کاربرد تداخل، تداخل لایه نازک

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

امروز در مورد استفاده از تداخل در علم و زندگی روزمره صحبت خواهیم کرد، معنای فیزیکی این پدیده را آشکار خواهیم کرد و در مورد تاریخچه کشف آن خواهیم گفت.

تعریف و توزیع

قبل از صحبت در مورد اهمیت یک پدیده در طبیعت و فناوری، ابتدا باید یک تعریف ارائه دهید. امروز ما پدیده ای را در نظر می گیریم که دانش آموزان مدرسه در درس فیزیک مطالعه می کنند. بنابراین، قبل از توصیف کاربرد عملی تداخل، اجازه دهید به کتاب درسی بپردازیم.

برای شروع، باید توجه داشت که این پدیده برای همه انواع امواج صدق می کند: امواجی که بر روی سطح آب یا در حین تحقیق ایجاد می شوند. بنابراین تداخل افزایش یا کاهش دامنه دو یا چند موج منسجم است که در صورت برخورد آنها در یک نقطه از فضا اتفاق می افتد. ماکزیمم ها در این مورد آنتی گره و حداقل ها گره نامیده می شوند. این تعریف شامل برخی از ویژگی های فرآیندهای نوسانی است که کمی بعداً آنها را آشکار خواهیم کرد.

تصویر حاصل از قرار گرفتن امواج بر روی هم (و می تواند تعداد زیادی از آنها وجود داشته باشد) فقط به اختلاف فازی بستگی دارد که در آن نوسانات به یک نقطه در فضا می رسند.

نور نیز یک موج است

دانشمندان در قرن شانزدهم به این نتیجه رسیدند. پایه های اپتیک به عنوان یک علم توسط دانشمند مشهور انگلیسی اسحاق نیوتن پایه ریزی شد. این او بود که برای اولین بار متوجه شد که نور از عناصر خاصی تشکیل شده است که مقدار آنها رنگ آن را تعیین می کند. این دانشمند پدیده پراکندگی و شکست را کشف کرد. و او اولین کسی بود که تداخل نور را روی عدسی ها مشاهده کرد. نیوتن خواص پرتوهایی مانند زاویه شکست در محیط های مختلف، شکست مضاعف و پلاریزاسیون را مطالعه کرد. اولین کاربرد تداخل امواج به نفع بشریت به او نسبت داده می شود. و این نیوتن بود که دریافت که اگر نور ارتعاشات نبود، همه این ویژگی ها را نشان نمی داد.

خواص نور

خواص موج نور عبارتند از:

1. طول موج. این فاصله بین دو ارتفاع مجاور یک تاب است. این طول موج است که رنگ و انرژی تابش مرئی را تعیین می کند.
2. فرکانس. این تعداد امواج کاملی است که می تواند در یک ثانیه رخ دهد. مقدار بر حسب هرتز بیان می شود و با طول موج نسبت معکوس دارد.
3. دامنه. این "ارتفاع" یا "عمق" نوسان است. زمانی که دو نوسان با هم تداخل داشته باشند مقدار مستقیماً تغییر می کند. دامنه نشان می دهد که میدان الکترومغناطیسی با چه شدتی برای ایجاد این موج خاص مختل شده است. همچنین قدرت میدان را تنظیم می کند.
4. فاز موج. این بخشی از نوسان است که در یک زمان معین به آن می رسد. اگر دو موج در یک نقطه در طول تداخل به هم برسند، اختلاف فاز آنها بر حسب واحد π بیان می شود.
5. تابش الکترومغناطیسی منسجم با نامیده می شودهمان ویژگی ها پیوستگی دو موج دلالت بر ثبات اختلاف فاز آنها دارد. هیچ منبع طبیعی چنین تشعشعی وجود ندارد، آنها فقط به صورت مصنوعی ایجاد می شوند.

اولین برنامه علمی است

سر آیزاک سخت و سخت روی خواص نور کار کرد. او دقیقاً مشاهده کرد که یک پرتو پرتو وقتی با یک منشور، یک استوانه، یک صفحه و یک عدسی از رسانه‌های شفاف انکساری مختلف مواجه می‌شود، چگونه رفتار می‌کند. یک بار، نیوتن یک عدسی شیشه ای محدب را روی یک صفحه شیشه ای با سطح منحنی به پایین قرار داد و جریانی از پرتوهای موازی را به سمت ساختار هدایت کرد. در نتیجه، حلقه های روشن و تیره شعاعی از مرکز عدسی جدا می شوند. دانشمند بلافاصله حدس زد که چنین پدیده ای را می توان تنها در صورتی مشاهده کرد که خاصیت دوره ای در نور وجود داشته باشد که پرتو را در جایی خاموش کند و در جایی برعکس آن را افزایش دهد. از آنجایی که فاصله بین حلقه ها به انحنای عدسی بستگی داشت، نیوتن توانست تقریبا طول موج نوسان را محاسبه کند. بنابراین، دانشمند انگلیسی برای اولین بار کاربرد مشخصی برای پدیده تداخل پیدا کرد.

تداخل شکاف

مطالعات بیشتر در مورد خواص نور مستلزم راه اندازی و انجام آزمایش های جدید است. ابتدا، دانشمندان یاد گرفتند که چگونه پرتوهای منسجم را از منابع نسبتاً ناهمگن ایجاد کنند. برای انجام این کار، جریان یک لامپ، شمع یا خورشید با استفاده از دستگاه های نوری به دو قسمت تقسیم می شد. به عنوان مثال، هنگامی که یک پرتو با یک صفحه شیشه ای با زاویه 45 درجه برخورد می کند، سپس بخشی از آنشکسته می شود و می گذرد و بخشی منعکس می شود. اگر این جریان ها به کمک عدسی و منشور موازی ساخته شوند، اختلاف فاز در آنها ثابت خواهد بود. و به طوری که در آزمایشات نور مانند یک فن از یک منبع نقطه ای خارج نمی شود، پرتو با استفاده از یک لنز فوکوس نزدیک به موازات ساخته شد.

هنگامی که دانشمندان همه این دستکاری ها را با نور یاد گرفتند، شروع به مطالعه پدیده تداخل در سوراخ های مختلف، از جمله شکاف باریک یا یک سری شکاف کردند.

تداخل و پراش

تجربه ای که در بالا توضیح داده شد به دلیل خاصیت دیگر نور - پراش - امکان پذیر شد. با غلبه بر مانعی به اندازه کافی کوچک که بتوان آن را با طول موج مقایسه کرد، نوسان می تواند جهت انتشار خود را تغییر دهد. به همین دلیل، پس از یک شکاف باریک، بخشی از تیر جهت انتشار تغییر می کند و با تیرهایی که زاویه شیب را تغییر نداده اند، برهم کنش می کند. بنابراین، کاربردهای تداخل و پراش را نمی توان از یکدیگر جدا کرد.

مدل ها و واقعیت

تا این لحظه، ما از مدل دنیای ایده آل استفاده کرده ایم که در آن همه پرتوهای نور موازی یکدیگر و منسجم هستند. همچنین در ساده ترین توصیف تداخل، به این نکته اشاره می شود که همیشه با تابش هایی با طول موج های یکسان مواجه می شود. اما در واقعیت، همه چیز اینطور نیست: نور اغلب سفید است، شامل تمام ارتعاشات الکترومغناطیسی است که خورشید ایجاد می کند. این بدان معناست که تداخل طبق قوانین پیچیده‌تر رخ می‌دهد.

لایه های نازک

بارزترین نمونه از این دستبرهمکنش نور عبارت است از تابش یک پرتو نور بر روی یک لایه نازک. وقتی یک قطره بنزین در یک گودال شهری وجود دارد، سطح آن با تمام رنگ های رنگین کمان می درخشد. و این دقیقاً نتیجه تداخل است.

نور روی سطح فیلم می افتد، شکست می خورد، روی مرز بنزین و آب می افتد، بازتاب می شود و دوباره شکست می خورد. در نتیجه، موج در خروجی خود را ملاقات می کند. بنابراین، همه امواج سرکوب می شوند، به جز امواجی که یک شرط برای آنها برآورده می شود: ضخامت فیلم مضربی از طول موج نیم عدد صحیح است. سپس در خروجی نوسان با دو ماکزیمم به خود خواهد رسید. اگر ضخامت پوشش برابر با کل طول موج باشد، خروجی ماکزیمم را روی حداقل قرار می دهد و تابش خود به خود خاموش می شود.

از این نتیجه می شود که هر چه فیلم ضخیم تر باشد، طول موجی که بدون افت از آن خارج می شود باید بیشتر باشد. در واقع، یک لایه نازک به برجسته کردن رنگ‌ها از کل طیف کمک می‌کند و می‌تواند در فناوری استفاده شود.

عکسبرداری و ابزارک

به اندازه کافی عجیب، برخی از کاربردهای تداخل برای همه مدگراها در سراسر جهان آشنا هستند.

کار اصلی یک مدل زن زیبا این است که جلوی دوربین خوب به نظر برسد. یک تیم کامل زنان را برای یک عکاسی آماده می کند: یک آرایشگر، آرایشگر، طراح مد و داخلی، سردبیر مجله. پاپاراتزی های مزاحم می توانند در خیابان، در خانه، با لباس های خنده دار و ژست های مضحک در کمین یک مدل بنشینند و سپس تصاویر را در معرض دید عموم قرار دهند. اما تجهیزات خوب برای همه عکاسان ضروری است. برخی از دستگاه ها ممکن است چندین هزار دلار قیمت داشته باشند. در میانویژگی های اصلی چنین تجهیزاتی لزوماً روشنگری اپتیک خواهد بود. و تصاویر چنین دستگاهی از کیفیت بسیار بالایی برخوردار خواهند بود. بر این اساس، عکس ستاره بدون آمادگی نیز چندان جذاب به نظر نمی رسد.

عینک، میکروسکوپ، ستاره

اساس این پدیده تداخل در لایه های نازک است. این یک پدیده جالب و رایج است. و کاربردهای تداخل نور را در تکنیکی پیدا می کند که برخی افراد هر روز در دستان خود نگه می دارند.

چشم انسان رنگ سبز را به بهترین شکل درک می کند. بنابراین، عکس های دختران زیبا نباید حاوی خطا در این منطقه خاص از طیف باشد. اگر فیلمی با ضخامت مشخص روی سطح دوربین اعمال شود، چنین تجهیزاتی انعکاس سبز رنگی ندارند. اگر خواننده توجه تا به حال متوجه چنین جزئیاتی شده باشد، پس باید تنها با وجود بازتاب های قرمز و بنفش تحت تأثیر قرار می گرفت. همان لایه روی شیشه عینک اعمال می شود.

اما اگر ما در مورد چشم انسان صحبت نمی کنیم، بلکه در مورد یک وسیله بی علاقه صحبت می کنیم؟ به عنوان مثال، یک میکروسکوپ باید طیف مادون قرمز را ثبت کند و یک تلسکوپ باید اجزای فرابنفش ستارگان را مطالعه کند. سپس یک فیلم ضد انعکاس با ضخامت متفاوت اعمال می شود.