Използването на светлинни смущения

Днес ще говорим за основните приложения на намесата в различни области на човешката дейност. Нека разкрием същността на това явление и как да го обясним от гледна точка на вълновата теория на светлината.

Море, вятър, светлина

Това заглавие може да вдъхнови добра лятна ваканция или ваканция. От комбинацията от думи и удари солен бриз, ярко слънце и чувство за свобода. Но освен естествените асоциации, всички тези явления имат една обща черта: те са колебания на някаква среда. В този смисъл вятърът стои сам. Неговите вълни са редуващи се по-редки и по-плътни въздушни зони. Такива вибрации се наричат ​​напречни. Разбира се, те се подчиняват на колебателните закони, но все още са малко по-различни от другите видове вълни.

Светлината и водната повърхност са по-общи. Такива вълни са изместването на средата нагоре и надолу, неговата плътност не се променя. Добър модел обект в този случай е синус или косинусна графика. Ако си представим, че една точка се движи по повърхността на тези ритмични промени, тя ще бъде много подобна на електромагнитна вълна.

Нагоре, надолу, напред

Преди да говорим светлина смущения и използването му в технологията, трябва първо да се справите електромагнитни вълни. Колебанията на електромагнитното поле и са същността на слънчевите лъчи.

Светлината е поток от частици, наречен "фотон". Всеки фотон е единичен неделим енергиен пакет или квант. Той се движи през пространството напред, докато не срещне препятствие. И щом това се случи, може да се случи следното:

• материята ще абсорбира фотон, приемайки неговата енергия (явлението се нарича абсорбция);
• веществото ще абсорбира фотон със същата дължина на вълната и ще излъчва леко модифициран (това е явлението разсейване на светлината);
• фотонът променя посоката на разпространение (или поради пречупване, или поради отражение).

Вътре в енергийния пакет, наречен "фотон", има постоянно колебание на електромагнитното поле. Освен това, всеки квант има свои собствени характеристики. С движението на фотона, неговите свойства остават непроменени.

Свойства на фотоните на светлината

Електромагнитните кванти са вълни. Следователно те имат такива свойства като:

• дължина на вълната (λ);
• честота (ν);
• амплитуда (А);
• поляризация (линейна, кръгова, елиптична);
• посока на разпространение.

дължина на вълната и честотата е свързана със съотношението λν = c, където c е скоростта на светлината в пълен вакуум. Това означава, че тези две величини са обратно пропорционални един на друг: ако е известно, то другото е много лесно да се намери. Следното твърдение е също така вярно: колкото по-висока е честотата и колкото по-къса е дължината на вълната на фотона, толкова по-голяма е енергията, която носи частицата.

В мащаба на електромагнитните вълни червената светлина има по-ниска честота от синята. Това означава, че червените фотони са по-студени. В същото време, горещата вода е обозначена с кранове в червено, а студена - с по-висока енергия. Очевидно е, че основата е цветът на човешката кожа под въздействието на температурата, а не на електромагнитния спектър.

Среща по електромагнитни полета

Малко по-високо казахме: ако един фотон срещне препятствие, той се разтваря в веществото, губи своята индивидуалност. Но какво ще се случи, когато два фотона се срещнат в една точка в пространството?

Ако в света на елементарните частици съществува фикция, тя изглежда така:

„В един прекрасен квантов преход един индуциран фотон решава да напусне интериора на звездата и да диша свежи неутрино. Той минаваше през пространството на своята галактика със скоростта на светлината и внезапно срещна друг такъв точно фотон ... "

Всъщност, това, което се случва след това, зависи от фазата, в която се срещат двата кванта светлина.

Ако две „гърбици” се съберат в една точка, тогава тяхната амплитуда ще бъде сгъната и в този момент интензивността на светлината ще се удвои. Ако има "гърбица" и "куха", тогава тяхното взаимодействие ще гаси светлината, тъй като резултатът е нулева мощност. С различна фазова разлика ще има междинни нива на осветяване.

Интерференция и дифракция

Това, което вече казахме, е като история от края. Всеки вече знае какво ще се случи, така че смело се изкачи в същността на фотоните. Но преди никой не подозираше, че светлината - вълна. И продължаваше така, докато се проведоха експериментите с намеса.

Ако плосък лъч от паралелни лъчи е насочен към прорез в стената, резултатът няма да бъде дори една ивица светлина, а ред от бели и черни панделки, които се разминават като вентилатор. Това е така, защото светлината има способността да обикаля краищата на препятствието. И в процеса на преодоляване на пролуката на лъчите промениха посоката на размножаване. Това означава, че в даден момент в пространството те се кръстосват с други лъчи, а на изхода те образуват различни фази. Ето защо прилагането на намеса и дифракция на светлината често съвпадат.

Теоретичното значение на намесата

Различните типове дупки дават различни изображения. В описания по-горе експеримент можете да промените ширината на процепа, да добавите още една дупка, да я направите кръгла, квадратна и т.н. Крайната картина ще ви разкаже къде се срещат вълните и какъв ъгъл се отклоняват от първоначалната посока на разпространение. Определянето на вълновите свойства на светлината е първото приложение на интерференция в техниката и природата.

Обикновено трудно

Как да създадем плоска повърхност? Този въпрос беше зададен от инженери на древни фараони. Но сега това не е толкова лесна задача. Някои устройства използват стъклени плочи. И те трябва да бъдат много гладки. За да се провери качеството на крайния продукт, върху него се поставя друга подобна пластина и структурата се поставя в поток от паралелни светлинни лъчи. Ако интерференционните ресни са подравнени в равномерни редове, тогава повърхностите са плоски. Ако лентите някъде се огънат или счупят, тогава продуктът не е подходящ за изпълнение на неговата задача.

интерферометри

За измерване на точността на определени разстояния и определяне на самолета, създаден инструмент. Нарича се „интерферометър“. Принципът на работа е много прост: монохроматичното лъчение се разделя с няколко оптични устройства на два паралелни лъча. По пътя на един от тях се поставя измерения обект, вторият преминава без препятствия. Картината на минимумите и максимумите на осветлението ще разкрие неточности и ще определи разликата в хода на лъчите.

Цвят и светлина

Но до този момент във всички описани по-горе експерименти се приема, че се случват същите вълни. Това означава, че тяхната честота и амплитуда съвпадат, само фазите се различават. Но в природата няма абсолютно чисто монохроматично лъчение. Всеки истински източник на светлина дава цял диапазон от дължини на вълните, а амплитудите им също могат да бъдат различни. Но дори и в присъствието на естествена светлина възниква смущение. Само вместо светли и тъмни области ще се редуват различни цветове.

Бензин и природа

Използването на интерференция в природата може да се открие главно върху тънки покрития. Със сигурност всички видяха, че филмът на бензина по повърхността на локката блести с дъга в слънчев ден. Това е следствие от интерференция и дифракция на бялата светлина. Слънчеви лъчи съдържат всички дължини на вълните. Но те навлизат в очите на човек погрешно, без никакъв ред. Когато върху повърхността на водата се появи тънък слой светла материя, в няколко атома, той се разпространява неравномерно. Някъде височината на капака ще бъде повече, някъде - по-малко. Настъпват следните промени със светлината:

• те се отразяват от горната повърхност на филма;
• те се отразяват от долната повърхност на филма;
• те се намират на изхода на филма.

Естествено, със специфична дебелина на покритието за вълни с различна дължина, ще бъде създаден различен модел на фазова разлика. И само определени светлинни кванти ще се срещнат с максимумите. В същото време човешкото око ще види вълни от същия цвят.

Това явление съчетава отражение, интерференция и дифракция.

Пера, мембрани, черупки

Природата обича разнообразието. Включително цветовете на техните отделения. Но комбинацията от пигменти е ограничена, но преливането на филма осигурява широко поле за експериментиране. Интерференцията във филмите дава цвят:

• крилата на пеперудите и бръмбарите;
• очи от паяци;
• пера от птици;
• вътрешни повърхности на черупки и перли;
• люспи на някои змии, жаби, гущери;
• мембрани семена на някои растения.

Има дори един любопитен случай, в който един предприемач иска да получи невероятна синя боя от крилата на новооткритите тропически пеперуди. Но прахът винаги оставаше кафяво-сив. В резултат на това, предприемачът фалира, но не разбира, че крилата на редките красавици покриват специални призми, които отразяват само един цвят, синьо. И унищожавайки тези крехки структури, той загубил прекрасната си боя.