Gli schemi di interferenza sono bande chiare o scure causate da raggi che sono in fase o sfasati tra loro. Quando sovrapposte, onde luminose e simili si sommano se le loro fasi coincidono (sia in direzione di aumento che di diminuzione), oppure si compensano a vicenda se sono in antifase. Questi fenomeni sono chiamati rispettivamente interferenza costruttiva e distruttiva. Se un fascio di radiazioni monocromatiche, tutte della stessa lunghezza d'onda, passa attraverso due strette fenditure (l'esperimento fu condotto per la prima volta nel 1801 da Thomas Young, uno scienziato inglese che, grazie a lui, giunse alla conclusione sulla natura dell'onda di luce), i due fasci risultanti possono essere diretti su uno schermo piatto, sul quale, invece di due punti sovrapposti, si formano frange di interferenza, un pattern di aree chiare e scure alternate uniformemente. Questo fenomeno è utilizzato, ad esempio, in tutti gli interferometri ottici.
Sovrapposizione
La caratteristica distintiva di tutte le onde è la sovrapposizione, che descrive il comportamento delle onde sovrapposte. Il suo principio è che quando si è nello spazioSe si sovrappongono più di due onde, la perturbazione risultante è uguale alla somma algebrica delle singole perturbazioni. A volte questa regola viene violata per grandi perturbazioni. Questo semplice comportamento porta a una serie di effetti chiamati fenomeni di interferenza.
Il fenomeno dell'interferenza è caratterizzato da due casi estremi. Nei massimi costruttivi le due onde coincidono e sono in fase tra loro. Il risultato della loro sovrapposizione è un aumento dell'effetto perturbante. L'ampiezza dell'onda mista risultante è uguale alla somma delle singole ampiezze. E, al contrario, nell'interferenza distruttiva, il massimo di un'onda coincide con il minimo della seconda: sono in antifase. L'ampiezza dell'onda combinata è uguale alla differenza tra le ampiezze delle sue parti componenti. Nel caso in cui siano uguali, l'interferenza distruttiva è completa e la perturbazione totale del mezzo è zero.
L'esperimento di Jung
Il pattern di interferenza di due sorgenti indica chiaramente la presenza di onde sovrapposte. Thomas Jung ha suggerito che la luce è un'onda che obbedisce al principio di sovrapposizione. Il suo famoso risultato sperimentale fu la dimostrazione dell'interferenza costruttiva e distruttiva della luce nel 1801. La versione moderna dell'esperimento di Young differisce essenzialmente solo per l'uso di sorgenti luminose coerenti. Il laser illumina uniformemente due fessure parallele su una superficie opaca. La luce che li attraversa viene osservata su uno schermo remoto. Quando la larghezza tra le fessure è molto maggiore dilunghezza d'onda, vengono osservate le regole dell'ottica geometrica: sullo schermo sono visibili due aree illuminate. Tuttavia, quando le fessure si avvicinano, la luce si diffrange e le onde sullo schermo si sovrappongono. La diffrazione stessa è una conseguenza della natura ondulatoria della luce ed è un altro esempio di questo effetto.
Modello di interferenza
Il principio di sovrapposizione determina la distribuzione dell'intensità risultante sullo schermo illuminato. Un modello di interferenza si verifica quando la differenza di percorso dalla fenditura allo schermo è uguale a un numero intero di lunghezze d'onda (0, λ, 2λ, …). Questa differenza assicura che gli alti arrivino contemporaneamente. L'interferenza distruttiva si verifica quando la differenza di percorso è un numero intero di lunghezze d'onda spostate della metà (λ/2, 3λ/2, …). Jung ha usato argomentazioni geometriche per dimostrare che la sovrapposizione si traduce in una serie di frange o chiazze equidistanti di alta intensità corrispondenti ad aree di interferenza costruttiva separate da macchie scure di interferenza distruttiva totale.
Distanza tra le buche
Un parametro importante della geometria della doppia fenditura è il rapporto tra la lunghezza d'onda della luce λ e la distanza tra i fori d. Se λ/d è molto inferiore a 1, la distanza tra i margini sarà piccola e non si osserveranno effetti di sovrapposizione. Utilizzando fessure ravvicinate, Jung è stato in grado di separare le aree scure e chiare. Pertanto, ha determinato le lunghezze d'onda dei colori della luce visibile. La loro entità estremamente piccola spiega perché questi effetti si osservano soloa determinate condizioni. Per separare le aree di interferenza costruttiva e distruttiva, le distanze tra le sorgenti di onde luminose devono essere molto piccole.
Lunghezza d'onda
Osservare gli effetti di interferenza è difficile per altri due motivi. La maggior parte delle sorgenti luminose emette uno spettro continuo di lunghezze d'onda, risultando in molteplici schemi di interferenza sovrapposti l'uno all' altro, ciascuno con la propria spaziatura tra le frange. Questo annulla gli effetti più pronunciati, come le aree di oscurità totale.
Coerenza
Affinché l'interferenza possa essere osservata per un lungo periodo di tempo, è necessario utilizzare sorgenti luminose coerenti. Ciò significa che le sorgenti di radiazione devono mantenere una relazione di fase costante. Ad esempio, due onde armoniche della stessa frequenza hanno sempre una relazione di fase fissa in ogni punto dello spazio - in fase, in antifase o in qualche stato intermedio. Tuttavia, la maggior parte delle sorgenti luminose non emette vere onde armoniche. Invece, emettono luce in cui si verificano cambiamenti di fase casuali milioni di volte al secondo. Tale radiazione è chiamata incoerente.
La sorgente ideale è un laser
L'interferenza è ancora osservata quando le onde di due sorgenti incoerenti sono sovrapposte nello spazio, ma i modelli di interferenza cambiano casualmente, insieme a uno sfasamento casuale. I sensori di luce, inclusi gli occhi, non possono registrarsi rapidamentemodifica dell'immagine, ma solo l'intensità media del tempo. Il raggio laser è quasi monocromatico (cioè costituito da una lunghezza d'onda) e altamente coerente. È una fonte di luce ideale per osservare gli effetti di interferenza.
Rilevamento di frequenza
Dopo il 1802, le lunghezze d'onda della luce visibile misurate da Jung potrebbero essere correlate alla velocità della luce non sufficientemente precisa disponibile in quel momento per approssimarne la frequenza. Ad esempio, per la luce verde è di circa 6×1014 Hz. Questo è molti ordini di grandezza superiore alla frequenza delle vibrazioni meccaniche. In confronto, un essere umano può sentire suoni con frequenze fino a 2×104 Hz. Che cosa esattamente fluttuasse a tale velocità rimase un mistero per i successivi 60 anni.
Interferenza nei film sottili
Gli effetti osservati non si limitano alla geometria a doppia fenditura usata da Thomas Young. Quando i raggi vengono riflessi e rifratti da due superfici separate da una distanza paragonabile alla lunghezza d'onda, si verifica un'interferenza in film sottili. Il ruolo del film tra le superfici può essere svolto dal vuoto, dall'aria, da eventuali liquidi o solidi trasparenti. Nella luce visibile, gli effetti di interferenza sono limitati a dimensioni dell'ordine di pochi micrometri. Un noto esempio di film è una bolla di sapone. La luce riflessa da esso è una sovrapposizione di due onde - una è riflessa dalla superficie anteriore e la seconda - da quella posteriore. Si sovrappongono nello spazio e si impilano tra loro. A seconda dello spessore del saponefilm, due onde possono interagire in modo costruttivo o distruttivo. Un calcolo completo del pattern di interferenza mostra che per la luce con una lunghezza d'onda λ, si osserva un'interferenza costruttiva per uno spessore del film di λ/4, 3λ/4, 5λ/4, ecc., e si osserva un'interferenza distruttiva per λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formule per il calcolo
Il fenomeno dell'interferenza ha molti usi, quindi è importante comprendere le equazioni di base coinvolte. Le seguenti formule consentono di calcolare varie quantità associate all'interferenza per i due casi di interferenza più comuni.
La posizione delle frange luminose nell'esperimento di Young, ovvero le aree con interferenza costruttiva, può essere calcolata usando l'espressione: ybright.=(λL/d)m, dove λ è la lunghezza d'onda; m=1, 2, 3, …; d è la distanza tra gli slot; L è la distanza dal bersaglio.
La posizione delle bande scure, ovvero le aree di interazione distruttiva, è determinata dalla formula: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Per un altro tipo di interferenza - nei film sottili - la presenza di una sovrapposizione costruttiva o distruttiva determina lo sfasamento delle onde riflesse, che dipende dallo spessore del film e dal suo indice di rifrazione. La prima equazione descrive il caso dell'assenza di tale spostamento, e la seconda descrive uno spostamento di mezza lunghezza d'onda:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Qui λ è la lunghezza d'onda; m=1, 2, 3, …; t è il percorso percorso nel film; n è l'indice di rifrazione.
Osservazione nella natura
Quando il sole splende su una bolla di sapone, si possono vedere bande dai colori brillanti poiché diverse lunghezze d'onda sono soggette a interferenze distruttive e vengono rimosse dal riflesso. La restante luce riflessa appare complementare ai colori lontani. Ad esempio, se non è presente alcuna componente rossa a causa di un'interferenza distruttiva, il riflesso sarà blu. Film sottili di olio sull'acqua producono un effetto simile. In natura, le piume di alcuni uccelli, inclusi pavoni e colibrì, e le conchiglie di alcuni coleotteri appaiono iridescenti, ma cambiano colore al variare dell'angolo di visione. La fisica dell'ottica qui è l'interferenza delle onde luminose riflesse da strutture a strati sottili o schiere di barre riflettenti. Allo stesso modo, perle e conchiglie hanno un iride, grazie alla sovrapposizione dei riflessi di più strati di madreperla. Pietre preziose come l'opale mostrano bellissimi schemi di interferenza dovuti alla dispersione della luce da schemi regolari formati da microscopiche particelle sferiche.
Applicazione
Ci sono molte applicazioni tecnologiche dei fenomeni di interferenza della luce nella vita di tutti i giorni. La fisica dell'ottica della fotocamera si basa su di essi. Il solito rivestimento antiriflesso delle lenti è una pellicola sottile. Il suo spessore e la sua rifrazione sono scelti per produrre un'interferenza distruttiva della luce visibile riflessa. Rivestimenti più specializzati costituiti dadiversi strati di film sottili sono progettati per trasmettere radiazioni solo in un ristretto intervallo di lunghezze d'onda e, quindi, vengono utilizzati come filtri per la luce. I rivestimenti multistrato vengono utilizzati anche per aumentare la riflettività degli specchi dei telescopi astronomici e delle cavità ottiche laser. L'interferometria - metodi di misurazione precisi utilizzati per rilevare piccoli cambiamenti nelle distanze relative - si basa sull'osservazione degli spostamenti nelle bande scure e chiare create dalla luce riflessa. Ad esempio, misurare come cambierà il pattern di interferenza consente di determinare la curvatura delle superfici dei componenti ottici in frazioni della lunghezza d'onda ottica.
