaalsega - need on antifaasis. Kombineeritud laine amplituud on võrdne selle komponentide amplituudide vahega. Kui need on võrdsed, on hävitav interferents täielik ja meediumi kogu häiring on null.
Jungi eksperiment
Kahest allikast pärinev häiremuster näitab selgelt kattuvate lainete olemasolu. Thomas Jung arvas, et valgus on laine, mis järgib superpositsiooni põhimõtet. Tema kuulus eksperimentaalne saavutus oli valguse konstruktiivse ja hävitava interferentsi demonstreerimine 1801. aastal. Youngi katse kaasaegne versioon erineb sisuliselt ainult selle poolest, et selles kasutatakse koherentseid valgusallikaid. Laser valgustab ühtlaselt kahte paralleelset pilu läbipaistmatul pinnal. Neid läbivat valgust jälgitakse kaugekraanil. Kui pilude vaheline laius on palju suurem kuilainepikkusega, järgitakse geomeetrilise optika reegleid - ekraanil on näha kaks valgustatud ala. Kui pilud aga üksteisele lähenevad, siis valgus hajub ja ekraanil olevad lained kattuvad. Difraktsioon ise on valguse lainelise olemuse tagajärg ja on selle efekti teine näide.
Häiremuster
Superpositsiooni põhimõte määrab valgustatud ekraanil tekkiva intensiivsuse jaotuse. Häiremuster tekib siis, kui tee vahe pilust ekraanini on võrdne lainepikkuste täisarvuga (0, λ, 2λ, …). See erinevus tagab, et kõrgpunktid saabuvad samal ajal. Destruktiivne interferents tekib siis, kui tee vahe on poole võrra nihutatud täisarv lainepikkusi (λ/2, 3λ/2, …). Jung kasutas geomeetrilisi argumente, et näidata, et superpositsiooni tulemuseks on rida ühtlaselt paiknevaid äärejooni või kõrge intensiivsusega laike, mis vastavad konstruktiivsete häirete aladele, mis on eraldatud täieliku hävitava interferentsi tumedate laikudega.
Aukude vaheline kaugus
Kahepilulise geomeetria oluline parameeter on valguse lainepikkuse λ ja aukude d vahelise kauguse suhe. Kui λ/d on palju väiksem kui 1, on servade vaheline kaugus väike ja kattuvaid mõjusid ei täheldata. Kasutades tihed alt asetsevaid pilusid, suutis Jung eraldada tumedad ja heledad alad. Nii määras ta nähtava valguse värvide lainepikkused. Nende äärmiselt väike ulatus selgitab, miks neid mõjusid täheldatakse ainultteatud tingimustel. Konstruktiivsete ja destruktiivsete häirete piirkondade eraldamiseks peavad valguslainete allikate vahelised kaugused olema väga väikesed.
Lainepikkus
Häiremõjude jälgimine on keeruline veel kahel põhjusel. Enamik valgusallikaid kiirgab pidevat lainepikkuste spektrit, mille tulemuseks on mitmed üksteise peal asetsevad interferentsimustrid, millest igaühel on oma servade vahe. See tühistab kõige tugevamad efektid, näiteks täieliku pimeduse.
Sidusus
Selleks, et häireid oleks pikema aja jooksul täheldatud, tuleb kasutada koherentseid valgusallikaid. See tähendab, et kiirgusallikad peavad säilitama pideva faasisuhte. Näiteks kahel sama sagedusega harmoonilisel lainel on alati igas ruumipunktis fikseeritud faasisuhe – kas faasis või antifaasis või mõnes vahepealses olekus. Kuid enamik valgusallikaid ei kiirga tõelisi harmoonilisi laineid. Selle asemel kiirgavad nad valgust, milles juhuslikud faasimuutused toimuvad miljoneid kordi sekundis. Sellist kiirgust nimetatakse ebajärjekindlaks.
Ideaalne allikas on laser
Häireid täheldatakse ikka veel, kui ruumis asetsevad kahe ebajärjekindla allika lained, kuid häirete mustrid muutuvad juhuslikult koos juhusliku faasinihkega. Valgusandurid, sealhulgas silmad, ei saa kiiresti registreeridamuutuv pilt, vaid ainult ajakeskmine intensiivsus. Laserikiir on peaaegu monokromaatiline (st koosneb ühest lainepikkusest) ja väga koherentne. See on ideaalne valgusallikas häireefektide jälgimiseks.
Sageduse tuvastamine
Pärast 1802. aastat võis Jungi mõõdetud nähtava valguse lainepikkusi seostada ebapiisav alt täpse valguse kiirusega, mis sel ajal oli selle sageduse ligikaudseks hindamiseks. Näiteks rohelise tule puhul on see umbes 6×1014 Hz. See on mehaaniliste vibratsioonide sagedusest mitu suurusjärku kõrgem. Võrdluseks, inimene kuuleb heli sagedustega kuni 2×104 Hz. Mis täpselt sellise kiirusega kõikus, jäi järgmise 60 aasta jooksul saladuseks.
Hüvenemine õhukeste kilede puhul
Täheldatud efektid ei piirdu Thomas Youngi kasutatud topeltpilu geomeetriaga. Kui kiired peegelduvad ja murduvad kahelt pinn alt, mis on üksteisest eraldatud lainepikkusega võrreldava kaugusega, tekivad õhukestes kiledes häired. Pindadevahelise kile rolli võivad täita vaakum, õhk, kõik läbipaistvad vedelikud või tahked ained. Nähtavas valguses on interferentsiefektid piiratud mõne mikromeetri suurusjärgus. Tuntud näide filmist on seebimull. Sellest peegelduv valgus on kahe laine superpositsioon - üks peegeldub esipinn alt ja teine - tagant. Need kattuvad ruumis ja kuhjuvad üksteisega. Olenev alt seebi paksusestfilmide puhul võivad kaks lainet konstruktiivselt või hävitav alt suhelda. Häiremustri täielik arvutus näitab, et ühe lainepikkusega λ valguse puhul täheldatakse konstruktiivset interferentsi kile paksuse λ/4, 3λ/4, 5λ/4 jne korral ja destruktiivset interferentsi λ/2 korral, λ, 3λ/ 2, …
Arvutamise valemid
Häirete nähtusel on palju kasutusvõimalusi, mistõttu on oluline mõista sellega seotud põhivõrrandeid. Järgmised valemid võimaldavad teil arvutada erinevaid häiretega seotud koguseid kahe kõige tavalisema häirejuhtumi jaoks.
Elekate servade asukohta Youngi katses, st konstruktiivsete häiretega alasid saab arvutada avaldise abil: ybright.=(λL/d)m, kus λ on lainepikkus; m=1, 2, 3, …; d on pilude vaheline kaugus; L on kaugus sihtmärgini.
Tumedate ribade, st destruktiivse vastasmõju alade asukoht määratakse järgmise valemiga: ytume.=(λL/d)(m+1/2).
Teist tüüpi häirete puhul – õhukeste kilede puhul – määrab konstruktiivse või destruktiivse superpositsiooni olemasolu peegeldunud lainete faasinihke, mis sõltub kile paksusest ja selle murdumisnäitajast. Esimene võrrand kirjeldab sellise nihke puudumise juhtu ja teine võrrand kirjeldab poole lainepikkuse nihet:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Siin λ on lainepikkus; m=1, 2, 3, …; t on filmis läbitud tee; n on murdumisnäitaja.
Vaatlus looduses
Kui päike paistab seebimullile, on näha erksavärvilisi ribasid, kuna erinevad lainepikkused on destruktiivsete häirete all ja eemaldatakse peegeldusest. Ülejäänud peegeldunud valgus näib täiendavana kaugeid värve. Näiteks kui destruktiivse interferentsi tagajärjel pole punast komponenti, on peegeldus sinine. Õhukesed õlikiled vee peal tekitavad sarnase efekti. Looduses paistavad mõnede lindude, sealhulgas paabulinnu ja koolibri suled ning mõne mardika kestad sillerdavad, kuid muudavad vaatenurga muutudes värvi. Optika füüsika on siin õhukeste kihiliste struktuuride või peegeldavate varraste massiivi peegeldunud valguslainete interferents. Samamoodi on pärlitel ja kestadel iiris tänu mitme pärlmutrikihi peegelduste superpositsioonile. Kalliskividel, nagu opaalil, on mikroskoopiliste sfääriliste osakeste moodustatud korrapäraste mustrite valguse hajumise tõttu kaunid interferentsimustrid.
Rakendus
Igapäevaelus on valguse interferentsi nähtuste tehnoloogilisi rakendusi palju. Kaamera optika füüsika põhineb neil. Tavaline läätsede peegeldusvastane kate on õhuke kile. Selle paksus ja murdumine on valitud peegeldunud nähtava valguse hävitava interferentsi tekitamiseks. Spetsialiseerunud katted, mis koosnevadmitu kihti õhukesi kile on mõeldud kiirguse edastamiseks ainult kitsas lainepikkuste vahemikus ja seetõttu kasutatakse neid valgusfiltritena. Mitmekihilisi katteid kasutatakse ka astronoomiliste teleskoobipeeglite, aga ka laseroptiliste õõnsuste peegeldusvõime suurendamiseks. Interferomeetria – täpsed mõõtmismeetodid, mida kasutatakse suhteliste kauguste väikeste muutuste tuvastamiseks – põhineb peegeldunud valguse poolt tekitatud tumedate ja heledate ribade nihke jälgimisel. Näiteks häirete mustri muutumise mõõtmine võimaldab määrata optiliste komponentide pindade kõveruse optilise lainepikkuse osades.