Интерференция

Интерференция

Интерференцией называют наложение когерентных волн, при котором они стабильно усиливаются или ослабляются. Когерентные волны – это волны одинаковой частоты, стабильной разности фаз (в точке наложения) и одинакового направления колебаний соответствующих векторов.

Особенности явления интерференции

Интерференция света является следствием проявления его волновых свойств. Свет - это электромагнитные волны очень короткой длины. В парных взаимно перпендикулярно направленных электромагнитных волнах периодически меняются вектор напряженности электрического поля и вектор напряженности магнитного поля. Однако действие света на вещество определяется преимущественно влиянием его электрического поля. Объясняется это тем, что атомы и молекулы вещества состоят из электрически заряженных ядер, ионов и электронов; последние испытывают смещение вследствие действия электрического поля световой волны. Магнитное поле последнего может существенно проявляться лишь тогда, когда атом (или молекула) имеет значительный магнитный момент.

Вектор напряженности электрического поля волны называют световым вектором.

Уравнение плоской световой волны

Уравнение плоской световой волны, распространяющейся вдоль оси Ох, можно записать в виде

$E={{E}_{0}}\sin 2\pi (\frac{t}{T}-\frac{x}{\lambda }),$

где ${E}_{0}$ – амплитудное значение напряженности электрического поля волны.

Основным признаком интерференции волн является перераспределение энергии в волновом пространстве. Такое перераспределение энергии в явлениях интерференции света легко обнаружить по разной освещенности поверхности, на которой наблюдается результат наложения волн. Для этого нужно только то, чтобы интерференционная картина на поверхности наблюдения оставалась неизменной в течение времени, достаточного для восприятия; другими словами, чтобы разность фаз световых колебаний в различных точках волнового пространства оставалась неизменной.

Принцип суперпозиции световых волн

Принцип суперпозиции

Для световых волн подтверждается принцип суперпозиции, то есть принцип независимости волн при одновременном распространении в заданной среде.

Из принципа суперпозиции следует, что наложение световых волн ведет к результатам, аналогичным результатам наложения механических волн. Предположим, что в определенной точке среды накладываются две плоские световые волны одинаковой частоты с одинаковыми направлениями колебаний световых векторов, заданные уравнениями

${{E}_{1}}={{E}_{01}}\sin (\omega t-{{\alpha }_{1}})$
${{E}_{2}}={{E}_{02}}\sin (\omega t-{{\alpha }_{2}})$

При этом образуется результирующая волна такой же частоты колебаний:

$E={{E}_{1}}+{{E}_{2}}={{E}_{0}}\sin (\omega t-\alpha)$
Амплитуду и сдвиг фазы волны определяют так:

${{E}_{0}}^{2}={{E}_{1}}^{2}+{{E}_{2}}^{2}+2{{E}_{01}}{{E}_{02}}\cos ({{\alpha }_{1}}-{{\alpha }_{2}})$

$tg\alpha =\frac{{{E}_{01}}\sin {{\alpha }_{1}}+{{E}_{02}}\sin {{\alpha }_{2}}}{{{E}_{01}}\cos {{\alpha }_{1}}+{{E}_{02}}\cos {{\alpha }_{2}}}$

Зная, что энергия пропорциональна квадрату амплитуды колебания, из выражения для $E_{0}^{2}$ следует, что энергия результирующего колебания не равна сумме энергии его составляющих. Энергия результирующего колебания зависит от разности составляющих фаз $\alpha$, причем она может принимать любое значение от максимального при $\alpha_1-\alpha_2 = 0$, до минимального при сцен $\alpha_1-\alpha_2 = \pi$.

Когерентность

Когерентность

Источники, излучающие волны одинаковой частоты с постоянной разностью фаз, называются когерентными.

От них можно получить стабильную, достаточную для наблюдения, интерференцию волн.

Природные источники света некогерентные. Каждый из них состоит из огромного количества независимых элементарных излучателей, которыми являются атомы и молекулы. Последние в очень нагретых телах возбуждаются благодаря энергии теплового движения. Возбужденные атомы и молекулы излучают избыток энергии в виде света. Продолжительность свечения атома (или молекулы) составляет 10-8 с. Такой кратковременной в любой точке будет и интерференция света. Далее излучатель может послать волну другой частоты или в другой фазе.

Для получения когерентных волн прибегают к искусственным способам, а именно: от одного источника света волну раздваивают и направляют двумя различными путями, после чего, достигая одних и тех же точек, волны интерферируют. Для раздвоения световой волны широко используются явления отражения и преломления света.

Нетрудно понять, что в точке раздвоения обе волны имеют одинаковую фазу колебаний, а в любой точке интерференции их разность фаз будет зависеть от разницы пройденных путей.

Следует заметить, что интерференция света, осуществляемая таким способом, возможна при условии, когда разница ходов волн не превышает длины световых волн. Иначе наложения этих когерентных волн не произойдет.

Все изложенное касается обычных источников света, в которых происходит спонтанное излучение атомов или молекул. Однако существуют случаи резонансного и индуктивного излучения, где свойства когерентности другие: резонансное излучение когерентно с возбуждающим, а индуктивное – с принудительным излучением.

Не получается самостоятельно разобраться с темой? Заказать написание статьи по физике!

Тест по теме «Интерференция»