Els patrons d'interferència són bandes clares o fosques que són causades per feixos que estan en fase o desfasats entre si. Quan se superposen, les ones lluminoses i similars se sumen si les seves fases coincideixen (tant en la direcció d'augment com en la de disminució), o es compensen si estan en antifase. Aquests fenòmens s'anomenen interferències constructives i destructives, respectivament. Si un feix de radiació monocromàtica, tots amb la mateixa longitud d'ona, passa per dues escletxes estretes (l'experiment va ser realitzat per primera vegada l'any 1801 per Thomas Young, un científic anglès que, gràcies a ell, va arribar a la conclusió sobre la naturalesa de les ones). de llum), els dos feixos resultants es poden dirigir a una pantalla plana, sobre la qual, en lloc de dos punts superposats, es formen serrells d'interferència: un patró d' alternança uniforme de zones clares i fosques. Aquest fenomen s'utilitza, per exemple, en tots els interferòmetres òptics.
Superposició
La característica que defineix totes les ones és la superposició, que descriu el comportament de les ones superposades. El seu principi és que quan a l'espaiSi se superposen més de dues ones, aleshores la pertorbació resultant és igual a la suma algebraica de les pertorbacions individuals. De vegades, aquesta regla es viola per grans pertorbacions. Aquest comportament senzill condueix a una sèrie d'efectes anomenats fenòmens d'interferència.
El fenomen de la interferència es caracteritza per dos casos extrems. En els màxims constructius de les dues ones coincideixen, i estan en fase entre si. El resultat de la seva superposició és un augment de l'efecte pertorbador. L'amplitud de l'ona mixta resultant és igual a la suma de les amplituds individuals. I, per contra, en la interferència destructiva, el màxim d'una ona coincideix amb el mínim de la segona: estan en antifase. L'amplitud de l'ona combinada és igual a la diferència entre les amplituds de les seves parts components. En el cas que siguin iguals, la interferència destructiva és completa i la pertorbació total del medi és zero.
experiment de Jung
El patró d'interferència de dues fonts indica clarament la presència d'ones superposades. Thomas Jung va suggerir que la llum és una ona que obeeix al principi de superposició. El seu famós assoliment experimental va ser la demostració de la interferència constructiva i destructiva de la llum el 1801. La versió moderna de l'experiment de Young difereix essencialment només perquè utilitza fonts de llum coherents. El làser il·lumina uniformement dues ranures paral·leles en una superfície opaca. La llum que els travessa s'observa en una pantalla remota. Quan l'amplada entre ranures és molt més gran quelongitud d'ona, s'observen les regles de l'òptica geomètrica: dues zones il·luminades són visibles a la pantalla. Tanmateix, a mesura que les ranures s'apropen, la llum es difracta i les ones de la pantalla se superposen. La difracció en si és una conseqüència de la naturalesa ondulatòria de la llum i és un altre exemple d'aquest efecte.
Patró d'interferència
El principi de superposició determina la distribució d'intensitat resultant a la pantalla il·luminada. Un patró d'interferència es produeix quan la diferència de camí des de la ranura fins a la pantalla és igual a un nombre enter de longituds d'ona (0, λ, 2λ, …). Aquesta diferència assegura que els màxims arribin al mateix temps. La interferència destructiva es produeix quan la diferència de camí és un nombre enter de longituds d'ona desplaçades a la meitat (λ/2, 3λ/2, …). Jung va utilitzar arguments geomètrics per demostrar que la superposició dóna lloc a una sèrie de franges uniformement espaiades o taques d' alta intensitat corresponents a àrees d'interferència constructiva separades per taques fosques d'interferència destructiva total.
Distància entre forats
Un paràmetre important de la geometria de doble escletxa és la relació entre la longitud d'ona de la llum λ i la distància entre els forats d. Si λ/d és molt inferior a 1, aleshores la distància entre les franges serà petita i no s'observaran efectes de superposició. Mitjançant escletxes molt espaiades, Jung va poder separar les zones fosques i clares. Així, va determinar les longituds d'ona dels colors de la llum visible. La seva magnitud extremadament petita explica per què només s'observen aquests efectessota determinades condicions. Per separar les àrees d'interferència constructiva i destructiva, les distàncies entre les fonts d'ones lluminoses han de ser molt petites.
Longitud d'ona
Observar els efectes d'interferència és un repte per altres dos motius. La majoria de les fonts de llum emeten un espectre continu de longituds d'ona, donant lloc a múltiples patrons d'interferència superposats entre si, cadascun amb el seu propi espai entre franges. Això cancel·la els efectes més pronunciats, com ara zones de foscor total.
Coherència
Per tal que les interferències s'observin durant un període de temps prolongat, s'han d'utilitzar fonts de llum coherents. Això vol dir que les fonts de radiació han de mantenir una relació de fase constant. Per exemple, dues ones harmòniques de la mateixa freqüència sempre tenen una relació de fase fixa en cada punt de l'espai, ja sigui en fase, o en antifase, o en algun estat intermedi. Tanmateix, la majoria de les fonts de llum no emeten ones harmòniques reals. En canvi, emeten llum en la qual es produeixen canvis de fase aleatoris milions de vegades per segon. Aquesta radiació s'anomena incoherent.
La font ideal és un làser
La interferència encara s'observa quan les ones de dues fonts incoherents se superposen a l'espai, però els patrons d'interferència canvien aleatòriament, juntament amb un canvi de fase aleatori. Els sensors de llum, inclosos els ulls, no poden registrar-se ràpidamentimatge canviant, però només la intensitat mitjana del temps. El feix làser és gairebé monocromàtic (és a dir, consta d'una longitud d'ona) i molt coherent. És una font de llum ideal per observar efectes d'interferència.
Detecció de freqüència
Després de 1802, les longituds d'ona de la llum visible mesurades per Jung podrien estar relacionades amb la velocitat de la llum insuficientment precisa disponible en aquell moment per aproximar-ne la freqüència. Per exemple, per a la llum verda és d'uns 6×1014 Hz. Això és molts ordres de magnitud superior a la freqüència de les vibracions mecàniques. En comparació, un humà pot escoltar so amb freqüències de fins a 2×104 Hz. Què va fluctuar exactament a aquest ritme va seguir sent un misteri durant els propers 60 anys.
Interferència en pel·lícules primes
Els efectes observats no es limiten a la geometria de doble escletxa utilitzada per Thomas Young. Quan els raigs es reflecteixen i es refracten des de dues superfícies separades per una distància comparable a la longitud d'ona, es produeix una interferència en les pel·lícules primes. El paper de la pel·lícula entre les superfícies es pot jugar amb el buit, l'aire, qualsevol líquid transparent o sòlid. A la llum visible, els efectes d'interferència es limiten a unes dimensions de l'ordre d'uns pocs micròmetres. Un exemple conegut de pel·lícula és una bombolla de sabó. La llum que es reflecteix és una superposició de dues ones: una es reflecteix des de la superfície frontal i la segona, des del darrere. Es superposen a l'espai i s'apilen entre si. Segons el gruix del sabópel·lícules, dues ones poden interactuar de manera constructiva o destructiva. Un càlcul complet del patró d'interferència mostra que per a la llum amb una longitud d'ona λ, s'observa una interferència constructiva per a un gruix de pel·lícula de λ/4, 3λ/4, 5λ/4, etc., i s'observa una interferència destructiva per a λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Fórmules per al càlcul
El fenomen de la interferència té molts usos, per la qual cosa és important entendre les equacions bàsiques implicades. Les fórmules següents us permeten calcular diverses quantitats associades a la interferència per als dos casos d'interferència més habituals.
La ubicació de les franges brillants a l'experiment de Young, és a dir, àrees amb interferències constructives, es pot calcular mitjançant l'expressió: ybright.=(λL/d)m, on λ és la longitud d'ona; m=1, 2, 3, …; d és la distància entre ranures; L és la distància fins a l'objectiu.
La ubicació de les bandes fosques, és a dir, les àrees d'interacció destructiva, ve determinada per la fórmula: yfosc.=(λL/d)(m+1/2).
Per a un altre tipus d'interferència -en pel·lícules primes- la presència d'una superposició constructiva o destructiva determina el canvi de fase de les ones reflectides, que depèn del gruix de la pel·lícula i del seu índex de refracció. La primera equació descriu el cas de l'absència d'aquest desplaçament, i la segona descriu un desplaçament de mitja longitud d'ona:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Aquí λ és la longitud d'ona; m=1, 2, 3, …; t és el camí recorregut a la pel·lícula; n és l'índex de refracció.
Observació a la natura
Quan el sol brilla sobre una bombolla de sabó, es poden veure bandes de colors brillants, ja que diferents longituds d'ona estan subjectes a interferències destructives i s'eliminen del reflex. La llum reflectida restant apareix com a complementària dels colors llunyans. Per exemple, si no hi ha cap component vermell com a resultat d'una interferència destructiva, el reflex serà blau. Les pel·lícules primes d'oli sobre aigua produeixen un efecte similar. A la natura, les plomes d'alguns ocells, inclosos els paons i els colibrís, i les closques d'alguns escarabats semblen iridescents, però canvien de color a mesura que canvia l'angle de visió. La física de l'òptica aquí és la interferència de les ones de llum reflectides d'estructures en capes fines o matrius de barres reflectores. De la mateixa manera, les perles i les petxines tenen iris, gràcies a la superposició de reflexos de diverses capes de nacre. Les pedres precioses com l'òpal presenten bells patrons d'interferència a causa de la dispersió de la llum a partir de patrons regulars formats per partícules esfèriques microscòpiques.
Aplicació
Hi ha moltes aplicacions tecnològiques dels fenòmens d'interferència de la llum a la vida quotidiana. La física de l'òptica de les càmeres es basa en ells. El recobriment antireflectant habitual de les lents és una pel·lícula fina. El seu gruix i refracció s'escullen per produir una interferència destructiva de la llum visible reflectida. Recobriments més especialitzats que consisteixen endiverses capes de pel·lícules primes estan dissenyades per transmetre radiació només en un rang de longitud d'ona estret i, per tant, s'utilitzen com a filtres de llum. Els recobriments multicapa també s'utilitzen per augmentar la reflectivitat dels miralls dels telescopis astronòmics, així com les cavitats òptiques làser. La interferometria, mètodes de mesura precisos utilitzats per detectar petits canvis en distàncies relatives, es basa en l'observació de canvis en les bandes fosques i clares creades per la llum reflectida. Per exemple, mesurar com canviarà el patró d'interferència us permet determinar la curvatura de les superfícies dels components òptics en fraccions de la longitud d'ona òptica.
