Mifumo ya mwingiliano ni mikanda nyepesi au meusi ambayo husababishwa na miale iliyo katika awamu au nje ya awamu. Inapowekwa juu, mawimbi ya mwanga na yanayofanana huongeza ikiwa awamu zao zinapatana (zote mbili kwa mwelekeo wa kuongezeka na kupungua), au hulipa fidia kila mmoja ikiwa ni katika antiphase. Matukio haya yanaitwa kuingiliwa kwa kujenga na kuharibu, kwa mtiririko huo. Ikiwa boriti ya mionzi ya monochromatic, ambayo yote yana urefu sawa, hupitia slits mbili nyembamba (jaribio lilifanyika kwanza mwaka wa 1801 na Thomas Young, mwanasayansi wa Kiingereza ambaye, shukrani kwake, alifikia hitimisho kuhusu asili ya wimbi. ya mwanga), mihimili miwili inayotokana inaweza kuelekezwa kwenye skrini ya gorofa, ambayo, badala ya matangazo mawili ya kuingiliana, pindo za kuingiliwa zinaundwa - muundo wa maeneo ya mwanga na giza. Jambo hili linatumika, kwa mfano, katika viingilizi vyote vya macho.
Msimamo mkuu
Sifa bainifu ya mawimbi yote ni nafasi ya juu zaidi, ambayo inaelezea tabia ya mawimbi yaliyoimarishwa zaidi. Kanuni yake ni kwamba wakati katika nafasiIkiwa zaidi ya mawimbi mawili yamewekwa juu, basi usumbufu unaosababishwa ni sawa na jumla ya algebraic ya misukosuko ya mtu binafsi. Wakati mwingine sheria hii inakiukwa kwa usumbufu mkubwa. Tabia hii rahisi husababisha mfululizo wa athari zinazoitwa matukio ya kuingiliwa.
Hali ya kuingiliwa ina sifa ya matukio mawili makali. Katika maxima ya kujenga ya mawimbi mawili sanjari, na wao ni katika awamu na kila mmoja. Matokeo ya superposition yao ni ongezeko la athari ya kutatanisha. Amplitude ya wimbi la mchanganyiko linalosababishwa ni sawa na jumla ya amplitudes ya mtu binafsi. Na, kinyume chake, katika kuingiliwa kwa uharibifu, upeo wa wimbi moja unafanana na kiwango cha chini cha pili - wao ni katika antiphase. Amplitude ya wimbi la pamoja ni sawa na tofauti kati ya amplitudes ya sehemu zake za sehemu. Katika kesi wakati ziko sawa, uingiliaji wa uharibifu umekamilika, na usumbufu wa jumla wa kati ni sifuri.
Jaribio la Jung
Mchoro wa mwingiliano kutoka kwa vyanzo viwili unaonyesha wazi uwepo wa mawimbi yanayopishana. Thomas Jung alipendekeza kwamba nuru ni wimbi linalotii kanuni ya nafasi ya juu zaidi. Mafanikio yake maarufu ya majaribio yalikuwa maonyesho ya uingiliaji wa kujenga na uharibifu wa mwanga mwaka wa 1801. Toleo la kisasa la majaribio ya Young linatofautiana kimsingi tu kwa kuwa linatumia vyanzo vya mwanga vilivyounganishwa. Laser inaangazia kwa usawa mipasuko miwili inayofanana kwenye uso usio wazi. Mwanga unaopita kati yao unazingatiwa kwenye skrini ya mbali. Wakati upana kati ya inafaa ni kubwa zaidi kulikourefu wa wimbi, sheria za optics za kijiometri zinazingatiwa - maeneo mawili yenye mwanga yanaonekana kwenye skrini. Hata hivyo, mpasuo unapokaribiana, mwanga hutofautiana, na mawimbi kwenye skrini yanaingiliana. Tofauti yenyewe ni tokeo la asili ya wimbi la mwanga na ni mfano mwingine wa athari hii.
Mfumo wa kuingiliwa
Kanuni ya nafasi kuu huamua usambazaji wa ukubwa unaotokana na skrini iliyoangaziwa. Mchoro wa mwingiliano hutokea wakati tofauti ya njia kutoka kwa mpasuo hadi skrini ni sawa na nambari kamili ya urefu wa mawimbi (0, λ, 2λ, …). Tofauti hii inahakikisha kwamba viwango vya juu vinafika kwa wakati mmoja. Uingiliaji wa uharibifu hutokea wakati tofauti ya njia ni nambari kamili ya urefu wa mawimbi uliobadilishwa na nusu (λ/2, 3λ/2, …). Jung alitumia hoja za kijiometri ili kuonyesha kwamba nafasi ya juu zaidi husababisha mfululizo wa pindo zilizo na nafasi sawa au mabaka ya mkazo wa juu unaolingana na maeneo yenye mwingiliano mzuri unaotenganishwa na mabaka meusi ya mwingiliano wa uharibifu kabisa.
Umbali kati ya mashimo
Kigezo muhimu cha jiometri iliyopasuliwa mara mbili ni uwiano wa urefu wa wimbi la mwanga λ hadi umbali kati ya mashimo d. Ikiwa λ/d ni chini sana kuliko 1, basi umbali kati ya pindo itakuwa ndogo na hakuna athari za kuingiliana zitazingatiwa. Kwa kutumia mpasuo uliotengana kwa karibu, Jung aliweza kutenganisha maeneo yenye giza na nyepesi. Hivyo, aliamua urefu wa mawimbi ya rangi za mwanga unaoonekana. Ukubwa wao mdogo sana unaelezea kwa nini athari hizi zinazingatiwa tuchini ya hali fulani. Ili kutenganisha maeneo ya mwingiliano unaojenga na uharibifu, umbali kati ya vyanzo vya mawimbi ya mwanga lazima uwe mdogo sana.
Wavelength
Kuangalia athari za mwingiliano ni changamoto kwa sababu nyingine mbili. Vyanzo vingi vya mwanga hutoa wigo unaoendelea wa urefu wa mawimbi, hivyo kusababisha mifumo mingi ya mwingiliano iliyowekwa juu ya kila mmoja, kila moja ikiwa na nafasi yake kati ya pindo. Hii hughairi athari zinazoonekana zaidi, kama vile maeneo yenye giza totoro.
Mshikamano
Ili usumbufu uonekane kwa muda mrefu, ni lazima vyanzo shirikishi vya mwanga vitumike. Hii ina maana kwamba vyanzo vya mionzi lazima kudumisha uhusiano wa awamu ya mara kwa mara. Kwa mfano, mawimbi mawili ya harmonic ya mzunguko huo daima yana uhusiano wa awamu ya kudumu katika kila hatua katika nafasi - ama katika awamu, au katika antiphase, au katika hali fulani ya kati. Hata hivyo, vyanzo vingi vya mwanga havitoi mawimbi ya kweli ya harmonic. Badala yake, hutoa mwanga ambao mabadiliko ya awamu ya nasibu hutokea mamilioni ya mara kwa sekunde. Mionzi kama hiyo inaitwa incoherent.
Chanzo bora ni leza
Ukatilishaji bado huzingatiwa wakati mawimbi ya vyanzo viwili visivyofuatana yanapowekwa juu angani, lakini mifumo ya mwingiliano hubadilika nasibu, pamoja na zamu ya awamu nasibu. Sensorer za mwanga, ikiwa ni pamoja na macho, haziwezi kujiandikisha harakakubadilisha picha, lakini kiwango cha wastani cha wakati tu. Boriti ya laser ni karibu monochromatic (yaani, inajumuisha wavelength moja) na inaambatana sana. Ni chanzo cha mwanga kinachofaa kwa kutazama athari za mwingiliano.
Ugunduzi wa mara kwa mara
Baada ya 1802, urefu wa mawimbi uliopimwa wa Jung wa mwanga unaoonekana unaweza kuhusishwa na kasi isiyotosha ya mwanga inayopatikana wakati huo ili kukadiria marudio yake. Kwa mfano, kwa mwanga wa kijani ni takriban 6×1014 Hz. Hii ni maagizo mengi ya ukubwa wa juu kuliko mzunguko wa vibrations ya mitambo. Kwa kulinganisha, binadamu anaweza kusikia sauti yenye masafa ya hadi 2×104 Hz. Ni nini hasa kilibadilika kwa kiwango kama hicho kilibaki kuwa kitendawili kwa miaka 60 iliyofuata.
Kuingiliwa kwa filamu nyembamba
Athari zinazozingatiwa hazikomei kwenye jiometri iliyopasuliwa mara mbili inayotumiwa na Thomas Young. Wakati mionzi inaonyeshwa na kukataliwa kutoka kwa nyuso mbili zilizotenganishwa na umbali unaolinganishwa na urefu wa wimbi, kuingiliwa hutokea katika filamu nyembamba. Jukumu la filamu kati ya nyuso zinaweza kuchezwa na utupu, hewa, maji yoyote ya uwazi au yabisi. Katika mwanga unaoonekana, athari za kuingiliwa ni mdogo kwa vipimo vya utaratibu wa micrometers chache. Mfano unaojulikana wa filamu ni Bubble ya sabuni. Mwangaza unaoonyeshwa kutoka kwake ni superposition ya mawimbi mawili - moja inaonekana kutoka kwa uso wa mbele, na pili - kutoka nyuma. Wanaingiliana katika nafasi na hufungana. Kulingana na unene wa sabunifilamu, mawimbi mawili yanaweza kuingiliana kwa kujenga au kwa uharibifu. Hesabu kamili ya muundo wa kuingiliwa inaonyesha kwamba kwa mwanga na wavelength moja λ, kuingiliwa kwa kujenga kunazingatiwa kwa unene wa filamu wa λ/4, 3λ/4, 5λ/4, nk, na kuingiliwa kwa uharibifu kunazingatiwa kwa λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Mfumo wa kukokotoa
Hali ya kuingiliwa ina matumizi mengi, kwa hivyo ni muhimu kuelewa milinganyo ya kimsingi inayohusika. Fomula zifuatazo hukuruhusu kukokotoa idadi mbalimbali inayohusishwa na uingiliaji kati kwa kesi mbili za kawaida za mwingiliano.
Mahali palipo na pindo angavu katika jaribio la Young, yaani, maeneo yenye mwingiliano mzuri, yanaweza kuhesabiwa kwa kutumia usemi: ybright.=(λL/d)m, ambapo λ ni urefu wa wimbi; m=1, 2, 3, …; d ni umbali kati ya inafaa; L ndio umbali wa kufikia lengo.
Mahali pa mikanda meusi, yaani, maeneo yenye mwingiliano hatari, hubainishwa na fomula: ynyeusi.=(λL/d)(m+1/2).
Kwa aina nyingine ya kuingiliwa - katika filamu nyembamba - kuwepo kwa uelekeo wa kujenga au uharibifu huamua mabadiliko ya awamu ya mawimbi yaliyoakisiwa, ambayo inategemea unene wa filamu na index yake ya refractive. Equation ya kwanza inaelezea kesi ya kutokuwepo kwa mabadiliko kama hayo, na ya pili inaelezea mabadiliko ya nusu-wavelength:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Hapa λ ni urefu wa wimbi; m=1, 2, 3, …; t ni njia iliyosafirishwa kwenye filamu; n ni faharasa ya kuangazia.
Uchunguzi katika asili
Jua linapomulika kwenye kiputo cha sabuni, mikanda ya rangi angavu inaweza kuonekana kwani urefu tofauti wa mawimbi unaweza kuathiriwa na uharibifu na kuondolewa kutoka kwa kuakisi. Mwangaza uliobaki unaonekana kama nyongeza kwa rangi za mbali. Kwa mfano, ikiwa hakuna sehemu nyekundu kama matokeo ya kuingiliwa kwa uharibifu, basi kutafakari itakuwa bluu. Filamu nyembamba za mafuta kwenye maji hutoa athari sawa. Kwa asili, manyoya ya ndege fulani, kutia ndani tausi na ndege aina ya hummingbirds, na maganda ya mbawakawa fulani yanaonekana isiyo na rangi, lakini hubadilika rangi kadiri pembe ya kutazama inavyobadilika. Fizikia ya macho hapa ni kuingiliwa kwa mawimbi ya mwanga yaliyoakisiwa kutoka kwa miundo ya tabaka nyembamba au safu za vijiti vya kuakisi. Vile vile, lulu na shells zina iris, shukrani kwa superposition ya kutafakari kutoka kwa tabaka kadhaa za mama-wa-lulu. Vito kama vile opal huonyesha mifumo mizuri ya mwingiliano kutokana na mtawanyiko wa mwanga kutoka kwa mifumo ya kawaida inayoundwa na chembe ndogo za duara.
Maombi
Kuna matumizi mengi ya kiteknolojia ya matukio ya uingiliaji wa mwanga katika maisha ya kila siku. Fizikia ya optics ya kamera inategemea yao. Mipako ya kawaida ya kupambana na kutafakari ya lenses ni filamu nyembamba. Unene wake na kinzani huchaguliwa kutoa mwingiliano wa uharibifu wa mwanga unaoonekana. Mipako maalum zaidi inayojumuishatabaka kadhaa za filamu nyembamba zimeundwa kupitisha mionzi katika safu nyembamba ya mawimbi na, kwa hivyo, hutumiwa kama vichungi vya mwanga. Mipako ya Multilayer pia hutumiwa kuongeza kutafakari kwa vioo vya darubini ya anga, pamoja na mashimo ya macho ya laser. Interferometry - mbinu sahihi za kipimo zinazotumiwa kuchunguza mabadiliko madogo katika umbali wa jamaa - ni msingi wa uchunguzi wa mabadiliko katika bendi za giza na mwanga zinazoundwa na mwanga unaoonekana. Kwa mfano, kupima jinsi mchoro wa mwingiliano utakavyobadilika hukuruhusu kubainisha mpindano wa nyuso za vijenzi vya macho katika sehemu za urefu wa mawimbi ya macho.
