Padrões de interferência são faixas claras ou escuras causadas por feixes que estão em fase ou fora de fase entre si. Quando sobrepostas, ondas de luz e semelhantes se somam se suas fases coincidem (tanto na direção de aumento quanto de diminuição), ou se compensam se estiverem em antifase. Esses fenômenos são chamados de interferência construtiva e destrutiva, respectivamente. Se um feixe de radiação monocromática, todos com o mesmo comprimento de onda, passa por duas fendas estreitas (o experimento foi realizado pela primeira vez em 1801 por Thomas Young, um cientista inglês que, graças a ele, chegou à conclusão sobre a natureza das ondas de luz), os dois feixes resultantes podem ser direcionados em uma tela plana, na qual, em vez de dois pontos sobrepostos, são formadas franjas de interferência - um padrão de áreas claras e escuras alternadas uniformemente. Este fenômeno é usado, por exemplo, em todos os interferômetros ópticos.
Superposição
A característica definidora de todas as ondas é a superposição, que descreve o comportamento das ondas sobrepostas. Seu princípio é que quando no espaçoSe mais de duas ondas forem sobrepostas, a perturbação resultante será igual à soma algébrica das perturbações individuais. Algumas vezes esta regra é violada para grandes perturbações. Esse comportamento simples leva a uma série de efeitos chamados fenômenos de interferência.
O fenômeno da interferência é caracterizado por dois casos extremos. Nos máximos construtivos das duas ondas coincidem e estão em fase uma com a outra. O resultado de sua superposição é um aumento no efeito perturbador. A amplitude da onda mista resultante é igual à soma das amplitudes individuais. E, inversamente, na interferência destrutiva, o máximo de uma onda coincide com o mínimo da segunda - eles estão em antifase. A amplitude da onda combinada é igual à diferença entre as amplitudes de suas partes componentes. No caso em que são iguais, a interferência destrutiva é completa e a perturbação total do meio é zero.
Experiência de Jung
O padrão de interferência de duas fontes indica claramente a presença de ondas sobrepostas. Thomas Jung sugeriu que a luz é uma onda que obedece ao princípio da superposição. Seu famoso feito experimental foi a demonstração da interferência construtiva e destrutiva da luz em 1801. A versão moderna do experimento de Young difere essencialmente apenas por usar fontes de luz coerentes. O laser ilumina uniformemente duas fendas paralelas em uma superfície opaca. A luz que passa por eles é observada em uma tela remota. Quando a largura entre as ranhuras for muito maior do quecomprimento de onda, as regras da ótica geométrica são observadas - duas áreas iluminadas são visíveis na tela. No entanto, à medida que as fendas se aproximam, a luz difrata e as ondas na tela se sobrepõem. A própria difração é uma consequência da natureza ondulatória da luz e é outro exemplo desse efeito.
Padrão de interferência
O princípio da superposição determina a distribuição de intensidade resultante na tela iluminada. Um padrão de interferência ocorre quando a diferença de caminho da fenda para a tela é igual a um número inteiro de comprimentos de onda (0, λ, 2λ, …). Essa diferença garante que os máximos cheguem ao mesmo tempo. A interferência destrutiva ocorre quando a diferença de caminho é um número inteiro de comprimentos de onda deslocados pela metade (λ/2, 3λ/2, …). Jung usou argumentos geométricos para mostrar que a superposição resulta em uma série de franjas uniformemente espaçadas ou manchas de alta intensidade correspondentes a áreas de interferência construtiva separadas por manchas escuras de interferência destrutiva total.
Distância entre furos
Um parâmetro importante da geometria da dupla fenda é a razão entre o comprimento de onda da luz λ e a distância entre os orifícios d. Se λ/d for muito menor que 1, então a distância entre as franjas será pequena e nenhum efeito de sobreposição será observado. Usando fendas muito próximas, Jung foi capaz de separar as áreas escuras e claras. Assim, ele determinou os comprimentos de onda das cores da luz visível. Sua magnitude extremamente pequena explica por que esses efeitos são observados apenassob certas condições. Para separar áreas de interferência construtiva e destrutiva, as distâncias entre as fontes de ondas de luz devem ser muito pequenas.
Comprimento de onda
Observar os efeitos de interferência é um desafio por duas outras razões. A maioria das fontes de luz emite um espectro contínuo de comprimentos de onda, resultando em múltiplos padrões de interferência sobrepostos uns aos outros, cada um com seu próprio espaçamento entre as franjas. Isso cancela os efeitos mais pronunciados, como áreas de escuridão total.
Coerência
Para que a interferência seja observada por um longo período de tempo, fontes de luz coerentes devem ser usadas. Isso significa que as fontes de radiação devem manter uma relação de fase constante. Por exemplo, duas ondas harmônicas de mesma frequência sempre têm uma relação de fase fixa em cada ponto no espaço - seja em fase, ou em antifase, ou em algum estado intermediário. No entanto, a maioria das fontes de luz não emite ondas harmônicas verdadeiras. Em vez disso, eles emitem luz na qual ocorrem mudanças de fase aleatórias milhões de vezes por segundo. Essa radiação é chamada de incoerente.
A fonte ideal é um laser
A interferência ainda é observada quando ondas de duas fontes incoerentes são sobrepostas no espaço, mas os padrões de interferência mudam aleatoriamente, juntamente com uma mudança de fase aleatória. Sensores de luz, incluindo olhos, não podem registrar rapidamentemudança de imagem, mas apenas a intensidade média do tempo. O feixe de laser é quase monocromático (isto é, consiste em um comprimento de onda) e altamente coerente. É uma fonte de luz ideal para observar efeitos de interferência.
Detecção de frequência
Depois de 1802, os comprimentos de onda da luz visível medidos por Jung podem estar relacionados à velocidade insuficientemente precisa da luz disponível na época para aproximar sua frequência. Por exemplo, para luz verde é cerca de 6×1014 Hz. Isso é muitas ordens de magnitude maior do que a frequência das vibrações mecânicas. Em comparação, um humano pode ouvir o som com frequências de até 2×104 Hz. O que exatamente flutuou nessa taxa permaneceu um mistério pelos próximos 60 anos.
Interferência em filmes finos
Os efeitos observados não se limitam à geometria de fenda dupla usada por Thomas Young. Quando os raios são refletidos e refratados de duas superfícies separadas por uma distância comparável ao comprimento de onda, ocorre interferência em filmes finos. O papel do filme entre as superfícies pode ser desempenhado por vácuo, ar, quaisquer líquidos ou sólidos transparentes. Na luz visível, os efeitos de interferência são limitados a dimensões da ordem de alguns micrômetros. Um exemplo bem conhecido de filme é uma bolha de sabão. A luz refletida é uma superposição de duas ondas - uma é refletida na superfície frontal e a segunda - na parte de trás. Eles se sobrepõem no espaço e se empilham. Dependendo da espessura do sabãofilmes, duas ondas podem interagir construtiva ou destrutivamente. Um cálculo completo do padrão de interferência mostra que para luz com um comprimento de onda λ, interferência construtiva é observada para uma espessura de filme de λ/4, 3λ/4, 5λ/4, etc., e interferência destrutiva é observada para λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Fórmulas para cálculo
O fenômeno da interferência tem muitos usos, por isso é importante entender as equações básicas envolvidas. As fórmulas a seguir permitem calcular várias quantidades associadas à interferência para os dois casos de interferência mais comuns.
A localização das franjas brilhantes no experimento de Young, ou seja, áreas com interferência construtiva, pode ser calculada usando a expressão: ybright.=(λL/d)m, onde λ é o comprimento de onda; m=1, 2, 3, …; d é a distância entre os slots; L é a distância até o alvo.
A localização das bandas escuras, ou seja, áreas de interação destrutiva, é determinada pela fórmula: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Para outro tipo de interferência - em filmes finos - a presença de uma superposição construtiva ou destrutiva determina o deslocamento de fase das ondas refletidas, que depende da espessura do filme e de seu índice de refração. A primeira equação descreve o caso da ausência de tal deslocamento, e a segunda descreve um deslocamento de meio comprimento de onda:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Aqui λ é o comprimento de onda; m=1, 2, 3, …; t é o caminho percorrido no filme; n é o índice de refração.
Observação na natureza
Quando o sol brilha em uma bolha de sabão, faixas coloridas brilhantes podem ser vistas, pois diferentes comprimentos de onda estão sujeitos a interferência destrutiva e são removidos do reflexo. A luz refletida restante aparece como complementar às cores distantes. Por exemplo, se não houver componente vermelho como resultado de interferência destrutiva, o reflexo será azul. Filmes finos de óleo sobre água produzem um efeito semelhante. Na natureza, as penas de alguns pássaros, incluindo pavões e beija-flores, e as conchas de alguns besouros parecem iridescentes, mas mudam de cor à medida que o ângulo de visão muda. A física da óptica aqui é a interferência de ondas de luz refletidas de estruturas em camadas finas ou matrizes de hastes refletivas. Da mesma forma, pérolas e conchas têm uma íris, graças à superposição de reflexos de várias camadas de madrepérola. Pedras preciosas como a opala exibem belos padrões de interferência devido à dispersão da luz de padrões regulares formados por partículas esféricas microscópicas.
Aplicativo
Existem muitas aplicações tecnológicas dos fenômenos de interferência de luz na vida cotidiana. A física da ótica da câmera é baseada neles. O revestimento anti-reflexo usual das lentes é um filme fino. Sua espessura e refração são escolhidas para produzir interferência destrutiva da luz visível refletida. Revestimentos mais especializados constituídos porvárias camadas de filmes finos são projetadas para transmitir radiação apenas em uma faixa estreita de comprimento de onda e, portanto, são usadas como filtros de luz. Revestimentos multicamadas também são usados para aumentar a refletividade de espelhos de telescópios astronômicos, bem como cavidades ópticas de laser. A interferometria - métodos de medição precisos usados para detectar pequenas mudanças nas distâncias relativas - baseia-se na observação de mudanças nas faixas escuras e claras criadas pela luz refletida. Por exemplo, medir como o padrão de interferência mudará permite determinar a curvatura das superfícies dos componentes ópticos em frações do comprimento de onda óptico.
