Интерфере́нция све́та

История

Считается, что Джон А. Бергстрем провел первое исследование помех в 1892 году. Его эксперимент был подобен задаче Струпа и требовал от испытуемых разделить две колоды карт со словами на две стопки. Когда местоположение второй стопки было изменено, сортировка была медленнее, демонстрируя, что первый набор правил сортировки мешал изучению нового набора. Немецкие психологи продолжили эту работу вместе с Георгом Элиасом Мюллером и Пильцекером в 1900 году, изучая обратное вмешательство. Позже, к замешательству американцев, Мюллер использовал «ассоциативное Hemmung» (торможение) как общий термин для обозначения обратного и упреждающего торможения.

Следующее крупное достижение было сделано американским психологом Бентоном Дж. Андервудом в 1957 году. Андервуд пересмотрел классическую кривую обучения Эббингауза и обнаружил, что большая часть забвения была вызвана вмешательством из ранее изученных материалов.

В 1924 году Джеймс Дж. Дженкинс и Карл Далленбах показали, что повседневные переживания могут влиять на память с помощью эксперимента, который привел к тому, что запоминание было лучше в течение периода сна, чем в течение того же времени, посвященного активности. Соединенные Штаты снова добились прогресса в 1932 году, когда Джон А. МакГеоч предложил заменить теорию распада теорией интерференции

Самый последний крупный сдвиг парадигмы произошел, когда Андервуд предположил, что упреждающее торможение более важно или значимо, чем ретроактивное торможение при учете забывания.

Когерентность

Для появления интерференционной картины необходимо, чтобы условия минимумов и максимумов в данной точке не менялись. То есть чтобы разность хода двух волн всегда содержала одинаковое число полуволн. Это условие выполняется в том случае, если источники волн не перемещаются, а возбуждаемые волны имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Источники, отвечающие этому условию, называются когерентными. Только волны когерентных источников дают устойчивую интерференционную картину.

Если источники некогерентны, то во всех точках среды условия минимумов и максимумов начинают постоянно меняться, и устойчивая интерференционная картина сменяется хаотичным волновым процессом.

Интерференция света в тонких плёнках[править | править код]

основная статья:Интерференция в тонких плёнках


Интерференция в тонкой плёнке. α{\displaystyle \alpha } — угол падения, β{\displaystyle \beta } — угол преломления, жёлтый луч отстанет от оранжевого, они сводятся глазом в один и интерферируют.

Получить устойчивую интерференционную картину для света от двух разделённых в пространстве и независящих друг от друга источников света не так легко, как для источников волн на воде. Атомы испускают свет цугами очень малой продолжительности, и когерентность нарушается. Сравнительно просто такую картину можно получить, сделав так, чтобы интерферировали волны одного и того же цуга. Так, интерференция возникает при разделении первоначального луча света на два луча при его прохождении через тонкую плёнку, например плёнку, наносимую на поверхность линз у просветлённых объективов. Луч света длиной волны λ{\displaystyle \lambda }, падая перпендикулярно к поверхности плёнки толщиной d{\displaystyle d}, отразится дважды — от внутренней и наружной её поверхностей. Если плёнка достаточно тонка, так что её толщина не превышает длину цуга волн падающего света, то на верхней границе раздела сред отражённые лучи будут когерентны и поэтому смогут интерферировать.

Изменение фазы проходящего через плёнку луча, в общем случае, зависит от показателя преломления плёнки и окружающих её сред. Кроме того, надо учитывать, что свет при отражении от оптически более плотной среды меняет свою фазу на половину периода. Так, например, в случае для воздуха (n{\displaystyle n}1{\displaystyle 1} ≈ 1{\displaystyle 1}), окружающего тонкую масляную плёнку (n{\displaystyle n}2{\displaystyle 2} ≈ 1.5{\displaystyle 1.5}), луч, отражённый от внешней поверхности будет иметь сдвиг фазы π{\displaystyle \pi }, а от внутренней — не будет. Интерференция будет конструктивной, если итоговая разница между пройденными этими лучами путями на поверхности плёнки будет составлять полуцелое число длин волн в плёнке λ{\displaystyle \lambda }2{\displaystyle 2}=λ{\displaystyle =\lambda }1{\displaystyle 1}n1n2{\displaystyle {\frac {n_{1}}{n_{2}}}}.

То есть Δφconst=2d2πλ2+π(2k−1)=2d2πn2λ1n1+π(2k−1),k∈Z{\displaystyle \Delta \varphi _{const}=2d{\frac {2\pi }{\lambda _{2}}}+\pi (2k-1)=2d{\frac {2\pi n_{2}}{\lambda _{1}n_{1}}}+\pi (2k-1),k\in \mathbb {Z} }

Для деструктивной интерференции в данном примере необходимо, чтобы разность фаз между лучами была кратна 2π{\displaystyle 2\pi }.

То есть Δφdest=2d2πn2λ1n1+2πk,k∈Z{\displaystyle \Delta \varphi _{dest}=2d{\frac {2\pi n_{2}}{\lambda _{1}n_{1}}}+2\pi k,k\in \mathbb {Z} }

Полное гашение лучей произойдет для толщин плёнки: ddest=12λ1kn1n2{\displaystyle d_{dest}={\frac {1}{2}}\lambda _{1}k{\frac {n_{1}}{n_{2}}}}

Интерференция света на мыльном пузыре

При k=1{\displaystyle k=1} формула даёт результат ddest≈133{\displaystyle d_{dest}\approx 133} нм — и это минимальная толщина плёнки для данных условий для образования деструктивной интерференции.

Лучи соседних участков спектра по обе стороны от λ=400{\displaystyle \lambda =400} нм интерферируют не полностью и только ослабляются. Результирующее усиление одних частей спектра и ослабление других меняет окраску плёнки. Причем малейшие изменения толщины плёнки сразу же выражаются в смещении спектра наблюдаемого цвета — этот эффект легко продемонстрировать на примере с мыльным пузырём.

Явление интерференции наблюдается в тонком слое несмешивающихся жидкостей (керосина или масла на поверхности воды), в мыльных пузырях, бензине, на крыльях бабочек, в цветах побежалости, и т. д.

Что такое интерференция?

Рассматривать данное явление можно только с соблюдением специальных условий. Интерференция света – это образование полос ослабления и усиления, которые чередуются друг с другом. Одним из важных условий является наложение электромагнитных волн (пучков света) друг на друга, причем их количество должно быть от двух и более. Стоячая волна является частным случаем. Необходимо заметить, что интерференция – это сугубо волновой эффект, применимый не только к свету. В стоячей волне, которая и образуется благодаря наложению на отраженную или падающую волну, наблюдаются максимумы (пучности) и минимумы (узлы) интенсивности, которые чередуются друг с другом.

Презентация на тему: » Интерференция света и ее применение. Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при.» — Транскрипт:

1

Интерференция света и ее применение

2

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

4

Интерференция волн — явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабление в других в результате наложения двух или нескольких волн, приходящих в эти точки.

6

Условие интерференции: Волны должны иметь одинаковую длину, и примерно одинаковую амплитуду. Волны должны быть согласованы по фазе. Такие «согласованные» волны называют когерентными.

7

Исторически первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2. Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. Юнг впервые определил длины волн световых лучей разного цвета.

8

Опыт Юнга с двумя щелями

9

Световые волны друг друга усиливают В точке А наблюдается светлое пятно Световые волны друг друга гасят В точке А наблюдается темное пятно Световые волны друг друга ослабляют В точке А наблюдается полусветлое пятно

10

— волны от разных источников, распространяясь в одной и той же среде (области пространства) при встрече не взаимодействуют между собой, т.е. каждая из них не изменит ни направления, ни частоты колебаний, ни скорости распространения, ни длины волны

11

Δd = nλ — условие усиления волн (max ) Δ d = (2n + 1) λ /2, где n = 0, ±1, ±2, d 2 –d 1 = Δd — разность хода — условие ослабления волн (min)

12

α Δd α

13

х при n = 1

14

Наблюдение интерференции света

15

Бипризма Френеля

16

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

17

«Кольца Ньютона»

20

Радиус колец зависит от длины световой волны. λ =450 нм (зеленый) λ =800 нм (красный) R

21

— сложение в пространстве двух (или нескольких) когерентных волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуды результирующих колебаний в различных точках пространства

22

Интерференционная картина, созданная тонким слоем воздуха между двумя стеклянными пластинками

23

Интерференция в пленках

25

Структурная окраска

31

Просветление оптики

34

С помощью интерферометров проверяется качество обработки поверхностей предметов Если поверхности предметов, например стеклянных пластинок неровные, то интерференционные полосы или кольца искривляются

Перья, перепонки, раковины

Природа любит разнообразие. В том числе и в расцветках своих подопечных. Но сочетания пигментов ограничено, а вот пленочные переливы дают широкое поле для экспериментов. Интерференция в пленках придает цвет:

  • крыльям бабочек и жуков;
  • глазам пауков;
  • перьям птиц;
  • внутренним поверхностям раковин и жемчугу;
  • чешуе некоторых змей, лягушек, ящериц;
  • перепонкам семян некоторых растений.

Известен даже курьезный случай, когда один предприниматель захотел добывать изумительную синюю краску из крыльев недавно открытых тропических бабочек. Но порошок всегда оставался коричнево-серым. В итоге предприниматель разорился, но так и не понял, что крылья редких красавиц покрывали особые призмы, которые отражали только один цвет, синий. И разрушая эти хрупкие конструкции, он лишался чудесной краски.

Вверх, вниз, вперед

Прежде чем рассказывать об интерференции света и ее применение в технике, сначала надо разобраться с электромагнитными волнами. Колебания электромагнитного поля и составляет сущность лучей солнца.

Свет – это поток частиц под названием «фотон». Каждый фотон представляет собой единый неделимый пакет энергии, или квант. Он движется сквозь пространство вперед, пока не встретит препятствие. И как только это произойдет, может случиться следующее:

  • вещество поглотит фотон, взяв себе его энергию (явление называется поглощением);
  • вещество поглотит фотон одной длины волны, а излучит немного измененный (это явление рассеяния света);
  • фотон поменяет направление распространения (либо вследствие преломления, либо вследствие отражения).

Внутри пакета энергии под названием «фотон» происходит постоянное колебание электромагнитного поля. Причем для каждого кванта характерны свои особенности. Пока фотон движется, его свойства остаются неизменными.

Кольца Ньютона

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

Возьмите плосковыпуклую линзу с малой кривизной сферической поверхности и положите ее выпуклостью вниз на стеклянную пластину. Внимательно разглядывая плоскую поверхность линзы (лучше через лупу), вы обнаружите в месте соприкосновения линзы и пластины темное пятно и вокруг него совокупность маленьких радужных колец (см. рис. III, 1 на цветной вклейке). Это и есть кольца Ньютона. Ньютон наблюдал и исследовал их не только в белом свете, но и при освещении линзы одноцветным (монохроматическим) пучком. Оказалось, что радиусы колец одного и того же порядкового номера увеличиваются при переходе от фполетового конца спектра к красному; красные кольца имеют максимальный радиус. Расстояния между соседними кольцами уменьшаются с увеличением их радиусов (см. рис. III, 2, 3 на цветной вклейке).

Удовлетворительно объяснить, почему возникают кольца, Ньютон не смог. Удалось это Юнгу. Проследим за ходом его рассуждений. В их основе лежит предположение о том, что свет — это волны. Рассмотрим случай, когда волна определенной длины волны падает почти перпендикулярно на плосковыпуклую линзу (рис. 8.49). Волна 1 появляется к результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе сред стекло — воздух, а волна 2 — в результате отражения от пластины на границе сред воздух — стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину волны и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна  2   проходит   больший путь, чем волна 1. Если вторая  волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга.

Напротив, если вторая волнa отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах, и волны погасят друг друга.

Если известен радиус кривизны R выпуклой поверхности линзы, то можно вычисмшть, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волины определенной длины волны , гасят друг друга. Эти расстояния и являются радиусами темных колец Ньютона. Ведь линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности. Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.Длина световой волны. В результате измерений было установлено, что для красного света кр = 8 . 10-7м, а для фиолетового — ф = 4 . 107 м. Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, принимают промежуточные значения. Для любого цвета длина световой волны очень мала. Поясним это на простом примере. Представьте себе среднюю морскую волну длиной волны в несколько метров, которая увеличилась настолько, что заняла весь Атлантический океан от берегов Америки до Эвропы. Длина световой волны, увеличенной в той же пропорции лишь ненамного превысила бы ширину этой страницы.

Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны. Подобно тому как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или длиной волны.

В природе нет никаких красок, есть лишь волны разных длин волн. Глаз — сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, которому соответствует весьма незначительная (около 106 см) разница в длинах световых волн. Интересно, что большинство животных не способны различать цвета. Они всегда видят черно-белую картину. Не различают цвета также дальтоники — люди, страдающие цветовой слепотой.При переходе света из одной  среды  в  другую  длина волны изменяется. Это можно увидеть. Заполним водой или другой прозрачной жидкостью с показателем преломления п воздушную прослойку между линзой и пластиной. Радиусы интерференционных колец уменьшатся.

Почему это происходит? Мы знаем, что при переходе света из вакуума в какую-нибудь среду скорость света уменьшается в n раз. Так как =v, то при этом должна уменьшиться в n раз либо частота v, либо длина волны. Но радиусы колец зависят от длины волны. Следовательно, когда свет входит в среду, изменяется в n раз именно длина волны, а не частота.

Презентация на тему: » Волновые свойства света: интерференция и дифракция в природе и технике ГОУ ЦО 133 учитель Е.В. Шаркова.» — Транскрипт:

1

Волновые свойства света: интерференция и дифракция в природе и технике ГОУ ЦО 133 учитель Е.В. Шаркова

2

Интерференция света. Примеры интерференции

3

Интерференция света явление взаимного усиления или ослабления света при сложении когерентных волн. Интерференция возникает, когда два когерентных источника света (т. е. испускающие полностью согласованные лучи света с постоянной разностью фаз) расположены очень близко друг от друга. У двух независимых источников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют. Тем не менее интерференционные картины возникают за счет разделения одного светового луча, идущего от источника, на два ( они будут заведомо когерентны как части одного светового луча).

4

Опыт Юнга по интерференции света Световой луч, распространяющийся от отверстия S, проходя через отверстия S 1 и S 2, расположенные на малом расстоянии d друг от друга, делится на 2 когерентных луча, которые накладываются друг на друга и дают на экране интерференционную картину.

5

Другие опыты по интерференции света зеркала Френеля бипризма Френеля

6

Интерференция света в тонких плёнках

7

Один из примеров интерференции – КОЛЬЦА НЬЮТОНА Представляют собой 2 соприкасающиеся пластины: одна – идеально плоская, другая – выпуклая линза с очень большим радиусом кривизны. Вблизи места их соприкосновения образуется воздушный клин (см. ход лучей на рисунке). Положение колец можно изменять, меняя положение точки соприкосновения пластин. Кольца НЬЮТОНА в монохроматическом свете

8

Применение интерференции Просветление оптики Современные оптические приборы могут иметь десятки отражающих поверхностей. На каждой из них теряется 5 – 10% световой энергии. Вид интерференционных полос при различных дефектах обработки поверхностей Для уменьшения потерь энергии при прохождении света через сложные объективы оптических приборов и улучшения качества изображения поверхности объективов покрывают специальной прозрачной пленкой с показателем преломления большим, чем у стекла. Толщина пленки (и разность хода) такова, что падающая и отраженная волны, складываясь, гасят друг друга.

9

Просветление оптики Все волны одновременно погасить невозможно, поскольку результат интерференции зависит от длины волны света, а белый свет является полихромным. Поэтому гасят обычно волны центральной, желто-зеленой области спектра. ПОДУМАЙТЕ: почему объективы оптических приборов кажутся нам сиреневатыми?

10

Дифракция света. Примеры дифракционных явлений. «Размытое» изображение источников света (см. картинку) объясняется явлением дифракции

11

Дифракция света — это явление огибания световыми волнами препятствий (при этом свет проникает в область геометрической тени). Размеры препятствий при наблюдении дифракции должны быть соизмеримы с длиной световой волны. опыт В.К. Аркадьева

12

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

13

здоровый глаз с катарактой Так видит яркие источники света человек больной катарактой Дифракционные явления при катаракте

Интерференция и дифракция

То, что мы уже рассказали – это как бы повествование с конца. Все уже знают, что произойдет, поэтому смело лезут в сущность фотонов. А вот раньше никто и не подозревал, что свет – волна. И продолжалось так до тех пор, пока не были проведены опыты с интерференцией.

Если плоский пучок параллельных лучей направить на щель в стене, то в результате получится не ровная полоска света, а ряд белых и черных лент, расходящихся веером. Это происходит потому, что у света есть способность огибать края препятствия. И в процессе преодоления щели часть лучей поменяли направление распространения. Значит, в какой-то точке пространства они перекрестились с другими лучами, и на выходе сложились разными фазами. Именно поэтому применения интерференции и дифракции света часто совпадают.

Нейробиология

МРТ человеческого мозга

Струп и Саймон задача

Выполнение задач Струпа и Саймона контролировали на 10 здоровых молодых людях с помощью сканирования магнитно-резонансных изображений (МРТ). Функциональные изображения были получены через определенные промежутки времени во время сканирования каждого объекта. Активация мозга во время задания Струпа и Саймона была удивительно похожей, включая переднюю поясную извилину , дополнительную моторную кору , кору визуальных ассоциаций , нижнюю височную кору , нижнюю теменную кору , нижнюю лобную кору , дорсолатеральную префронтальную кору и хвостатые ядра . Эффекты интерференции в задачах Струпа и Саймона активируют аналогичные области мозга при одинаковом распределении времени.

Дифракция света

Перед дифракцией нужно сказать про ее «подругу» — интерференцию. Ведь интерференция и дифракция света — это явления, которые наблюдаются одновременно.

Волны является когерентными, если разность их фаз постоянна во времени, а при сложении получается волна той же частоты. Будет результирующая волна усилена (интерференционный максимум) или наоборот ослаблена (интерференционный минимум) — зависит от разности фаз колебаний. Максимумы и минимумы при интерференции чередуются, образуя интерференционную картину.

Интерференция волн

Дифракция света – еще одно проявления волновых свойств. Казалось бы, луч света всегда должен распространяться по прямой. Но нет! Встречая препятствие, свет отклоняется от первоначального направления как бы огибая преграду. Какие условия необходимы для наблюдения дифракции света? Собственно, это явление наблюдается на предметах любых размеров, но на больших предметах его наблюдать трудно и почти невозможно. Лучше всего это удается сделать  на препятствиях, сопоставимых по размерам с длиной волны. В случае со светом — это очень маленькие препятствия.

Дифракция проявляется не только для света, но и для других волн. Например, для звуковых. Или для волн на море. Отличный пример дифракции – это то, как мы слышим песню группы Пинк Флойд из проезжающей мимо машины, когда сами стоим за углом. Если бы звуковая волна распространялась прямо, она бы просто не достигла наших ушей, и мы бы стояли в полной тишине. Согласитесь, скучно. Зато с дифракцией гораздо веселее.

Дифракция в природе. Паутина работает, как дифракционная решетка

Для наблюдения явления дифракции используется специальный прибор – дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой систему препятствий, которые по размеру сопоставимы с длиной волны. Это специальные параллельные штрихи, выгравированные на поверхности металлической или стеклянной пластины. Расстояние между краями соседних щелей решетки называется периодом решетки или ее постоянной.

Что происходит со светом при прохождении дифракционной решетки? Попадая на решетку и встречая препятствие, световая волна проходит через систему прозрачных и непрозрачных областей, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентного света, которые после дифракции интерферируют друг с другом. Каждая длина волны отклоняется при этом на определенный угол, и происходит разложение света в спектр. В результате мы наблюдаем дифракцию света на решетке

Работа дифракционной решетки

Формула дифракционной решетки:

Здесь d – период решетки, фи – угол отклонения света после прохождения решетки, k – порядок дифракционного максимума, лямбда – длина волны.

Сегодня мы узнали, в чем чем заключается явления дифракции и дисперсии света. В курсе оптики очень сильно распространены задачи по теме интерференция, дисперсия и дифракция света. Авторы учебников очень любят подобные задачи. Чего нельзя сказать о тех, кому приходится их решать. Если Вы хотите легко справиться с заданиями, разобраться в теме, а заодно и сэкономить время, обратитесь к нашим авторам. Они помогут  Вам справиться с любой задачей!

Естественные источники

Когда можно наблюдать такое явление, как интерференция света? Излучаемые электромагнитные волны от естественных источников некогерентны, потому что они беспорядочно создаются разными атомами, обычно совершенно несогласованными друг с другом. Каждая выпущенная атомом отдельная волна представляет собой отрезок синусоиды, абсолютно когерентный сам с собой. Таким образом, необходимо разделить на два и более пучков один поток света, который идет от источника, а затем наложить получившиеся друг на друга. В этом случае мы сможем наблюдать минимумы и максимумы такого явления, как интерференция света.