تداخل در نور Light Interference
| طبق اصل برهمنهی موجها ، وقتی چند موج در دو یا سه بعد ایجاد شوند و این موجها ضمن انتشار به هم برسند، روی هم اثر می‌گذارند. به این پدیده تداخل گویند. پس تداخل ترکیب حرکتهای ارتعاشی امواج و نتیجه برهمنهادگی آنهاست. |
|
اصول بنیادی تداخل
- اصل استقلال انتشار امواج: طبق این اصل اگر دو یا چند موج ، بطور همزمان ، در یک منطقه از فضا در حال انتشار باشند، در لحظه به هم رسیدن ، مستقل از هم عمل می‌کنند. یعنی امواج روی هم اثر نمی‌گذارند و هر موج به گونه‌ای عمل می‌کند که در غیاب موجهای دیگر عمل می‌کرد.
- اصل برهمنهی امواج: در نقطه‌ای که موجها به هم می‌رسند، جابجایی کل برابر است با برآیند جابجاییهایی که هر یک از موجها به تنهایی ، در آن نقطه ایجاد می‌کنند. این مطلب به اصل برهمنهی امواج معروف است.
انواع تداخل
- تداخل سازنده: اگر امواجی که در یک نقطه به هم می‌رسند، همدیگر را تقویت کنند و دامنه برآیند آنها برابر مجموع دامنه موجهای اولیه باشد، تداخل را سازنده گویند. در این نوع تداخل ، امواج بر هم نهاده همفاز هستند (اختلاف فاز آنها مضرب زوجی از π است).
- تداخل ویرانگر: اگر امواج در نقطه‌ای که به هم می‌رسند، همدیگر را تضعیف کنند و دامنه برآیند برابر اختلاف دو دامنه باشد، تداخل را ویرانگر گویند. امواجی که تداخل ویرانگر را ایجاد می‌کنند، در فاز مخالف هم قرار دارند (اختلاف فاز آنها مضرب فردی از π است). می‌دانیم که نور از جنس امواج الکترومغناطیسی است که در سه بعد منتشر می‌شود. برای تفهیم بهتر تداخل امواج نوری ، تداخل امواج مکانیکی را در یک یا دو بعد در نظر می‌گیریم، سپس نمونه‌های امواج نوری را با آنها مقایسه می‌کنیم.
موج مکانیکی یک بعدی
روی ریسمانی که در در یک انتها ثابت شده است، موجی ایجاد می‌کنیم. این موج روی ریسمان بصورت سینوسی پیش می‌رود (انتشار موج سینوسی). و در این پیشروی انرژی موج را به نقاط دیگر ریسمان منتقل می‌کند. وقتی حرکت موجی به انتهای ثابت طناب رسید، موج بازتابیده می‌شود و با اختلاف فاز π به طرف دیگر طناب بر می‌گردد. اگر انتهای طناب ثابت نبود، این اختلاف فاز ایجاد نمی‌شد.
تداخل امواج مکانیکی در یک بعد
اگر در هر طرف ریسمان فوق ، امواجی ایجاد کنیم، این دو موج در خلاف جهت هم پیش می‌روند و در لحظه‌ای که به هم می‌رسند، باهم تداخل می‌کنند. اگر دو موج ، همفاز باشند، تقویت می‌شوند، در غیر این صورت ، همدیگر را تضعیف می‌کنند. دو موج پس از عبور از هم دوباره بطور مستقل ، در طول طناب ، منتشر می‌شوند.
آزمایشهای تداخلی «ایوز» و «وینر»
ایوز روی لایه‌ای از
جیوه ،
امولسیون یک صفحه عکاسی و روی آن شیشه‌ای قرار داد، سپس نور تکفامی را بصورت عمودی به شیشه تاباند. نور پس از عبور از شیشه و امولسیون ، در برخورد به سطح جیوه بازتاب می‌کند. این نور بازتابیده با نور فرودی تداخل می‌کند و به دلیل اختلاف فاز π
امواج ساکنی تشکیل می‌دهد. ایوز وقتی
فیلم عکاسی را زیر
میکروسکوپ قرار داد، نوارهای تاریک و روشنی را مشاهده کرد که با فاصله مساوی از هم قرار گرفته بودند و نشانگر تداخل امواج بودند.
ایوز توانست با اندازه گیری فاصله بین دو نوار تاریک یا روشن متوالی ( که برابر 2/ λ است)
طول موج نور (λ) را بدست آورد. چون طول موج نور خیلی کوتاه است، فاصله بین نوارها کم و تشخیص آن مشکل خواهد بود. «وینر» برای حل این مشکل فیلم عکاسی را با زاویه کوچک α روی جیوه قرار داد و بدین ترتیب فاصله بین نوارها (λ / 2α) افزایش یافت.
موج مکانیکی دوبعدی
اگر سنگی را درون آب آرام یک حوض بیاندازیم، موج دایروی روی سطح آب ایجاد می‌شود که در تمام جهات روی سطح آب پیش می‌رود. یعنی
جبهه‌های موج بصورت دایره‌هایی هستند که محل فرود سنگ در آب مرکز آنها می‌باشد.
تداخل امواج مکانیکی دو بعدی
دو سوزن هم اندازه را به دو انتهای یک میله وصل می‌کنیم. میله را روی سطح آب حوض ، بطور منظم به بالا و پایین حرکت می‌دهیم. هر کدام از سوزنها مانند سنگی که درون آب انداختیم، عمل می‌کنند و موجهای دایروی هم فرکانس و هم دامنه و همفاز ایجاد می‌کنند که بطور مستقل از هم در سطح آب منتشر می‌شوند. این موجها در هر نقطه که به هم می‌رسند، بر هم نهاده شده و باهم تداخل می‌کنند و در این نقاط شکل دایره‌ها بصورت هذلولیهایی در می‌آید. در این مورد هم در نقاطی که دو موج همفاز باشند، تداخل سازنده و در نقاطی که دو موج ناهمفاز باشند، تداخل ویرانگر خواهیم داشت.
هرگاه دو سوزن چنان ارتعاش کنند که اختلاف فاز بین آنها ثابت باشد، آنها را
همدوس گویند. در این حالت نقش تداخلی ساکنی ایجاد می‌شود. ولی اگر ارتعاش دو سوزن گاهی همفاز ، گاهی ناهمفاز و با اختلاف فازهای متغیر باشد، آنها را ناهمدوس می‌گویند. در این صورت نقش تداخلی مرتب تغییر خواهد کرد.
آزمایش ساده تداخل نورانی
اگر یک روزنه کوچک را مقابل چشمه نوری قرار دهیم، در طرف دیگر روزنه نور در همه جهات منتشر می‌شود. یعنی خود روزنه به عنوان یک منبع نقطه‌ای نور عمل می‌کند. ولی اگر روزنه مشابهی هم کنار این روزنه داشته باشیم که از منبع مشابه دیگری نور دریافت می‌کند، بر خلاف انتظار نقشهای تداخلی را نخواهیم دید.
علت تداخل چیست؟
در یک چشمه نوری ، نور از تعداد زیادی اتم گسیل می‌شود که هر اتم به مدت یک نانو ثانیه نور گسیل می‌کند. حتی اگر شرایط گسیل نور اتمها مشابه باشد، امواج مربوط به اتمهای مختلف ، اختلاف فاز متفاوتی خواهند داشت. پس پرتوهای خروجی از دو منبع فوق ، فقط حدود نانو ثانیه ارتباط فازی ثابتی خواهند داشت. یعنی در یک ثانیه نقش تداخلی (10
9) بار تغییر می‌کند. چشم فقط تغییراتی را می‌بیند که حدود 0.1 ثانیه ادامه یابد، پس قادر به تشخیص تغییرات فوق و نقش تداخلی متغیر نخواهد بود. پس نورهای خروجی از دو منبع مختلف ارتباط ثابتی باهم ندارند و لذا نمی‌توانند نقش تداخلی ثابتی ایجاد کنند.
به عبارت دیگر ، امواج منابع مختلف باهم هماهنگی ندارند(همدوسی زمانی ندارند). در یک لحظه نقطه A دو گروه موج از دو منبع دریافت می‌کند، چون این دو منبع ناهمدوسند، بین این دو گروه اختلاف فاز وجود خواهد داشت. در لحظه بعد ، دو گروه موج دیگر به نقطه A می‌رسند که دوباره باهم اختلاف فاز خواهند داشت. ممکن است این دو اختلاف فاز باهم برابر باشند یا نباشند، پس در لحظات مختلف ، نقطه A دارای اختلاف فازهای متفاوتی از امواج دریافتی خواهد بود.
نقش همدوسی در تداخل
یانگ با طرح روش ساده‌ای مشکل ناهمدوسی منابع را حل کرد. او بجای دو منبع از یک منبع استفاده کرد و در مقابل آن پرده‌ای با دو روزنه قرار داد. امواج نوری گسیل شده از منبع ، بطور همزمان به دو قطار در روزنه‌ها تقسیم می‌شوند که کاملا باهم مشابهند. در این حالت عدم هماهنگی از بین می‌رود و تنها اختلاف راه دو منبع باعث ایجاد اختلاف فاز می‌شود. این اختلاف فاز برای یک نقطه به دلیل شرایط ثابت ، همیشه ثابت است.
در نقطه دیگر روی پرده ، چون اختلاف راه پرتوها فرق کرده ، اختلاف فاز متفاوت ولی ثابتی خواهیم داشت. پس شدت نور این نقطه متفاوت از شدت نقطه قبلی خواهد بود. بدین ترتیب توزیع شدتی که به
نقش تداخل معروف است، روی پرده مشاهده می‌شود. پس برای غلبه بر مشکل ناهمدوسی منابع ، باید موجهای تداخل کننده از یک منبع واحد خارج شوند. اینکار به دو روش تقسیم جبهه موج و تقسیم دامنه موج انجام می‌شود. با مطالعه خطوط تداخلی حاصل از آزمایشهای تداخل و
تداخل سنجها می‌توان به اطلاعات وسیعی دست یافت.
مباحث مرتبط با عنوان
