Interferencija

Šviesos interferencija – reiškinys, kai dvi ar kelios erdvėje sklindančios koherentinės bangos susideda sudarydamos iš eilės besikeičiančias šviesias ir tamsias juostas.

Susidarymas

Bangos sklisdamos susideda ir vienuose erdvės taškuose vyksta susilpninti svyravimai, o kituose – sustiprinti. Dviejų ar daugiau šviesos spindulių pluoštų sukeliamas šviesos intensyvumas paprastai yra lygus atskirų spindulių pluoštų sukeltų šviesos intensyvumų sumai. Bet patirtis prieštarauja tokiai bangų sudėčiai, nes sudedant bangas, tik retkarčiais atstojamosios bangos amplitudė yra lygi sudedamųjų amplitudžių sumai.

Formulės

Sudėjus du vienodos krypties harmoningus svyravimus, atstojamojo svyravimo amplitudės kvadratas lygus:
A²=A₁²+ A₂²+2× A₁×A₂×cos×(φ ₂-φ ₁)
A₁ ir A₂ yra sudedamųjų svyravimų amplitudės, φ ₂-φ ₁ – jų fazių skirtumas.
Taigi atstojamosios bangos amplitudės kvadratas A², o tuo pačiu ir šviesos stiprumas I (nes I ~ A²) priklauso nuo sudedamųjų bangų fazių skirtumo. Kai φ ₂-φ ₁=2mπ (čia m=0, 1, 2, 3 …), t. y., kai fazės vienodas, dviejų bangų atstojamoji amplitudė lygi dedamųjų amplitudžių sumai:
A= A₁+ A₂
Kai φ ₂-φ ₁= (2m+1) π, svyravimo fazės yra priešingos ir atstojamoji amplitudė yra lygi dedamųjų amplitudžių skirtumui:
A= A₁- A₂
Dedamųjų bangų fazių skirtumas pasilieka visą laiką pastovus tik tada, kai turime koherentines bangas. Šviesos bangas spinduliuoja šaltinio atskiri atomai. Atomo spinduliavimas trunka trumpai (apie 10⁻⁸ s) ir nutrūksta, kai išspinduliuoja visą energijos perteklių. O kartais atomas nustoja spinduliavęs, kai susiduria su gretimais atomais. Vėliau jis gali vėl spinduliuoti, tačiau naujai išspinduliuotos bangos fazė bus jau skirtinga. To paties šviesos šaltinio dviejų atskirų atomų spinduliuojamų bangų fazės skirtumas visą laiką keičiasi. Taigi dviejų atskirų atomų išspinduliuojamos bangos nėra monochromatinės (vienodo ilgio) ir koherentinės, jas sudėję, interferencijos negausime.
Sudedant n svyravimų su vienodomis amplitudėmis a, gauname atstojamąją amplitudę, kuri lygi:
A²=n×a²+2a²Σ cos ×(φ ᵢ-φ ₖ);
Čia i ir k poromis įgyja visas reikšmes nuo 1 iki n, išskyrus reikšmes i=k. Kadangi φ ᵢ ir φ ₖ priklauso skirtingiems atomams ir vienas su kitu nesurišti, tai cos (φ ᵢ-φ ₖ) turės turės visas galimas teigiamas ir neigiamas reikšmes. Taigi, esant labai dideliam sudedamųjų svyravimų skaičiui, antrojo nario suma praktiškai virsta nuliu, ir galima parašyti, kad:
A²=na²
Arba
I=nI₀
Taigi atstojamojo svyravimo šviesos intensyvumas (I) bet kuriam nagrinėjamam laiko taškui lygus dedamųjų svyravimų šviesos intensyvumų sumai (nI₀). Šviesos interferencijos negauname, tai įrodo, kad šviesos interferencijos reiškiniui stebėti reikia sudaryti atitinkamas sąlygas.

Frenelio bandymai

Prancūzų mokslininkas Frenelis parodė, kad koherentines bangas galima gauti, padalijus atspindėjimo arba lūžimo būdu vieno arba artimųjų sąveikaujančių atomų išspinduliuota šviesos srautą į atskirus du srautus. Jis išsklaidė šviesos šaltinio nedidelio paviršiaus išspinduliuotą spindulių pluoštą į du koherentinius: nukreipė jį į du veidrodžius, kurie sudaro artimą 180° kampą. Du spinduliai, atsispindėję nuo veidrodžių tartum eina iš šviesos šaltinio dviejų menamų vaizdų ir, praėję nevienodo ilgio kelią, vėl susitinka ant ekrano. Į įvairius ekrano taškus jie ateina nevienodose fazėse; fazės skirtumas priklauso nuo spindulių nueitų kelių skirtumo. Todėl įvairių ekrano vietų apšviestumas bus nevienodas. Be veidrodžių Frenelis panaudojo ir prizmę, kurią sudaro dvi mažo laužiamojo kampo pagrindais sudėtos prizmės. Biprizmė sudaro du šviesos šaltinio menamuosius atvaizdus, iš kurių sklinda koherentinės bangos ir ant ekrano duoda šviesias ir tamsias juostas

Jungo bandymai

Anglų mokslininkas Tomas Jungas dviem koherentiniams šviesos šaltiniams gauti pasinaudojo šviesos difrakcijos reiškiniu. Jo prietaise šviesos šaltinis stipriai apšviečia plyšį; sklindanti iš jo šviesos banga pasiekia ekraną su dviem siaurais plyšiais, kuriuos nušviečia skirtingos tos pačios bangos paviršiaus dalys. Praėjusi juos banga užlinksta, ir spinduliai, susitikę ekrane, interferuoja.
Šviesos bangos yra skersinės, taigi jos svyruoja bet kuria, statmena sklidimo krypčiai linkme. Interferencijai reikia, kad koherentinės bangos svyruotų vienoje plokštumoje (būtų poliarizuotos).