Traucējumu modeļi ir gaišas vai tumšas joslas, ko rada stari, kas atrodas fāzē vai nav fāzē viens ar otru. Pārvietojoties, gaismas un līdzīgi viļņi summējas, ja to fāzes sakrīt (gan pieauguma, gan samazināšanās virzienā), vai arī tie kompensē viens otru, ja atrodas pretfāzē. Šīs parādības attiecīgi sauc par konstruktīvu un destruktīvu iejaukšanos. Ja monohromatiskā starojuma stars, kuram visiem ir vienāds viļņa garums, iziet cauri divām šaurām spraugām (eksperimentu 1801. gadā pirmo reizi veica angļu zinātnieks Tomass Jangs, kurš, pateicoties viņam, nonāca pie secinājuma par viļņa dabu no gaismas), divus iegūtos starus var novirzīt uz plakanā ekrāna, uz kura divu pārklājošu plankumu vietā veidojas interferences bārkstis - vienmērīgi mainīgu gaišu un tumšu laukumu raksts. Šo parādību izmanto, piemēram, visos optiskajos interferometros.
Superpozīcija
Visu viļņu noteicošā īpašība ir superpozīcija, kas raksturo uzklātu viļņu uzvedību. Tās princips ir tāds, ka atrodoties kosmosāJa ir uzlikti vairāk nekā divi viļņi, tad iegūtā perturbācija ir vienāda ar atsevišķo traucējumu algebrisko summu. Dažreiz šis noteikums tiek pārkāpts lielu traucējumu dēļ. Šī vienkāršā rīcība izraisa virkni efektu, ko sauc par traucējumu parādībām.
Interferences fenomenu raksturo divi galēji gadījumi. Konstruktīvajā abu viļņu maksimumi sakrīt, un tie atrodas viens ar otru fāzē. To superpozīcijas rezultāts ir traucējošā efekta palielināšanās. Iegūtā jauktā viļņa amplitūda ir vienāda ar atsevišķo amplitūdu summu. Un, gluži pretēji, destruktīvos traucējumos viena viļņa maksimums sakrīt ar otrā viļņa minimumu - tie atrodas pretfāzē. Apvienotā viļņa amplitūda ir vienāda ar starpību starp tā sastāvdaļu amplitūdām. Gadījumā, ja tie ir vienādi, destruktīvie traucējumi ir pabeigti, un kopējā barotnes perturbācija ir nulle.
Junga eksperiments
Traucējumu shēma no diviem avotiem skaidri norāda uz pārklājošu viļņu klātbūtni. Tomass Jungs ierosināja, ka gaisma ir vilnis, kas pakļaujas superpozīcijas principam. Viņa slavenais eksperimentālais sasniegums bija konstruktīvas un destruktīvas gaismas interferences demonstrēšana 1801. gadā. Jaunā Janga eksperimenta versija būtiski atšķiras tikai ar to, ka tajā tiek izmantoti koherenti gaismas avoti. Lāzers vienmērīgi izgaismo divas paralēlas spraugas necaurspīdīgā virsmā. Gaisma, kas iet caur tām, tiek novērota attālā ekrānā. Kad platums starp spraugām ir daudz lielāks parviļņa garumā, tiek ievēroti ģeometriskās optikas likumi - uz ekrāna ir redzami divi izgaismoti laukumi. Tomēr, spraugām tuvojoties viena otrai, gaisma izkliedējas un ekrānā redzamie viļņi pārklājas. Pati difrakcija ir gaismas viļņu rakstura sekas, un tas ir vēl viens šī efekta piemērs.
Traucējumu shēma
Superpozīcijas princips nosaka iegūto intensitātes sadalījumu apgaismotajā ekrānā. Interferences modelis rodas, ja ceļa atšķirība no spraugas līdz ekrānam ir vienāda ar veselu viļņu garumu skaitu (0, λ, 2λ, …). Šī atšķirība nodrošina, ka augstākie rādītāji tiek sasniegti vienlaikus. Destruktīvi traucējumi rodas, ja ceļa starpība ir vesels viļņu garumu skaits, kas nobīdīts uz pusi (λ/2, 3λ/2, …). Jungs izmantoja ģeometriskus argumentus, lai parādītu, ka superpozīcija rada virkni vienmērīgi izvietotu bārkstiņu vai augstas intensitātes plankumu, kas atbilst konstruktīvu traucējumu zonām, kuras atdala tumši pilnīgas destruktīvas iejaukšanās plankumi.
Attālums starp caurumiem
Svarīgs dubultspraugas ģeometrijas parametrs ir gaismas viļņa garuma λ attiecība pret attālumu starp caurumiem d. Ja λ/d ir daudz mazāks par 1, tad attālums starp bārkstīm būs mazs un netiks novēroti pārklāšanās efekti. Izmantojot cieši izvietotas spraugas, Jungs spēja atdalīt tumšās un gaišās zonas. Tādējādi viņš noteica redzamās gaismas krāsu viļņu garumus. To ārkārtīgi mazais apjoms izskaidro, kāpēc šīs sekas tiek novērotas tikainoteiktos apstākļos. Lai atdalītu konstruktīvu un destruktīvu traucējumu zonas, attālumiem starp gaismas viļņu avotiem jābūt ļoti maziem.
Viļņa garums
Traucējumu efektu novērošana ir sarežģīta divu citu iemeslu dēļ. Lielākā daļa gaismas avotu izstaro nepārtrauktu viļņu garumu spektru, kā rezultātā viens otram ir uzlikti vairāki traucējumu modeļi, katram no kuriem ir savs atstatums starp malām. Tādējādi tiek atcelti visizteiktākie efekti, piemēram, pilnīgas tumsas apgabali.
Saskaņotība
Lai traucējumi tiktu novēroti ilgākā laika periodā, ir jāizmanto saskaņoti gaismas avoti. Tas nozīmē, ka starojuma avotiem ir jāsaglabā nemainīga fāzes attiecība. Piemēram, diviem vienādas frekvences harmoniskiem viļņiem vienmēr ir fiksēta fāzes attiecība katrā telpas punktā - vai nu fāzē, vai pretfāzē, vai kādā starpstāvoklī. Tomēr lielākā daļa gaismas avotu neizstaro patiesus harmoniskos viļņus. Tā vietā tie izstaro gaismu, kurā nejaušas fāzes izmaiņas notiek miljoniem reižu sekundē. Šādu starojumu sauc par nesakarīgu.
Ideāls avots ir lāzers
Traucējumi joprojām tiek novēroti, ja telpā ir uzlikti divu nesakarīgu avotu viļņi, bet traucējumu modeļi mainās nejauši, līdz ar nejaušu fāzes nobīdi. Gaismas sensori, tostarp acis, nevar ātri reģistrētiesmainīgs attēls, bet tikai laika vidējā intensitāte. Lāzera stars ir gandrīz vienkrāsains (t.i., sastāv no viena viļņa garuma) un ļoti koherents. Tas ir ideāls gaismas avots, lai novērotu traucējumu efektus.
Frekvences noteikšana
Pēc 1802. gada Junga izmērītos redzamās gaismas viļņu garumus varēja saistīt ar tobrīd pieejamo nepietiekami precīzo gaismas ātrumu, lai tuvinātu tās frekvenci. Piemēram, zaļajai gaismai tas ir aptuveni 6×1014 Hz. Tas ir daudzkārt lielāks nekā mehānisko vibrāciju biežums. Salīdzinājumam, cilvēks var dzirdēt skaņu ar frekvencēm līdz 2×104 Hz. Kas tieši svārstījās ar šādu ātrumu, palika noslēpums nākamos 60 gadus.
Iejaukšanās plānās plēvēs
Novērotie efekti neaprobežojas tikai ar Tomasa Jaga izmantoto dubulto spraugu ģeometriju. Kad stari tiek atstaroti un lauzti no divām virsmām, kuras atdala attālums, kas salīdzināms ar viļņa garumu, plānās kārtiņās rodas traucējumi. Plēves lomu starp virsmām var spēlēt vakuums, gaiss, jebkuri caurspīdīgi šķidrumi vai cietas vielas. Redzamā gaismā traucējumu efekti ir ierobežoti līdz dažu mikrometru izmēriem. Labi zināms filmas piemērs ir ziepju burbulis. No tā atstarotā gaisma ir divu viļņu superpozīcija - viens atstarojas no priekšējās virsmas, bet otrs - no aizmugures. Tie pārklājas telpā un sakraujas viens ar otru. Atkarībā no ziepju biezumafilmas, divi viļņi var mijiedarboties konstruktīvi vai destruktīvi. Pilnīgs traucējumu modeļa aprēķins parāda, ka gaismai ar vienu viļņa garumu λ konstruktīvi traucējumi tiek novēroti plēves biezumam λ/4, 3λ/4, 5λ/4 utt., un destruktīvi traucējumi tiek novēroti λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Aprēķinu formulas
Traucējumu parādībai ir daudz pielietojumu, tāpēc ir svarīgi saprast ar to saistītos pamatvienādojumus. Šīs formulas ļauj aprēķināt dažādus lielumus, kas saistīti ar traucējumiem diviem visbiežāk sastopamajiem traucējumu gadījumiem.
Spilgto bārkstiņu atrašanās vietu Janga eksperimentā, t.i., apgabalus ar konstruktīviem traucējumiem, var aprēķināt, izmantojot izteiksmi: ybright.=(λL/d)m, kur λ ir viļņa garums; m=1, 2, 3, …; d ir attālums starp spraugām; L ir attālums līdz mērķim.
Tumšo joslu, t.i., destruktīvas mijiedarbības zonu, atrašanās vietu nosaka pēc formulas: ytumšs.=(λL/d)(m+1/2).
Cita veida traucējumiem - plānās kārtiņās - konstruktīvas vai destruktīvas superpozīcijas klātbūtne nosaka atstaroto viļņu fāzes nobīdi, kas ir atkarīga no plēves biezuma un tās laušanas koeficienta. Pirmais vienādojums apraksta gadījumu, kad šādas nobīdes nav, bet otrais apraksta pusviļņa garuma nobīdi:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Šeit λ ir viļņa garums; m=1, 2, 3, …; t ir filmā noietais ceļš; n ir laušanas koeficients.
Novērošana dabā
Kad saule apspīd ziepju burbuļu, var redzēt spilgtas krāsas joslas, jo dažādi viļņu garumi ir pakļauti destruktīviem traucējumiem un tiek noņemti no atstarošanas. Atlikusī atstarotā gaisma šķiet kā papildinājums attālām krāsām. Piemēram, ja destruktīvu traucējumu rezultātā nav sarkanā komponenta, tad atspulgs būs zils. Plānas eļļas kārtiņas uz ūdens rada līdzīgu efektu. Dabā dažu putnu, tostarp pāvu un kolibri, spalvas un dažu vaboļu čaumalas šķiet zaigojošas, taču mainoties skata leņķim, mainās krāsa. Optikas fizika šeit ir atstaroto gaismas viļņu iejaukšanās no plānām slāņveida struktūrām vai atstarojošo stieņu blokiem. Tāpat arī pērlēm un gliemežvākiem ir varavīksnene, pateicoties vairāku perlamutra slāņu atspulgu superpozīcijai. Dārgakmeņiem, piemēram, opālam, ir skaisti interferences raksti, jo gaisma izkliedējas no regulāriem rakstiem, ko veido mikroskopiskas sfēriskas daļiņas.
Pieteikums
Ikdienas dzīvē ir daudz gaismas traucējumu parādību tehnoloģisko pielietojumu. Uz tiem balstās kameru optikas fizika. Parastais lēcu pretatstarojošais pārklājums ir plāna plēve. Tā biezums un refrakcija ir izvēlēti tā, lai radītu destruktīvus atstarotās redzamās gaismas traucējumus. Specializētāki pārklājumi, kas sastāv novairāki plānu plēvju slāņi ir paredzēti, lai pārraidītu starojumu tikai šaurā viļņu garuma diapazonā, un tāpēc tiek izmantoti kā gaismas filtri. Daudzslāņu pārklājumi tiek izmantoti arī astronomisko teleskopu spoguļu, kā arī lāzera optisko dobumu atstarošanas spējas palielināšanai. Interferometrija - precīzas mērījumu metodes, ko izmanto, lai noteiktu nelielas izmaiņas relatīvajos attālumos - ir balstīta uz nobīdi tumšās un gaišās joslās, ko rada atstarotā gaisma. Piemēram, izmērot, kā mainīsies traucējumu modelis, varat noteikt optisko komponentu virsmu izliekumu optiskā viļņa garuma daļās.
