Ứng dụng của giao thoa, giao thoa màng mỏng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Hôm nay chúng ta sẽ nói về việc sử dụng sự can thiệp trong khoa học và cuộc sống hàng ngày, tiết lộ ý nghĩa vật lý của hiện tượng này và kể về lịch sử phát hiện ra nó.

Định nghĩa và phân phối

Trước khi nói về tầm quan trọng của một hiện tượng trong tự nhiên và công nghệ, trước tiên bạn cần đưa ra định nghĩa. Hôm nay chúng ta đang xem xét một hiện tượng mà học sinh học trong các bài học vật lý. Do đó, trước khi mô tả ứng dụng thực tế của hiện tượng giao thoa, chúng ta hãy xem sách giáo khoa.

Để bắt đầu, cần lưu ý rằng hiện tượng này áp dụng cho tất cả các loại sóng: sóng phát sinh trên bề mặt nước hoặc trong quá trình nghiên cứu. Vì vậy, giao thoa là sự tăng hoặc giảm biên độ của hai hoặc nhiều sóng kết hợp, xảy ra nếu chúng gặp nhau tại một điểm trong không gian. Cực đại trong trường hợp này được gọi là cực đại và cực tiểu được gọi là nút. Định nghĩa này bao gồm một số thuộc tính của các quá trình dao động, mà chúng tôi sẽ tiết lộ một chút sau.

Hình ảnh kết quả của việc chồng các sóng lên nhau (và có thể có nhiều sóng) chỉ phụ thuộc vào độ lệch pha mà các dao động đến một điểm trong không gian.

Ánh sáng cũng là sóng

Các nhà khoa học đã đưa ra kết luận này vào thế kỷ XVI. Cơ sở của quang học với tư cách là một ngành khoa học được đặt ra bởi nhà khoa học người Anh nổi tiếng thế giới Isaac Newton. Chính ông là người đầu tiên nhận ra rằng ánh sáng bao gồm một số yếu tố nhất định, số lượng sẽ quyết định màu sắc của nó. Nhà bác học đã phát hiện ra hiện tượng tán sắc và khúc xạ. Và ông là người đầu tiên quan sát sự giao thoa của ánh sáng trên thấu kính. Newton đã nghiên cứu các tính chất của tia như góc khúc xạ trong các môi trường khác nhau, khúc xạ kép và phân cực. Ông được ghi nhận với ứng dụng đầu tiên của giao thoa sóng vì lợi ích của nhân loại. Và chính Newton đã nhận ra rằng nếu ánh sáng không phải là dao động, thì nó sẽ không thể hiện tất cả những đặc điểm này.

Tính chất nhẹ

Tính chất sóng của ánh sáng bao gồm:

1. Bước sóng. Đây là khoảng cách giữa hai điểm cao liền kề của một lần đu. Nó là bước sóng xác định màu sắc và năng lượng của bức xạ nhìn thấy được.
2. Tần suất. Đây là số lượng sóng hoàn chỉnh có thể xảy ra trong một giây. Giá trị được biểu thị bằng Hertz và tỷ lệ nghịch với bước sóng.
3. Biên độ. Đây là "độ cao" hoặc "độ sâu" của dao động. Giá trị trực tiếp thay đổi khi hai dao động giao thoa. Biên độ cho thấy trường điện từ đã bị nhiễu mạnh như thế nào để tạo ra sóng cụ thể này. Nó cũng thiết lập cường độ trường.
4. Pha sóng. Đây là một phần của dao động đạt được tại một thời điểm nhất định. Nếu hai sóng gặp nhau tại cùng một điểm trong quá trình giao thoa thì độ lệch pha của chúng sẽ được biểu thị bằng đơn vị là π.
5. Bức xạ điện từ kết hợp được gọi làcác đặc điểm giống nhau. Sự kết hợp của hai sóng ngụ ý sự không đổi của độ lệch pha của chúng. Không có nguồn bức xạ tự nhiên nào như vậy, chúng chỉ được tạo ra một cách nhân tạo.

Ứng dụng đầu tiên là khoa học

Ngài Isaac đã làm việc chăm chỉ và chăm chỉ về các đặc tính của ánh sáng. Ông đã quan sát chính xác cách một chùm tia hoạt động khi nó gặp một lăng kính, một hình trụ, một tấm và một thấu kính từ các phương tiện trong suốt khúc xạ khác nhau. Một lần, Newton đặt một thấu kính thủy tinh lồi lên một tấm thủy tinh có bề mặt cong xuống và hướng một luồng tia song song vào cấu trúc đó. Kết quả là, các vòng sáng và tối xuyên tâm phân kỳ ra khỏi tâm thấu kính. Nhà khoa học ngay lập tức đoán rằng hiện tượng như vậy chỉ có thể được quan sát nếu có một tính chất tuần hoàn nào đó trong ánh sáng làm dập tắt chùm tia ở đâu đó, và ở đâu đó, ngược lại, tăng cường nó. Vì khoảng cách giữa các vòng phụ thuộc vào độ cong của thấu kính, nên Newton có thể tính gần đúng bước sóng của dao động. Vì vậy, nhà khoa học người Anh lần đầu tiên đã tìm ra một ứng dụng cụ thể cho hiện tượng giao thoa.

Giao thoa khe

Các nghiên cứu sâu hơn về các đặc tính của ánh sáng cần thiết để thiết lập và tiến hành các thí nghiệm mới. Đầu tiên, các nhà khoa học đã học cách tạo ra chùm tia kết hợp từ các nguồn khá không đồng nhất. Để làm điều này, dòng chảy từ đèn, nến hoặc mặt trời được chia thành hai bằng cách sử dụng các thiết bị quang học. Ví dụ, khi một chùm tia chiếu vào tấm thủy tinh ở một góc 45 độ, thì một phần của nóbị khúc xạ và truyền đi, và một phần bị phản xạ. Nếu các dòng này được tạo ra song song với sự trợ giúp của thấu kính và lăng kính, thì độ lệch pha của chúng sẽ không đổi. Và để trong các thí nghiệm, ánh sáng không phát ra giống như một cái quạt từ một nguồn điểm, chùm tia được tạo ra song song bằng cách sử dụng một thấu kính tiêu cự gần.

Khi các nhà khoa học học được tất cả những thao tác này với ánh sáng, họ bắt đầu nghiên cứu hiện tượng giao thoa trên nhiều lỗ khác nhau, bao gồm một khe hẹp hoặc một loạt khe.

Giao thoa và nhiễu xạ

Trải nghiệm được mô tả ở trên trở nên khả thi do một tính chất khác của ánh sáng - nhiễu xạ. Vượt qua một vật cản đủ nhỏ so với bước sóng thì dao động có khả năng đổi chiều truyền của nó. Do đó, sau một khe hẹp, một phần của chùm tia thay đổi hướng truyền và tương tác với các chùm tia không thay đổi góc nghiêng. Do đó, các ứng dụng của giao thoa và nhiễu xạ không thể tách rời nhau.

Mô hình và thực tế

Cho đến thời điểm này, chúng tôi đã sử dụng mô hình của một thế giới lý tưởng, trong đó tất cả các chùm ánh sáng đều song song với nhau và kết hợp với nhau. Ngoài ra, trong mô tả đơn giản nhất về giao thoa, người ta ngụ ý rằng luôn gặp các bức xạ có cùng bước sóng. Nhưng trên thực tế, mọi thứ không phải như vậy: ánh sáng thường có màu trắng, nó bao gồm tất cả các dao động điện từ mà Mặt trời cung cấp. Điều này có nghĩa là sự giao thoa xảy ra theo các luật phức tạp hơn.

Màng mỏng

Ví dụ rõ ràng nhất về loại hình nàytương tác của ánh sáng là phương tới của một chùm ánh sáng trên một màng mỏng. Khi có một giọt xăng trong vũng nước thành phố, bề mặt sẽ lung linh với đủ màu sắc của cầu vồng. Và đây chính xác là kết quả của sự can thiệp.

Ánh sáng rơi trên bề mặt phim, bị khúc xạ, rơi vào biên giới của xăng và nước, bị phản xạ và khúc xạ lại. Kết quả là, sóng gặp chính nó ở lối ra. Do đó, tất cả các sóng đều bị triệt tiêu, ngoại trừ những sóng thỏa mãn một điều kiện: độ dày của màng là bội số của một nửa số nguyên bước sóng. Khi đó ở đầu ra dao động sẽ gặp chính nó với hai cực đại. Nếu độ dày của lớp phủ bằng toàn bộ bước sóng, thì đầu ra sẽ chồng lên cực đại trên cực tiểu và bức xạ sẽ tự dập tắt.

Từ đó dẫn đến việc màng càng dày thì bước sóng phát ra từ nó càng phải lớn mà không bị mất đi. Trên thực tế, một lớp màng mỏng giúp làm nổi bật các màu riêng lẻ từ toàn bộ quang phổ và có thể được sử dụng trong công nghệ.

Chụp ảnh và tiện ích

Thật kỳ lạ, một số ứng dụng của sự giao thoa lại quen thuộc với tất cả các tín đồ thời trang trên toàn thế giới.

Công việc chính của một nữ người mẫu xinh đẹp là tạo dáng đẹp trước ống kính. Cả một nhóm chuẩn bị cho những phụ nữ chụp ảnh: một nhà tạo mẫu, chuyên gia trang điểm, nhà thiết kế thời trang và nội thất, biên tập viên tạp chí. Những tay săn ảnh khó chịu có thể nằm chờ một người mẫu trên phố, ở nhà, trong trang phục hài hước và tạo dáng lố lăng, sau đó đưa hình ảnh ra trưng bày trước công chúng. Nhưng thiết bị tốt là điều cần thiết cho tất cả các nhiếp ảnh gia. Một số thiết bị có thể có giá vài nghìn đô la. GiữaCác đặc điểm chính của thiết bị như vậy nhất thiết sẽ là sự khai sáng của quang học. Và hình ảnh từ một thiết bị như vậy sẽ có chất lượng rất cao. Theo đó, một bức ảnh chụp ngôi sao mà không có sự chuẩn bị trước cũng sẽ trông không hấp dẫn như vậy.

Kính, kính hiển vi, các ngôi sao

Cơ sở của hiện tượng này là sự can thiệp vào các màng mỏng. Đây là một hiện tượng thú vị và phổ biến. Và tìm thấy các ứng dụng giao thoa ánh sáng trong một kỹ thuật mà một số người nắm trong tay hàng ngày.

Mắt người cảm nhận màu xanh tốt nhất. Vì vậy, ảnh của các cô gái xinh đẹp không được có lỗi trong vùng đặc biệt của quang phổ. Nếu một tấm phim có độ dày cụ thể được dán lên bề mặt của máy ảnh, thì thiết bị đó sẽ không có phản xạ màu xanh lá cây. Nếu người đọc chú ý đã từng chú ý đến những chi tiết như vậy, thì hẳn anh ta sẽ bị ấn tượng bởi sự hiện diện của những phản xạ chỉ có màu đỏ và tím. Bộ phim tương tự cũng được áp dụng cho kính đeo kính.

Nhưng nếu chúng ta không nói về mắt người, mà là về một thiết bị không có đam mê? Ví dụ, kính hiển vi phải đăng ký phổ hồng ngoại, và kính thiên văn phải nghiên cứu các thành phần tử ngoại của các ngôi sao. Sau đó, một lớp phim chống phản xạ có độ dày khác được áp dụng.