المناهج

ما هو تداخل الضوء

من السمات الهامة لموجات الضوء هي قدرتها تحت ظروف معينة ، على التداخل في بعضها البعض. يلاحظ معظم الناس نوعًا من التداخل البصري كل يوم ، لكنهم لا يدركون ما يحدث لإنتاج هذه الظاهرة. يتجلى أحد أفضل الأمثلة على التداخل في الضوء المنعكس من زيت يطفو على الماء. مثال آخر هو فقاعة الصابون والتي تعكس مجموعة متنوعة من الألوان الجميلة عند إضاءة مصادر الضوء الطبيعية أو الاصطناعية.

تداخل الشق المزدوج

لنفترض أن لديك مؤشر ليزر. الليزر هو في الأساس مجرد مجموعة من موجات الضوء

التي لها نفس الطول الموجي وجميعها تصطف مع بعضها البعض. لنفترض أنك وضعت بطاقة أمام شعاع الليزر بها شقين ،

بحيث يمكن للموجات أن تمر من خلال نقطتين فقط. ثم تقوم بقياس مقدار الضوء الذي يضرب الجدار على الجانب الآخر من الغرفة في نقاط مختلفة.

لكي تعمل التجربة ، يجب أن تكون الشقوق صغيرة مقارنة بالمسافة من البطاقة إلى الحائط ،

ولكن يجب أن تكون أكبر من طول موجة واحدة من الضوء. هذا يعني أنه إذا اخترنا بقعة على الحائط ، فسوف تضربها موجتان ضوئيتان ؛

واحد من الشق العلوي والآخر من الشق السفلي. عندما يقتربون من الجدار ، ويقتربون من بعضهم البعض ، سيبدأون في التدخل.

نحن نعلم أن الموجتين كانتا متماثلتين تمامًا عندما وصلتا إلى البطاقة ، لكنهما لن يكونا بالضرورة نفس الشيء عند وصولهما إلى الحائط.

دعنا نختار بقعة على الحائط لقياس الموجتين ، نقول فوق الشق العلوي.

يجب أن يكون الضوء القادم من الشق السفلي أبعد بكثير من الضوء من الشق العلوي ،

لذلك ستكون هناك حاجة إلى المزيد من الأطوال الموجية للتنقل لمسافات أطول. إذا اخترنا نقطة مختلفة على الحائط ،

فسوف نحصل على عدد مختلف من الأطوال الموجية مرة أخرى لكل مسار يأخذه الضوء من شقه إلى الجدار.

المفتاح هو مقارنة عدد الأطوال الموجية التي تستغرقها كل موجة ضوئية للانتقال من الشق إلى الجدار. بالنسبة للتداخل البنّاء ،

سيكون الفرق في الأطوال الموجية عددًا صحيحًا من الأطوال الموجية الكاملة. بالنسبة للتداخل المدمر سيكون عددًا صحيحًا من الأطوال الموجية الكاملة بالإضافة إلى نصف الطول الموجي.

فكر في النقطة بالضبط بين الشقين. سوف تسافر موجات الضوء بنفس المسافة ، لذلك سوف تسافر بنفس عدد أطوال الموجات.

هذا يعني أنه سيكون هناك دائمًا تدخل بناء في تلك البقعة ، لذلك سنرى دائمًا نقطة مضيئة على الحائط في المنتصف.

عندما تبتعد عن نقطة المركز ، ستصبح أطوال مسار الموجتين (أو المسافة الإجمالية المقطوعة من الليزر إلى الحائط) مختلفة أكثر فأكثر ،

حتى نصل إلى نقطة يكون فيها نفس الطول بالإضافة إلى نصف طول الموجة. عند هذه النقطة ، ستضرب إحدى الموجات الجدار مع قمة عندما تضرب الأخرى بقاع ، لذلك ستلغي بعضها البعض بشكل فعال ، مما يؤدي إلى بقعة مظلمة هناك.

بينما نواصل الابتعاد عن المركز ، ستستمر أطوال المسار في الاختلاف ، حتى نصل إلى النقطة التي تكون فيها متساوية بالإضافة إلى الطول الموجي بالكامل ، لذلك سنحصل على تداخل بناء مرة أخرى ، لأن الموجتين ستلتقي في نفس الوقت بقعة في دورة الطول الموجي. سينتج عن ذلك نقطة مضيئة أخرى على الحائط.
سيستمر هذا النمط بالتناوب حتى نحصل على نمط من البقع الفاتحة و البقع الداكنة ، فوق وتحت النقطة المضيئة المركزية.

إذا كانت الشقوق بعيدة عن بعضها البعض ، فستكون موجات الضوء قادمة من بقع أبعد. وهذا يعني أن أطوال مسارها ستكون مختلفة عن بعضها البعض ، مما يعطي نقاطًا مضيئة أقرب إلى بعضها البعض.

تداخل الشق الواحد

قد تعتقد أنه إذا كان هناك شق واحد فقط ، فلن يكون هناك أي تداخل في الموجة ، ولكن دعنا نقول أننا لكمنا المنطقة بأكملها بين الشقوق في بطاقتنا. لا يزال الشق صغيرًا ، ولكنه أكبر بكثير من الشقوق لدينا من تجربة الشق المزدوج. يمكننا التظاهر بتقسيم شقنا إلى قطع ومقارنة أطوال مسار الضوء القادم من هذه القطع إلى بعضها البعض لاكتشاف نوع نمط التداخل الذي سنحصل عليه عندما تتفاعل.

لنبدأ في منتصف الجدار ، كما فعلنا في حالة الشق المزدوج، دعنا نختار النقاط عند حافتي الشق. هم على مسافة متساوية من مركز الشق ، لذلك فإن أطوال مسارهم إلى نقطة المركز على الحائط ستكون هي نفسها. نحن نعلم أن هذا يعني أنهم سيتدخلون بشكل بناء مع بعضهم البعض.

إذا اخترنا نقطتين أبعد من ذلك ، ولكنهما لا يزالان على نفس المسافة من منتصف الشق ، فسيكون لديهما أيضًا أطوال مسار متساوية إلى النقطة المركزية على الحائط. سوف يتدخلون أيضًا بشكل بناء مع بعضهم البعض.

لذا ، يمكننا أن نرى أن هناك الكثير من التدخلات البناءة التي تحدث في هذه النقطة المركزية ، في الواقع ، سيكون هناك نقطة مضيئة رئيسية بسبب ذلك.

إذا أردنا العثور على بقعة مظلمة على الحائط ، فيجب أن نجد مكان وجود التداخل الأكثر تدميراً. بدلاً من

أخذ النقاط بشكل متماثل عبر الشق ، لنأخذ نقطتين ، واحدة عند الحافة العلوية والأخرى أسفل خط الوسط مباشرة ، ومقارنتها.

نظرًا لأن جميع هذه الأزواج متساوية المسافة عبر الشق ، إذا قمنا بقياس طول المسار من كل زوج إلى نفس المكان على الحائط ، فسيكون لكل زوج نفس الفرق في طول المسار. (تذكر ، لن يكون للأزواج نفس طول المسار المطلق ، فقط نفس الاختلاف في طول المسار ، وهو ما يهمنا على أي حال.) إذا وجدنا النقطة على الحائط حيث يوجد زوج واحد بفارق نصف طول الموجة في طول المسار ، ثم وجدنا النقطة التي ستتواجد فيها جميع الأزواج. سيكون هناك الكثير من التداخل المدمر عند تلك النقطة من جميع الأزواج المختلفة ، لذلك سنرى بقعة مظلمة بشكل عام هناك.

تمامًا كما هو الحال بالنسبة للبقعة المظلمة ، إذا وجدنا بقعة حيث يكون لهذه الاقتران اختلاف في طول مسار طول موجة كاملة ، فسوف نحصل على نقطة مضيئة أخرى.

إذا قارنا حيود الشق المفرد بنمط التداخل مزدوج الشق ، فإن البقع تكون أكبر بكثير وأكثر انتشارًا. على وجه الخصوص ، فإن النقطة المضيئة المركزية أكبر بكثير مما ستكون عليه للشقوق المزدوجة بنفس العرض. يمكننا أن نرى الحيود كضوء ينتشر عندما يصل إلى حفرة أو حاجز آخر ، ومحاولة الالتفاف حول هذا الحاجز. في عملية الانتشار ، يتداخل مع نفسه لإنشاء نمط البقع الفاتحة والداكنة التي نسميها نمط الحيود.

تداخل الشق المزدوج مع الحيود

عندما تحدثنا عن تداخل الشق المزدوج ، تظاهرنا بأن موجة ضوئية واحدة فقط يمكن أن تمر عبر كل شق في المرة الواحدة. إذا أدركنا بدلاً من ذلك أن هناك بضع موجات ضوئية تسافر عبر كل من الشقين في وقت واحد ، فيمكننا أن نرى أنه سيكون هناك نمط حيود لكل شق فردي (بالإضافة إلى نمط التداخل ثنائي الشقين).

نظرًا لأن الشقين متقاربين من بعضهما البعض ، وأنماط الحيود الخاصة بهم واسعة ، فإن أنماط الحيود الفردية متشابهة ويمكننا دمج نمطي الحيود للحصول على نفس نمط الحيود “الشق الفردي” الذي حصلنا عليه لشق واحد. سيحافظ هذا النمط على نمط التداخل المزدوج الشق الخاص بنا ، مما يحد من مدى سطوع النقاط المضيئة في أي نقطة معينة على الحائط.

إذا كان لدينا بقعة مشرقة في نمط الحيود ، فيمكن أن تكون البقع الساطعة للتداخل لدينا مشرقة كما نريد. ولكن ، إذا كان لدينا بقعة داكنة حيود ، فإن البقع المضيئة في نمط التداخل الخاص بنا لا يمكن أن تكون أكثر إشراقًا من البقعة الداكنة حيود ، وسوف تختفي تمامًا.

سيأتي نمط التداخل من الضوء من الشقين المتفاعلين ، وسيأتي نمط الانعراج من الضوء من كل شق فردي يتفاعل مع نفسه.

اعتبارات هامة لتداخل الضوء

تخيل سيناريو التدخل من إشارات جهاز اتصال لاسلكي. لنفترض أن جهاز الاستقبال يقع بين الشخص الذي يرسل إشارة جهاز اتصال لاسلكي وجرف صخري صلب ، ونحن نعلم أن الطول الموجي لإشارة جهاز اتصال لاسلكي هو 1 متر.

ستصل الإشارة إلى جهاز الاستقبال ، ولكن بعد ذلك استمر في تجاوزها إلى الهاوية وترتد عنها. ستعود الإشارة بعد ذلك إلى جهاز الاستقبال. وهذا يعني أن المسافة بين جهاز الاستقبال والمنحدر ستحدد كيفية تفاعل الموجات الواردة والمنعكسة مع بعضها البعض. سيكون الفرق في طول المسير هو المسافة التي تتجاوز الموجة المستقبل الذي تنتقل إليه الموجة ، بالإضافة إلى المسافة مرة أخرى.

نظرًا لأن الطول الموجي لإشارة جهاز الاتصال اللاسلكي هو 1 متر ، فإن فرق المسار يجب أن يكون مضاعفًا لمتر كامل للتدخل البناء ، ونصف متر للتداخل المدمر. يمكن لجهاز الاستقبال محاولة الانتقال إلى مكان أقرب أو أبعد من الجرف لمحاولة جعل تداخل الإشارة يعمل لصالحه.

السابق
ما هي الجاذبية الكمومية
التالي
ما هي فرضية عقول بولتزمان