Uporaba motenj svetlobe

Danes bomo govorili o glavnih aplikacijah vmešavanja na različnih področjih človekovega delovanja. Razkrivamo bistvo tega pojava in kako ga razložimo z vidika valovne teorije svetlobe.

Morje, veter, svetloba

Ta naslov lahko navdihuje dobre poletne počitnice ali počitnice. Iz kombinacije besed in pihanja slanega vetriča, svetlega sonca in občutka svobode. Toda poleg naravnih združenj imajo vsi ti pojavi eno skupno lastnost: nihanja neke vrste okolja. V tem smislu je veter sam. Njeni valovi so izmenično bolj redki in gostejši. Takšne vibracije se imenujejo prečne. Seveda se držijo oscilacijskih zakonov, vendar so še vedno nekoliko drugačni od drugih vrst valov.

Svetloba in vodna površina imata več skupnega. Takšni valovi so premik medija navzgor in navzdol, njegova gostota se ne spremeni. Dober model objekta v tem primeru je sinusni ali kosinusni graf. Če si predstavljamo, da se točka giblje po površini teh ritmičnih sprememb, bo zelo podobna elektromagnetnemu valu.

Gor, dol, naprej

Preden se pogovorite motnje svetlobe in njegovo uporabo v tehnologiji, morate najprej obravnavati elektromagnetna valovanja. Nihanje elektromagnetnega polja in je bistvo sončnih žarkov.

Svetloba je tok delcev, ki se imenuje "foton". Vsak foton je en sam nedeljiv energetski paket ali kvant. Premika se skozi prostor naprej, dokler ne naleti na oviro. In takoj ko se to zgodi, se lahko zgodi naslednje:

• materija bo absorbirala foton in vzela njegovo energijo (pojav se imenuje absorpcija);
• snov bo absorbirala foton z isto valovno dolžino in bo sevala nekoliko spremenjeno (to je pojav razprševanja svetlobe);
• foton spremeni smer razmnoževanja (zaradi loma ali zaradi odboja).

V notranjosti energetskega paketa, imenovanega »foton«, je stalno nihanje elektromagnetnega polja. Poleg tega ima vsak kvant ima svoje značilnosti. Ko se foton premika, njegove lastnosti ostajajo nespremenjene.

Lastnosti fotonov svetlobe

Elektromagnetni kvanti so valovi. Zato imajo take lastnosti kot:

• valovna dolžina (λ);
• frekvenca (v);
• amplituda (A);
• polarizacija (linearna, krožna, eliptična);
• smer razmnoževanja.

Valovna dolžina in frekvenca je povezana z razmerjem λν = c, kjer je c hitrost svetlobe v polnem vakuumu. To pomeni, da sta ti dve količini obratno sorazmerni drug drugemu: če je nekdo znan, potem je drugo zelo enostavno najti. Velja tudi naslednja trditev: večja je frekvenca in krajša je valovna dolžina fotona, večja je energija, ki jo nosi delček.

V merilu elektromagnetnih valov ima rdeča luč manjšo frekvenco kot modra. Rdeči fotoni so bolj »hladni«. Istočasno je vroče vode označeno z rdečo pipo, hladna voda pa v višje energetsko modri barvi. Očitno je bila barva človeške kože pod vplivom temperature vzeta kot osnova, ne pa elektromagnetnega spektra.

Srečanje o elektromagnetnih poljih

Malo višje smo povedali: če foton naleti na oviro, se raztopi v snovi, izgubi svojo individualnost. Toda kaj se bo zgodilo, ko se dva fotona srečata na eni točki v prostoru?

Če bi fikcija obstajala v svetu elementarnih delcev, bi izgledala takole:

»V enem čudovitem kvantnem prehodu se je inducirani foton odločil zapustiti notranjost zvezde in dihati sveže neutrine. Skozi prostor svoje galaksije je hodil s hitrostjo svetlobe in nenadoma spoznal drugega tako natančno fotona ... "

Dejansko je to, kar se zgodi, odvisno od faze, v kateri se srečata dva kvanta svetlobe.

Če bi se dve »grbi« združili na eni točki, bi se njihova amplituda zložila in na tej točki bi se svetlost podvojila. Če je "grba" in "votla", potem bo njihova interakcija ugasnila svetlobo, ker je rezultat ničelna moč. Z različno fazno razliko bodo vmesne ravni osvetlitve.

Interferenca in difrakcija

Kar smo že povedali, je zgodba od konca. Vsakdo že ve, kaj se bo zgodilo, zato se drzno vzpenjamo v bistvo fotonov. Toda preden nihče ni sumil, da je svetloba - val. In nadaljeval je tako, dokler niso bili izvedeni poskusi z motnjami.

Če je ploski žarek vzporednih žarkov usmerjen v režo v steni, potem rezultat ne bo enakomeren svetlobni trak, ampak vrsta belih in črnih trakov, ki se razhajajo kot ventilator. To je zato, ker lahko svetloba obide robove ovire. In v procesu premagovanja vrzeli žarkov spremenila smer razmnoževanja. To pomeni, da so se na nekem mestu v prostoru prekrižali z drugimi žarki, na izhodu pa so oblikovali različne faze. Zato je uporaba motenj in difrakcija svetlobe pogosto sovpadajo.

Teoretični pomen motenj

Različne vrste lukenj dajejo drugačne podobe. V zgoraj opisanem poskusu lahko spremenite širino reže, dodate še eno luknjo, jo naredite zaokroženo, kvadratno itd. Končna slika vam bo povedala, kje so se valovi srečali in kateri kot so odstopali od prvotne smeri razmnoževanja. Opredelitev valovnih lastnosti svetlobe je prva uporaba motenj v inženirstvu in naravi.

Enostavno težko

Kako ustvariti ravno površino? To vprašanje so postavili inženirji starih faraonov. Zdaj pa to ni tako lahka naloga. Nekatere naprave uporabljajo steklene plošče. In morajo biti zelo gladke. Da bi preverili kakovost končnega izdelka, se nanjo postavi še ena podobna plošča, ki se postavi v tok vzporednih svetlobnih žarkov. Če so interferenčne robove poravnane v enakih vrstah, so površine ravne. Če se pasovi nekje ukrivijo ali zlomijo, potem izdelek ni primeren za opravljanje svoje naloge.

Interferometri

Za merjenje natančnosti določenih razdalj in določitev ravnine, ki jo je ustvaril instrument. Imenuje se "interferometer". Načelo delovanja je zelo preprosto: monokromatsko sevanje s številnimi optičnimi napravami deli na dva vzporedna žarka. Na poti enega od njih je postavljen izmerjeni predmet, drugi pa poteka brez ovir. Slika minimumov in maksimumov osvetlitve bo razkrila netočnosti in določila razliko v toku žarkov.

Barva in svetloba

Vendar je bilo do sedaj v vseh zgoraj opisanih poskusih predpostavljeno, da se pojavijo isti valovi. To pomeni, da se njihova frekvenca in amplituda ujemata, le faze se razlikujeta. Toda v naravi ni popolnoma čistega monokromatskega sevanja. Vsak pravi vir svetlobe daje celo vrsto valovnih dolžin, njihove amplitude pa so lahko tudi različne. Toda tudi v prisotnosti naravne svetlobe pride do motenj. Samo namesto svetlih in temnih področij se bodo menjavale različne barve.

Bencin in narava

Uporaba motenj v naravi najdemo predvsem na tankih premazih. Zagotovo so vsi videli, da je film bencina na površini luže zasenčil z mavrico na sončen dan. To je posledica interference in difrakcije bele svetlobe. Sončni žarki vsebujejo vse valovne dolžine. Toda vstopajo v oči človeka nepopravljivo, brez kakršnega koli reda. Ko se na površini vode pojavi tanek sloj lahke snovi, v več atomih, se širi neenakomerno. Nekje bo višina prevleke več, nekje - manj. Pri svetlobi se pojavijo naslednje spremembe:

• odsevajo se od zgornje površine filma;
• odbijajo se od spodnje površine filma;
• najdemo jih na izhodu iz filma.

Seveda bo s specifično debelino prevleke za valove z različnimi dolžinami ustvarjen drugačen vzorec faznih razlik. S maksimumom se bodo srečali le določeni kvanti svetlobe. Hkrati bo človeško oko videlo valove iste barve.

Ta pojav združuje refleksijo, interferenco in difrakcijo.

Perje, membrane, lupine

Narava ljubi raznolikost. Vključno z barvami njihovih oddelkov. Kombinacija pigmentov pa je omejena, vendar preliv filmov zagotavlja široko polje za eksperimentiranje. Motnje v filmih dajejo barvo:

• krila metuljev in hroščev;
• oči pajkov;
• ptičje perje;
• notranje površine lupin in perl;
• luske nekaterih kač, žab, kuščarjev;
• semena nekaterih rastlin.

Obstaja celo nenavaden primer, v katerem je eden podjetnik želel pridobiti neverjetno modro barvo s kril novo odkritih tropskih metuljev. Toda prašek je vedno ostal rjavo-siv. Kot rezultat, podjetnik šel v stečaj, vendar ni razumel, da so krila redkih lepot prekrite posebne prizme, ki odražajo le eno barvo, modro. In uničil te krhke strukture, je izgubil svojo čudovito barvo.