Чем отличается дифракция от интерференции – Интерференция и дифракция это не одно и тоже? В чём их отличие применительно к электрону?

Содержание

В чем разница между дифракцией и интерференцией света?

Дифракция распространяется на пучок света, когда он проходит через отверстие или испускается из конечного источника. Это связано с тем, что луч света имеет некоторый k-векторный спектр, имеющий некоторую конечную ширину.

Вы можете думать об этом как о пучке фотонов, имеющей распространение импульсов. Это связано с принципом неопределенности, поскольку наличие апертуры ограничивает свет в пространстве пространственного положения, поэтому расширяет его пространственную частотную область .

Подобным эффектом для дифракции, который происходит в пространстве, является дисперсия, которая происходит во времени. Это приводит к распространению световых импульсов во временной области распространения во время распространения, из-за того, что он формирует его во многих частотах (во временной частотной области ).

Однако причины этих двух эффектов, дифракции и дисперсии немного отличаются. Дифракция происходит из-за того, что направления k-векторного спектра различны, происходит дисперсия, потому что фазовая скорость каждой частоты отличается. Тем не менее уравнения, описывающие эти два явления, очень схожи и, например, приводят к понятию солитонов, которые происходят как в пространстве, так и во времени путем балансировки дисперсии / дифракции с нелинейностью.

С другой стороны, интерференция представляет собой явление, возникающее в результате наложения волн. Они могут иметь разные амплитуды, частоты или фазы, и это будет влиять на то, как будет выглядеть наложенная финальная волна (сумма всех амплитуд интерферирующих волн).

Это не только наблюдается в эксперименте с двумя щелями в пространстве, но и вы можете использовать его для объяснения формирования сверхкоротких импульсов посредством конструктивной интерференции волн в некоторых точках времени и деструктивных в других. Два таких импульса в непосредственной близости (близкие здесь, в зависимости от разрешения спектрометра) также создают интерференционные полосы в измеренном спектре.

Интерферирующие волны не должны быть сферическими или происходить из одного источника. Если в какой-либо точке пространства-времени какие-то волны, исходящие из где бы то ни было, будут встречаться, они будут каким-то образом вмешиваться в зависимости от их параметров.

askentire.net

26.Единство и различие явлений дифракция и интерференция

и теорема Котельникова

По своему происхождению дифракции и интерференция два различных понятия, что отразилось и в смысле слов, которыми их обозначили. Дифракция это дробление, разделение, разламывание, а интерференция это взаимное влияние, смешивание. Таким образом, если дифракция по своей функции это разделение, то интерференция это соединение, то есть эти два явления по своему проявлению суть противоположности.

Рассмотрение сущности этих явлений с точки зрения выявления их общности и различий нужно проводить на основании механизма взаимодействия света с веществом, поскольку все наблюдаемые оптические эффекты проявляются в результате взаимодействия света с веществом.

Все вещества состоят из атомов и молекул. И именно взаимодействие света с атомами и молекулами и определяет все наблюдаемые процессы.

Основные характеристики взаимодействия света с атомом, в частности повторное излучение без изменения частоты, можно получить заменой атома электронным осциллятором. Всякий раз, когда свет проходит через атом, находящийся в основном состоянии, в атоме возникают общие колебания таких же типов и силы, которые должны совершать осцилляторы в рассматриваемой модели при облучении их светом. Электронное облако каждого атома совершает колебания под действием света. Облако колеблется с частотой падающего света, и с амплитудой, соответствующей амплитуде колебаний в осцилляторной модели.

Именно эти колебания, амплитуда которых менее 10-17м, и обеспечивают вторичное испускание света, в результате чего мы и видим все предметы.

Движение осциллятора, облучаемого светом, является суперпозицией всех движений, которые он совершал бы при облучении совокупностью световых волн. Следовательно, для изучения поведения атомов под действием света достаточно лишь знать движение осцилляторов, возбуждаемое электрической волной определенной частоты и фазы.

Если на электронный осциллятор падает электромагнитная волна с частотой ω, то действие электрического поля проявляется как периодическая сила и приводит к появлению характеристических колебаний. Периодическое электрическое поле вызывает колебания осциллятора с частотой и фазой падающего поля ω, а не с собственной резонансной частотой ω0. Амплитуда колебаний пропорциональна амплитуде внешней силы, а фазовая постоянная определенным образом связана с фазовой постоянной внешней силы.

Для неоднородного линейного уравнения, описывающего колебания осциллятора под действием внешней силы, справедлив принцип суперпозиции, заключающийся в том, что решение, соответствующее суперпозиции различных внешних сил, представляет собой суперпозицию отдельных решений.

При дифракции падающая (в общем случае одна) волна взаимодействует с “границей” вещества. На границе вещества атомы переизлучают падающую волну в разных направлениях – волна “разламывается”. При интерференции же волны (как минимум две волны) падают (взаимодействуют) на одни и те же атомы вещества, одновременно возбуждая их, причем каждая со своей фазой и амплитудой, а в общем случае еще и со своей частотой. Поэтому, при определенных соотношениях фаз падающих волн, атом (осциллятор) может возбуждаться резонансно и в этом случае интенсивность рассеянного излучения возрастает, а при каком-то другом соотношении фаз, возбуждаемые в атоме колебания взаимно гасятся и переизлученной волны не возникает. В первом случае мы наблюдаем (регистрируем) максимум интенсивности, а во втором минимум.

Таким образом, два, казалось бы, совершенно разных явления, оба обусловлены взаимодействием света с веществом.

Теорема Котельникова связываетаналоговыеидискретныесигналы и гласит, что, еслианалоговый сигналимеет конечный (ограниченный по ширине)спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своимотсчётам, взятым с частотой, большей или равной удвоенной верхней частоте:

Такая трактовка рассматривает идеальный случай, когда сигнал начался бесконечно давно и никогда не закончится, а также не имеет во временно́й характеристикеточек разрыва. Если сигнал имеет разрывы любого рода в функции зависимости его от времени, то егоспектральная мощностьнигде не обращается в нуль. Именно это подразумевает понятие «спектр, ограниченный сверху конечной частотой».

Разумеется, реальные сигналы (например, звук на цифровом носителе) не обладают такими свойствами, так как они конечны по времени и обычно имеют разрывы во временно́й характеристике. Соответственно, ширина их спектра бесконечна. В таком случае полное восстановление сигнала невозможно, и, из теоремы Котельникова, вытекают два следствия:

Любой аналоговый сигнал может быть восстановлен с какой угодно точностью по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой , где— максимальная частота, которой ограничен спектр реального сигнала;

Если максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то способа восстановить сигнал из дискретного в аналоговый без искажений не существует.

Говоря шире, теорема Котельникова утверждает, что непрерывный сигнал можно представить в виде интерполяционного ряда:

где — функцияsinc. Интервал дискретизации удовлетворяет ограничениямМгновенные значения данного ряда есть дискретные отсчёты сигнала.

studfiles.net

Дифракция и интерференция — В чём отличие между дифракций и интерференцией? — 22 ответа



Дифракция и интерференция волн

В разделе Естественные науки на вопрос В чём отличие между дифракций и интерференцией? заданный автором Евровидение лучший ответ это Если хочешь получить ответ с пояснениями - не отключай в другой раз комментарии.
Зеркало, калейдоскоп и камень - это геометрическая оптика. Прямого отношения ни к дифракции ни к интерференции не имеет. Это образование спектров и радуг - это рефракция.
Дифракция - видно например на фотографиях когда вокруг лампочек видны "звезды" из лучей. (Дифракция на диафрагме фотоаппарата)
Интреференция (света) в обыденой жизни не видна, для того что бы увидеть интерференционные картины нужны спец приблуды типа интерфереметров.
Если говорить не о свтвых явлениях - то интерференция это когда встречаются две волны то ямы становятся глубже, а горбы выше.
Дифракция - когда после прохождения прямого препятсвия волна становится круглой.

Ответ от 22 ответа[гуру]

Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: В чём отличие между дифракций и интерференцией?

Ответ от Ёвятой[новичек]
Дифра́кция во́лн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный) — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Первоначально понятие дифракции относилось только к огибанию волнами препятствий, но в современном, более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн) .
Интерфере́нция све́та — явление взаимного усиления или ослабления света до полной темноты (гашения) при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний. Интерференция возникает, когда два когерентных источника света, т. е. испускающие полностью однородные лучи света с постоянной разностью фаз, расположены очень близко друг от друга. Такими источниками света являются, например, два зеркальных изображения одного источника света. У двух разных источников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют.

Ответ от Волосок[гуру]
Дифракция - это, грубо говоря, разложение света, скажем на составляющие под действием чего-либо, а интерференция - это наложение одной волны на другую.

Ответ от Просветить[гуру]
Дифракция - изменение движения фронта волны под влиянием каких-либо препятствий. Классический пример - волна на поверхности воды проходит через отверстие в преграде и становится полукруглой.
Интерференция - локальное усиление/ослабление интенсивности волн при наложении двух или более волн.
Интерференция часто является следствием дифракции.
Надеюсь понятия интенсивности и фронта волны обывателю понятны.

Ответ от Коротеев Александр[гуру]
Интерференция:
Когда в одной точке пространства находятся две волны (любой природы - электромагнитная ли, звуковая или круги на воде) - результирующее значение того, что колеблется (напряжённость поля, плотность воздуха, высоту уровня воды) надо сладывать вообще говоря по амплитуде. (А энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды. ) Это сложение - это и есть интерференция волн.

Если частоты колебаний сильно различаются, то энергия результирующего колебания примерно равна сумме энергий складываемых колебаний. И она постоянна везде, где обе волны находятся вместе. Это хорошо можно представить себе, если представить две синусоиды - низкочастотную и высокочастотную. Если их сложить - будет как бы высокочастотная со средним, колеблющимся как низкочастотная.
ДРУГОЕ ДЕЛО - когда частоты колебаний близки или совпадают. Тут в некоторых местах волны явно повторяют друг друга (положениме горбов и впадин) и складываются в фазе, а в некоторых - наоборот - гасят друг друга. Получается - что в некоторых местах энергия колебаний большая, а в других - маленькая. А это что значит. Это какие-то кольца, полосы и т. д. Обычно вот ЭТО называют интерференцией. Здесь уже важны фазовые соотношения колебаний в данной точке в данный момент времени. А в предыдущем случае - одно относительно другого меняется быстро и фазы роли не играют.
Дифракция же понятие многогранное.
Дифракцию света можно объяснять через интерференцию. Когда речь об интерференции - речь просто о двух волнах - не важно откуда они взялись. А при рассмотрении дифракции - волновой фронт как бы разбивается на точки, каждая из которых рассматривается как точечный источник света и далее считается интерференция (т. е. сложение их волн) между ними.
Если таким образом рассматривать огибание светом препятствия, сравнимого с длиной волны - возникают картины, отличные от геометрической оптики.
&gt^.^&lt

Ответ от Натахон[гуру]
Дифракция - отклонение от законов геометрической оптики, выражающееся в ОГИБАНИИ ВОЛНАМИ ПРЕПЯТСТВИЙ (световыми, звуковыми и т. п.). Дифракция наблюдается при распространении света в среде с резко выраженными неоднородностями.
Интерференция - физическое явление, наблюдаемое при СЛОЖЕНИИ двух или нескольких ВОЛН (световых, звуковых и т. п.) , линейно поляризованных в одной плоскости; усиление волн в одних точках пространства и ослабление в других.

Ответ от Булат 1[гуру]
Дифракция - проявление волновой сущности света.
Если б свет был частицами, то при прохождении через две щели на экране было бы две светлые полосы. На самом же деле возникает дифракционная картина из многих полос, причём самое яркое место - посередине между полосами.
Впрочем, дифр. картина возникает у когерентного источника, но от обычной лампочки тоже не будет просто два светлых пятна (если расстояние между щелями порядка микрометров). В реальной жизни, когда расстояние между щелями - сантиметры и миллиметры, дифракция практически не наблюдается. Но в точной оптике, например в телескопостроении, дифракция имеет существенное значение.
Дифракцию в бытовых условиях можно наблюдать, пустив волны в воде и на их пути поставив стенку с двумя щелями.

Ответ от Ftoridol Ftoridol[новичек]
Я автор вопроса.
Дифракция это зеркало, детский калейдоскоп и ограненный драгоценный камень.
А интерференция спектр (радуга) и волны на воде гасяшие друг друга, лучи света солнца при закате или восходе смешанные с темнотой синего неба и когда смотришь на солнце сквозь стёклышко от разбитой зеленой бутылки.
Я правильно понял?

Ответ от Leonid[гуру]
Самое главное: для интереференции ВСЕГДА нужно ДВЕ волны. Для дифракции достаточно ОДНОЙ волны, но обязательно нужно ПРЕПЯТСТВИЕ - щель, или отверстие, или хоть конечная апетрура выходного пучка (дифракционная расходимость лазерного луча как раз этим вызывается) .
А всё остальное - это уже примеры для иллюстрации.


Ответ от 2 ответа[гуру]

Привет! Вот еще темы с нужными ответами:

Дифракция на Википедии
Посмотрите статью на википедии про Дифракция

 

Ответить на вопрос:

22oa.ru

Интерференция и дифракция, с примерами решений

Определение интерференции

Или немного иначе: Интерференцией называют сложение в пространстве волн, при этом возникает неизменное во времени амплитудное распределение суммарных колебаний.

Интерференцией волн света называют сложение волн, при котором можно наблюдать устойчивую во времени картину усиления или ослабления суммарных колебаний света в разных пространственных точках. Термин интерференция в науку ввел Т. Юнг.

Условия возникновения интерференции

Для того чтобы при наложении волн образовывалась устойчивая интерференционная картина необходимо, чтобы источники волн обладали одинаковой частотой и постоянной разностью фаз. Подобные источники называют когерентными (согласованными). Когерентными называют волны, которые созданы когерентными источниками.

Так, исключительно при наложении когерентных волн возникает устойчивая интерференционная картина.

В оптике для создания интерференционной картины когерентные волны получают:

  1. делением амплитуды волны;
  2. делением фронта волны.

Условие минимумов интерференции

Амплитуда колебаний интерферирующих волн в рассматриваемой точке будет минимальной, если разность хода () волн в этой точке содержит нечетное число длин полуволн ():

   

Допустим, что на отрезке укладывается , тогда получается, одна волна отстает от другой на половину периода. Разность фаз этих волн оказывается равна , что означает – колебания происходят в противофазе. При сложении таких колебаний, амплитуда суммарной волны получится равной нулю.

Условие максимумов интерференции

Амплитуда колебаний интерферирующих волн в рассматриваемой точке будет максимальной, если разность хода () волн в этой точке содержит целое число длин волн ():

   

Определение дифракции

Слово дифракция с латинского языка означает разломанный.

Явление дифракции объясняют при помощи принципа Гюйгенса. Вторичные волны, которые испускаются участками вещества (среды), попадают за края препятствия, которое находится на пути движения волны. Согласно теории Френеля поверхность волны в любой произвольный момент времени – это не только огибающая вторичных волн, а результат их интерференции.

Условия, при которых наблюдается дифракция

Особенно явно дифракция проявляется тогда, когда размеры препятствия меньше или сравнимы с длиной волны.

Дифрагировать могут волны любой природы, как и интерферировать.

Условие минимумов интенсивности

При дифракции световой волны на одной щели при нормальном падении лучей условие минимума интенсивности записывается как:

   

где a – ширина щели; – угол дифракции; k – номер минимума; – длина волны.

Условие максимумов интенсивности

При дифракции световой волны на одной щели при нормальном падении лучей условие максимума интенсивности записывается как:

   

где – приближенная величина угла дифракции.

Условие главных максимумов интенсивности при дифракции на дифракционной решетке

Условие главных максимумов интенсивности дифракция света на дифракционной решетке при нормальном падении лучей записывают:

   

где d – период (постоянная) решетки; k – номер главного максимума; – угол между нормалью к плоскости решетки и направлением дифрагированных волн.

Значение дифракции

Дифракция не дает возможности получать четкие изображения мелких предметов, так как не всегда можно считать, что свет распространяется строго по прямой. Вследствие этого, изображения могут быть размытыми, при этом увеличение не помогает увидеть детали предмета, если его размер сравним с длиной волны света. Явление дифракции накладывает границы на применимость законов геометрической оптики и определяет предел разрешающей способности оптических приборов.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

Что такое интерференция и дифракция?

Разглядывая сияющее голографическое изображение, большинство из нас вряд ли вспоминает физические термины «дифракция» и «интерференция световых волн».


Но именно благодаря изучению этих понятий появилась возможность создавать голограммы.

Что такое дифракция света?

Слово «дифракция» образовано от латинского «diffractus», что означает в дословном переводе «огибание волнами препятствия». Как известно, свет имеет волновую природу, и его лучи подчиняются волновым законам. Дифракцией в физике называют оптические явления, возникающие, когда световые волны распространяются в оптически неоднородной среде с непрозрачными включениями.

Волновая природа света определяет его поведение при огибании препятствий. Если препятствие во много раз больше длины световой волны, свет не огибает его, образуя зону тени. Но в случаях, когда размеры препятствий соразмерны с длиной волны, возникает явление дифракции. В принципе, любое отклонение от геометрических оптических законов можно отнести к дифракции.

Интерференция волн

Если мы установим перед источником света непрозрачный экран и проделаем в нём точечное отверстие, то проникающие через эту точку лучи света на следующем экране, расположенном параллельно первому, отобразятся в виде концентрических колец с чередованием светлых и тёмных окружностей. Это явление в физике называют дифракцией Френеля, по имени учёного, который впервые обнаружил его и описал.

Изменив форму отверстия и сделав его щелеобразным, мы получим на втором экране другую картину. Световые лучи расположатся в виде ряда светлых и тёмных полосок, как на магазинном штрих-коде. Дифракцию света на щелеобразном отверстии впервые описал немецкий физик Фраунгофер, именем которого она называется до сих пор.

Объяснить разложение световой волны на светлые и тёмные участки учёные смогли при помощи понятия интерференции. Несколько источников волновых колебаний, если частоты их колебаний когерентны (одинаковы либо кратны друг другу), могут усиливать излучение друг друга, но могут и ослаблять, в зависимости от совпадения фаз колебаний. При огибании препятствий и возникновении вторичных волн вступает в действие их интерференция. На участках, где фазы волн совпадают, наблюдается повышенная освещённость (яркие светлые полоски либо окружности), а там, где не совпадают – освещённость снижена (тёмные участки).

Дифракционная решётка

Если взять прозрачную пластинку и нанести на неё ряд параллельных непрозрачных чёрточек на одинаковом расстоянии друг от друга, то мы получим дифракционную решётку. При пропускании через неё плоского светового фронта образуется дифракция на непрозрачных штрихах. Вторичные волны, взаимно ослабляясь и усиливаясь, образуют дифракционные минимумы и максимумы, что легко обнаружить на экране, поставленном за решёткой.

При этом происходит не только отклонение световых лучей, но и разложение белого света на цветовые спектральные составляющие. В природе нужная для маскировки окраска крыльев бабочек, оперения птиц, змеиной чешуи часто образуется благодаря использованию дифракционных и интерференционных оптических явлений, а не из-за пигментов.

Голограммы

Принцип голограммы был изобретён в 1947 году физиком Д. Габором, который впоследствии получил за его изобретение Нобелевскую премию. Трёхмерное, т.е. объёмное изображение объекта можно снять и записать, а затем воспроизвести, если использовать лазерные лучи. Одна из световых волн называется опорной и испускается источником, а вторая – объектной и отражается от записываемого объекта.

На фотопластинке либо другом материале, предназначенном для записи, фиксируется сочетание светлых и тёмных полос и пятен, которые отображают интерференцию электромагнитных волн в этой зоне пространства. Если на фотопластинку направляют свет с длиной волны, соответствующей характеристикам опорной волны, то происходит его преобразование в световую волну, по характеристикам близкую к объектной. Таким образом, в световом потоке получается объёмное изображение зафиксированного объекта.

Сегодня неподвижные голограммы можно записывать и воспроизводить даже в домашних условиях. Для этого нужен лазерный луч, фотопластина и каркас, который надёжно удерживает в неподвижности эти приспособления, а также объект записи. Для домашней голограммы отлично подойдёт луч лазерной указки со снятой фокусирующей линзой.

www.vseznaika.org

2 Дифракция света

МЧС России

Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы

Утверждаю

Начальник кафедры физики и теплотехники, полковник вн.сл. Иванов А.Н.

(должность, звание, ФИО)

«13» октября 2008 года

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине «Физика»

Специальность 280104.65 - Пожарная безопасность

Заочное отделение, 6 лет

Тема № 6 «Оптика»

Обсуждена на заседании кафедры

Протокол № 2/10 от

«13» октября 2008 года

Санкт- Петербург

2008

I. Цели занятия

1. Образовательная – изучение интерференции, дифракции света и законов теплового излучения

2. воспитательные

- применение рассмотренных явлений в пожарной безопасности

- повышение квалификации сотрудников ГПС

II. Расчёт учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия

Время, мин.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Учебные вопросы:

1.Интерференция света

2.Дифракция света

3.Тепловое излучение

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

260

80

90

90

5

III. Литература

Основная:

1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2003, с.316-375.

Дополнительная:

Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1989, Т.1.

Трубилко А.И., Звонов В.С., Поляков А.С., Дятченко А.А. Электричество. Пособие для самостоятельной работы - СПб.: СПбИПБ МВД России, 1998.

IV. Учебно-материальное обеспечение

  1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, интерактивная доска.

V. Текст лекции

Вводная часть. Ставятся цели занятия.

Учебные вопросы

1 Интерференция света

Явление интерференции заключается в наложении колебаний, вызванных различными источниками, с образо­ванием упорядоченной картины чередования максимумов и минимумов интенсивности. Отметим, что интерференционная картина стационарна (не меняется во времени), хотя источники постоянно колеблются. Упорядоченная картина возникает благодаря усилению или ослаблению колебаний в точках пространства, до которых распространились воз­мущения от источников. Интерференция наблюдается при взаимодейс­твии волн любой природы, в частности электромагнитных (свет, радиоволны) и звуковых. Возникновение интерференции возможно только при условии когерентности источников колебаний.

Когерентность. Источники колебаний (независимо от их природы) называются когерентными, если выполняются два условия:

1. частоты их колебаний одинаковы;

2. разность фаз колебаний не меняется во времени, т.е.

Невыполнение хотя бы одного из приведенных условий означает, что источники не будут когерентными. Стационарной устойчивой ин­терференционной картины в этом случае не возникает. Условия коге­рентности могут выполняться приближенно на определенном интервале времени и в ограниченной области пространства. В этом случае го­ворят о времени и длине когерентности.

При создании когерентных источников труднее всего обеспечить постоянство разности фаз. Для того, чтобы создать когерентные ис­точники света (если в качестве источника света не используется лазер) световой луч разделяют на два. В частности, при использовании плоскопараллельной пластинки когерентными будут: луч, отра­женный от передней границы, и луч, преломленный на передней и от­раженный от задней границы (рис. 1). Кроме того, для получения когерентных лучей применяют бипризму Френеля и билинзу Бийе. Когерентные источники радиоволн можно получить, подавая на две или несколько антенн колебания от одного и того же генератора.

Рис.1. Получение когерентных лучей с помощью плоскопараллельной пластины

Интенсивность колебаний. Интенсивность пропорциональ­на квадрату амплитуды колебаний. Интенсивность колебаний в данной точке пространства при действии двух когерентных источников (рис. 2) определяется следующим соотношением

(1)

где - амплитуда колебаний первого и второго источ­ников,- разность фаз колебаний от источников в точке наблюдения,- частота колебаний,- скорость распростра­нения колебаний,- разность хода от источников до точки наблюдения. Отметим, что, где- длина волны колебания.

Если источники колебаний одинаковы, то А. Тогда из (1) будем иметь

(2)

Рис.2. Сложение колебаний от двух когерентных источников

Формула (2) дает распределение интенсивности колебаний в прост­ранстве при интерференции волн от двух источников (разность хода зависит от положения точки наблюдения). С ее помощью мож­но получить распределение интенсивности на экране.

Используя метод векторных диаграмм, можно получить формулу для интенсивности колебаний в случае интерферен­ции волн от N источников, расположенных на одной линии:

(3)

где - разность фаз соседних источников. При N = 2 эта формула переходит в (2). Приимеем. Таким образом, интенсивность волн, создаваемых N источниками, оказывается враз больше интенсивности, создаваемой отдельным источником (рис. 2.3).

Геометрическая разность хода. Характер взаимодействия двух колебаний, вызванных разными когерентными источниками, зави­сит от соотношения расстояний иот источников до данной точки пространства. Разностьназывается геометричес­кой разностью хода. В данной точке пространства Р (рис. 2) бу­дет наблюдаться максимальное усиление колебаний, если разность фазкратна. В этом случае разность ходадвух волн равна целому числу длин волн (условие максимумов):

, (4)

Ослабление колебаний наблюдается, если . При этом разность ходаравна полуцелому числу длин волн (условие минимумов)

(5)

Оптическая разность хода. Разность фаз колебаний, достигших точки наблюдения, может быть обусловлена не только раз­ной длиной пути, но и разными свойствами сред, через которые про­ходят колебания. Если два когерентных луча света прошли через среды с разными коэффициентами преломления и, то под вели­чинойпонимается оптическая разность хода, которая определяет­ся как:

(6)

Условиями максимумов и минимумов по-прежнему являются соот­ношения (4) и (5).

Интерференция, возникающая из-за разной оптической плотности эталонной (чистый воздух) и загрязненной (воздух с примесью) га­зовых сред, используется в шахтном интерферометре для определения концентрации пожароопасных примесей и продуктов горения.

Интерференция в плоскопараллельной пластинке (на тонкой пленке). Результат интерференции света в плоскопараллельной пластинке толщины определяется следующими соотношениями. В про­ходящем свете наблюдается усиление света (условие максимумов), если

, (7)

где - коэффициент преломления материала пластинки,- угол преломления. Ослабление света (условие минимумов) наблюдается, если

, (8)

В отраженном свете условия максимумов и минимумов обратны, что связано с потерей половины длины волны при отражении от гра­ницы оптически более плотной среды (так как в этом случае фаза волны меняется на ).

Кольца Ньютона. Явление с таким названием наблюдается при отражении света в воздушном зазоре, образованном плоской пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны . Пусть параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней границ раздела между стеклом и воздухом. Тогда при наложении отраженных лучей возникают полосы, имеющие вид ок­ружностей.

В отраженном свете радиус темных колец (условие минимумов) определяется соотношением

, (9)

Радиус светлых колец (условие максимумов) вычисляется по формуле

, (10)

В проходящем свете условия максимумов и минимумов обратны по той же причине, что и для плоскопараллельной пластинки.

Определение дифракции. Дифракция - это явление огиба­ния волной препятствия, размер которого сравним с длиной падаю­щей волны:. Особенность дифракции состоит в непрямолиней­ном распространении света и проникновении световой волны в об­ласть геометрической тени. Прямой задачей теории дифракции явля­ется расчет распределения интенсивности света (дифракционной картины) на экране, расположенном за препятствием. В частности, требуется найти положение максимумов и минимумов интенсивности света. При решении обратной задачи по положению максимумов и миниму­мов восстанавливают размеры препятствия или длину волны.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля включает следующие два положения.

1. Каждая точка фронта волны в момент времени является источ­ником когерентных вторичных волн. Огибающая вторичных волн явля­ется волновым фронтом в последующий момент времени.

2. Вторичные волны, будучи когерентными, интерфери­руют друг с другом. Результирующее распределение интенсивности колебаний - результат интерференции вторичных волн.

Если между источником волн и точкой наблюдения находится препятствие с отверстием, то, в соответствии с принципом Гюйген­са-Френеля, на поверхности препятствия интенсивность колебаний равна нулю, а в отверстии - такая же, как при отсутствии экрана. Таким образом, задача заключается в суммировании вклада волн, пришедших от каждой точки отверстия.

Интерференция и дифракция - это одно и то же физическое яв­ление волновой природы.

Метод зон Френеля. Отверстие содержит бесконечно мно­го точек, являющихся источниками вторичных волн, поэтому прово­дится условное разбиение фронта волны на конечные кольцевые участки (зоны Френеля) по следующему правилу: волны от соседних зон приходят в точку наблюдения в противофазе и ослабляют друг друга. Это значит, что расстояния от границ соседних зон до точки наблюдения отличаются ровно на половину длины волны (рис. 3).

Рис.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии

В этом случае амплитуда, создаваемая в точке наблюдения всей сферической волновой поверхностью, равна половине амплитуды, соз­даваемой одной центральной зоной.

Дифракция на круглом отверстии. Пусть в точке S нахо­дится источник сферических волн (рис. 3), на расстоянии от источника расположено непроницаемое препятствие с круглым отверс­тием радиуса, а на расстоянииот препятствия - экран, на ко­тором наблюдается дифракционная картина. Говорят, что имеет место дифракция Френеля, если расстояние до препятствия сравнимо с раз­мером препятствия:. В этом случае волновой фронт в области наблюдения является искривленным. Радиус внешней границы зоны Френеля с номеромвычисляется по формуле:

(11)

где - длина волны. Число зон Френеля, укладывающихся в отверс­тии, можно найти из равенства:

(12)

Если отверстие открывает нечетное число зон, то в центре экрана (точка Р на рис.3) наблюдается усиление колебаний. В частнос­ти, при интенсивность колебаний в точке Р в четыре раза больше той, которая имела бы место в отсутствие препятствия. Если отверстие открывает четное число зон, то в центре экрана наблюда­ется ослабление колебаний. Точка Р будет наиболее темной, если открыто две зоны Френеля. В любом случае вокруг точки Р будут наблюдаться светлые и темные концентрические окружности.

Из (12) видно, что число зон, открываемых отверстием, зави­сит как от размеров отверстия, так и от положения экрана.

Дифракция на круглом диске. Рассмотрим противополож­ную ситуацию: волновой фронт от источника взаимодействует с непрозрачным диском радиуса R (рис. 4). В этом случае важно, сколько зон Френеля закрыто непрозрачным диском. Суммирование амплитуд колебаний от открытых зон (располагающихся вокруг диска) показывает, что амплитуда колебания в центре экрана равна полови­не амплитуды, вызываемой первой открытой зоной Френеля. Следова­тельно, в центре экрана за диском всегда будет наблюдаться макси­мум интенсивности (яркое пятно, называемое пятном Пуассона).

Рис.4. Дифракция Френеля на круглом диске

Центральный максимум окружен темными и светлыми кольцами. С уве­личением размеров диска интенсивность центрального максимума уменьшается. В пределе получаем тень, определяемую по за­конам геометрической оптики.

Дифракция Фраунгофера. Дифракцией Фраунгофера называют дифракцию, при которой и падающие, и вторичные волны имеют плоский фронт. Иначе говоря, речь идет о диф­ракции в параллельных лучах. Такая ситуация возникает, если расс­тояние от источника до препятствия и от препятствия до точки наб­людения значительно больше размеров препятствия (,на рис. 3, 4). Другой способ получить параллельный пучок све­та - использовать собирающие линзы.

Дифракция на щели. Рассмотрим длинную узкую щель, на которую падает параллельный пучок света (рис. 5). Разбивая внутреннее пространство щели на малые участки, и суммируя вклад соответствующих вторичных волн (см. принцип Гюйгенса-Френеля), получим распределение интенсивности света справа от экрана:

(13)

где (14)

- длина волны, - ширина щели,- угол между перпендикуляром к плоскости щели и направлением к точке наблюдения (рис. 5). Зависимость

представлена на рис. 6. Из (13) следуют условие максимумов

, (15)

и условие минимумов

, (16)

интенсивности на экране. Дифракционная картина на экране предс­тавляет собой совокупность из нескольких параллельных темных и светлых полос. Яркость светлых полос убывает по мере удаления от центра, общее число полос конечно. Максимум, оп­ределяемый соотношением (4.3) называется максимумом порядка . Отметим, что для определения расстояния между максимумами, близ­кими к центральному, следует использовать малость угла. В этом случае, где- расстояние до экрана.

Рис.5. Ход лучей при дифракции на узкой щели

Расстояние между минимумами, ближайшими к центральному мак­симуму, можно принять за ширину изображения щели.

Рис.6. Распределение интенсивности на экране при дифракции на узкой щели

Дифракция на круглом отверстии. Распределение интен­сивности при дифракции на круглом отверстии имеет вид:

(17)

где ,-функция Бесселя 1-ого порядка. Дифракционная картина представляет собой совокупность кон­центрических светлых и темных колец. Радиусы светлых и темных ко­лец определяются из условия максимумов и минимумов

, (18)

Значения коэффициента и относительных максимумов интенсивности приведены в табл. 4.1.

Таблица 1

Параметры дифракции на круглом отверстии

k

1

2

3

4

0

0.82

0.88

0.92

1.22

1. 12

1.08

1.06

1

0.0175

0.0042

0.0016

Радиусом изображения круглого отверстия можно считать радиус первого темного кольца.

Дифракция на решетке. Спектроскопия. Дифракционная решетка - это совокупность параллельных узких щелей в непрозрач­ном препятствии. Пусть щель, пропускающая свет, имеет размер , а длина области, непропускающей свет, равна. Если направить на эти щели параллельный пучок монохроматического света, то получим систему - изN когерентных источников. Для этого случая распределе­ние интенсивности в пределе бесконечно узкой щели () дается соотношением (3), где,- расстоя­ние между штрихами (постоянная решетки). Интенсивность принимает значениев тех случаях, когда знаменатель обращается в нуль, т.е. при выполнении условия максимумов

, (19)

Отметим, что в типичных дифракционных решетках число щелей N составляет несколько тысяч.

При учете ширины щели уже нельзя пренебрегать дифракцион­ными явлениями на ней. Поэтому дифракционная картина изменится. Условие минимумов, называемых главными, соответствует условию ми­нимумов дифракции на щели (15)

, (20)

Условия появления главных максимумов соответствует интерфе­ренции от N когерентных источников

, (21)

При одновременном выполнении условий (20) и (21) в данной точ­ке, на экране произойдет явление так называемого пропавшего мак­симума (на месте светлого пятна оказывается темное).

Будут наблюдаться также и дополнительные минимумы в тех точ­ках, для которых

, (22)

где m принимает все целочисленные значения кроме

Сказанное выше можно получить, рассмотрев распределение ин­тенсивности на экране, которое будет определяться как интерферен­цией от N щелей, так и дифракцией на одной щели:

(23)

где ,

На рис.7 приведен график распределения интенсивности на экране для N=4 и . Пунктирная кривая, проходящая через глав­ные максимумы,изображает интенсивность от одной щели, умноженную на. При выбранном соотношении () главные максимумы 3-го, 6-го и т.д. порядков приходятся на минимумы интенсивности от од­ной щели, вследствие чего они пропадают.

Рис. 7. Распределение интенсивности на экране при дифракции на дифракционной решетке

Угол, на который отклоняется свет, проходя через дифракцион­ную решетку, как видно из (20), (21), (22), зависит от длины волны. Это делает дифракционную решетку мощным инструментом исс­ледования спектрального состава светового пучка.

3.Тепловое излучение.

Тепловым излучением называется перенос энергии посредством электромагнитных волн в диапазоне, включающем видимый свет и инфракрасное излучение (длина волны 0,4 – 100 мкм).

Излучение в оптическом диапазоне становится заметным на глаз, когда температура тела превышает 500 – 550 0С. Дальнейшее увеличение температуры приводит к изменению цвета, как это показано в табл. 2.

Таблица 2

studfiles.net

что такое? Что такое интерференция и дифракция?

В этой статье рассматривается такое явление физики, как интерференция: что такое, когда возникает и как применяется. Также подробно рассказывается о смежном понятии волновой физики – дифракции.

Виды волн

Когда в книге или в разговоре возникает слово «волна», то, как правило, сразу представляется море: синий простор, безмерная даль, одна за другой на берег набегают соленые валы. Житель степей представит себе другой вид: безбрежный простор травы, она колышется под ласковым ветерком. Кто-то еще вспомнит волны, рассматривая складки тяжелой портьеры или трепетание флага в солнечный день. Математик подумает о синусоиде, любитель радио – об электромагнитных колебаниях. Все они имеют различную природу и относятся к разным видам. Но неоспоримо одно: волна – это состояние отклонения от равновесия, превращения какого-то «гладкого» закона в колебательный. Именно для них применимо такое явление, как интерференция. Что такое и как она возникает, рассмотрим чуть позже. Сначала разберёмся, какими бывают волны. Перечислим следующие виды:

  • механические;
  • химические;
  • электромагнитные;
  • гравитационные;
  • спиновые;
  • вероятностные.

С точки зрения физики, волны переносят энергию. Но случается, что перемещается и масса. Отвечая на вопрос о том, что такое интерференция в физике, следует отметить, что она характерна для волн абсолютно любой природы.

Признаки различия волн

Как ни странно, но единого определения волны не существует. Их виды настолько разнообразны, что только типов классификации более десятка. По каким же признакам различают волны?

  1. По способу распространения в среде (бегущие или стоячие).
  2. По характеру самой волны (колебательные и солитоны отличны именно по этому признаку).
  3. По типу распределения в среде (продольные, поперечные).
  4. По степени линейности (линейные или нелинейные).
  5. По свойствам среды, в которой они распространяются (дискретные, непрерывные).
  6. По форме (плоские, сферические, спиральные).
  7. По особенностям физической среды распространения (механические, электромагнитные, гравитационные).
  8. По направлению колебания частиц среды (волны сжатия или сдвига).
  9. По времени, которое требуется на возбуждение среды (одиночные, монохроматические, волновой пакет).

И к любому типу этих возмущений среды применима интерференция. Что такое особенное содержится в этом понятии и почему именно это явление делает наш мир таким, какой он есть, расскажем после приведения характеристик волны.

Характеристики волны

Вне зависимости от типа и вида волн, у них всех есть общие характеристики. Вот список:

  1. Гребень – это своего рода максимум. Для волн сжатия это место наибольшей плотности среды. Представляет собой наибольшее положительное отклонение колебания от состояния равновесия.
  2. Ложбина (в некоторых случаях долина) – это обратное гребню понятие. Минимум, наибольшее отрицательное отклонение от состояния равновесия.
  3. Временная периодичность, или частота – это время, за которое волна пройдет от одного максимума к другому.
  4. Пространственная периодичность, или длина волны – это расстояние между соседними пиками.
  5. Амплитуда – это высота пиков. Именно данное определение понадобится, чтобы разобраться, что такое интерференция волн.

Мы очень подробно рассмотрели волну, ее характеристики и различные классификации, ибо понятие «интерференция» невозможно объяснить без четкого понимания такого явления, как возмущение среды. Напоминаем, что интерференция имеет смысл только для волн.

Взаимодействие волн

Теперь мы вплотную подошли к понятию «интерференция»: что такое, когда возникает и как ее определить. Все перечисленные выше виды, типы и характеристики волн относились к идеальному случаю. Это были описания «сферического коня в вакууме», то есть неких теоретических конструкций, невозможных в реальном мире. Но на практике все пространство вокруг пронизано различными волнами. Свет, звук, тепло, радио, химические процессы – это периодические колебания среды. И все эти волны взаимодействуют. Надо отметить одну особенность: чтобы они могли повлиять друг на друга, у них должны быть схожие характеристики.

Волны звука никоим образом не смогут интерферировать со светом, а радиоволны никак не взаимодействуют с ветром. Конечно, влияние все равно есть, но оно настолько мало, что его действие просто не учитывается. Другими словами, при объяснении, что такое интерференция света, предполагается, что один фотон влияет на другой при встрече. Итак, подробнее.

Интерференция

Для многих видов волн действует принцип суперпозиции: встречаясь в одной точке пространства, они взаимодействуют. Обмен энергией отображается на изменении амплитуды. Закон взаимодействия следующий: если встречаются в одной точке два максимума, то в конечной волне интенсивность максимума увеличивается вдвое; если встречаются максимум и минимум, то итоговая амплитуда обращается в ноль. Это и есть наглядный ответ на вопрос о том, что такое интерференция света и звука. По сути, это явление наложения.

Интерференция волн с разными характеристиками

Описанное выше событие представляет встречу двух одинаковых волн в линейном пространстве. Однако две встречные волны могут иметь разные частоты, амплитуды, длины. Как представить итоговую картину в таком случае? Ответ кроется в том, что результат будет не совсем похож на волну. То есть строгий порядок чередования максимумов и минимумов будет нарушен: в какой-то момент амплитуда будет максимальной, в следующий – уже меньше, потом встретятся максимум и минимум и результат обратится в ноль. Однако, какими бы сильными ни были различия двух волн, амплитуда все равно рано или поздно повторится. В математике принято говорить о бесконечности, но в реальности силы трения и инерция могут остановить само существование результирующей волны до того, как картина пиков, долин и равнин повторится.

Интерференция волн, встречающихся под углом

Но, помимо собственных характеристик, у реальных волн может различаться положение в пространстве. Например, при рассмотрении вопроса о том, что такое интерференция звука, это необходимо учитывать. Представьте: идет мальчик и дует в свистульку. Он посылает звуковую волну впереди себя. А мимо него проезжает другой мальчик на велосипеде и звенит в звонок, чтобы пешеход посторонился. В месте встречи этих двух звуковых волн они пересекаются под некоторым углом. Как рассчитать амплитуду и форму конечного колебания воздуха, который долетит, например, до ближайшей торговки семечками бабушки Маши? Тут в силу вступает векторная составляющая звуковой волны. И складывать или вычитать в данном случае надо не только величины амплитуды, но и векторы распространения этих колебаний. Надеемся, что бабушка Маша при этом не будет сильно кричать на шумящих ребят.

Интерференция света с разной поляризацией

Бывает и так, что в одной точке встречаются фотоны разной поляризации. В этом случае тоже следует учитывать векторную составляющую электромагнитных колебаний. Если они не взаимно перпендикулярны или один из пучков света имеет круговую или эллиптическую поляризацию, то взаимодействие вполне возможно. На этом принципе строится несколько способов определения оптической чистоты кристаллов: в перпендикулярно поляризованных пучках не должно быть никакого взаимодействия. Если картина искажается, то кристалл неидеален, он изменяет поляризацию пучков, а значит, выращен неправильно.

Интерференция и дифракция

Взаимодействие двух пучков света приводит к их интерференции, в итоге наблюдатель видит ряд светлых (максимумов) и темных (минимумов) полос или колец. А вот взаимодействие света и вещества сопровождается другим явлением – дифракцией. Оно основано на том, что свет разной длины волны иначе преломляется средой. Например, если длина волны 300 нанометров, то угол отклонения составляет 10 градусов, а если 500 нанометров – уже 12. Таким образом, когда на призму из кварца падает свет от солнечного луча, красный преломляется не так, как фиолетовый (их длины волн различаются), и наблюдатель видит радугу. Это ответ на вопрос о том, что такое интерференция и дифракция света и чем они отличаются. Если направить на ту же призму монохроматическое излучение от лазера, никакой радуги не будет, так как нет фотонов различной длины волны. Просто луч отклонится от первоначального направления распространения на некоторый угол, и все.

Применение явления интерференции на практике

Возможностей получить практическую пользу из этого сугубо теоретического явления очень много. Здесь будут перечислены лишь основные из них:

  1. Исследование качества кристаллов. Чуть выше мы рассказывали об этом.
  2. Выявление погрешностей линз. Часто они должны быть отшлифованы в идеальной сферической форме. Наличие каких-либо дефектов обнаруживают именно с помощью явления интерференции.
  3. Определение толщины пленок. В некоторых видах производства очень много значит постоянная толщина пленки, например пластиковой. Определить ее качество позволяет именно явление интерференции вместе с дифракцией.
  4. Просветление оптики. Очки, линзы фотоаппаратов и микроскопов покрывают тонкой пленкой. Таким образом, электромагнитные волны определенной длины просто отражаются и накладываются сами на себя, уменьшая помехи. Чаще всего просветление делается в зеленой части оптического спектра, так как именно эту область человеческий глаз воспринимает лучше всего.
  5. Изучение космоса. Зная законы интерференции, астрономы способны разделить спектры двух близко расположенных звезд и определить их составы и расстояние до Земли.
  6. Теоретические исследования. Когда-то именно с помощью явления интерференции удалось доказать волновую природу элементарных частиц, таких как электроны и протоны. Этим была подтверждена гипотеза корпускулярно-волнового дуализма микромира и положено начало квантовой эре.

Надеемся, что с данной статьёй ваши познания о наложении когерентных (испускаемых источниками, имеющими постоянную разность фаз и одинаковую частоту) волн значительно расширились. Это явление и называется интерференцией.

fb.ru