Что такое оптика

В данной статье мы подробно разберем раздел физики — оптику. Рассмотрим все виды волн: электромагнитные волны, гамма, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное излучения, микроволны, радиоволны, а так же механические волны. Помимо этого, расскажем что такое интерференция и дифракция.

Введение

Оптика — это область физики, которая занимается явлениями, связанными со светом. Она пытается объяснить, что такое свет, какова его природа и какие законы управляют поведением света. Оптика также исследует влияние света на окружающую материю и способ его распространения в этом вопросе. Первоначально, оптика занималась только изучением белого света, но она создавала инструменты, которые позволяют использовать и другие виды излучения: инфракрасное или ультрафиолетовое. Оптика также занимается использованием света в технике.

Оптика разделена на несколько разделов:

Геометрическая оптика — это старейшее отделение оптики. Сегодня это своего рода основа для понимания более глубокой природы света. В геометрической оптике свет воспринимается как совокупность световых лучей, которые являются своего рода струйкой света. Эти лучи распространяются в пространстве по прямым линиям. Геометрическая оптика не объясняет, что такое свет на самом деле, а лишь говорит о том, что в материи он распространяется по прямым линиям, отражает, когда он сталкивается с другим центром , и разрушается, когда он входит в этот центр.

Волновая оптика — имеет дело с явлениями, в которых раскрывается волновая природа света. Эти явления являются интерференцией, дифракцией или поляризацией. Согласно волновой оптике, свет — это электромагнитная волна, а основными законами, которые описывают его распространение в пространстве, являются уравнения Максвелла.

Спектроскопия — это раздел оптики, который изучает спектры света, излучаемого различными элементами. Благодаря исследованиям, проведенным по спектрам поглощения и излучения газов, в начале двадцатого века было создано много новых теорий, описывающих структуру света и вещества. Свет также воспринимался как поток частиц — фотонов, и, в свою очередь, природа вещества была известна. Тогда же родилась квантовая механика.

Квантовая оптика — создана с появлением квантовой механики. Этот раздел оптики посвящен описанию света как потока фотонов — безмассовых частиц. В результате свет приобретает новые физические параметры, такие как импульс, давление или энергия. Взаимодействие фотонов с веществом можно сравнить со столкновениями малых сфер. Квантовая оптика в сочетании с атомной физикой и спектроскопией являются очень важным инструментом для астрономических исследований. Благодаря им можно определить, какие элементы, где они находятся во Вселенной и какие составляющие являются конкретными звездами, планетами или галактиками.

Основное предположение оптики заключается в том, что проходящий через вещество пучок света не влияет на распространение другого пучка. Это примерно верно для лучей с относительно низкой интенсивностью. Однако в случае высокой интенсивности поток одного луча света влияет на другой, а также на самого себя. Нелинейная оптика справляется с этими проблемами.

Волны

С физической точки зрения, волна — это беспорядок, который распространяется в данном центре, это периодические изменения определенного размера. Волна создается благодаря тому, что точки данного центра связаны друг с другом, благодаря чему можно перемещать беспорядок. Волна не сопровождается каким-либо переносом вещества — точки центра не перемещаются вместе с волной. Волна переносит энергию.

Мы различаем различные типы волн, которые делятся по нескольким причинам:

Относительно направления колебаний точек центра, в котором распространяется волна, мы различаем:

  • продольные волны — точки центра вибрируют параллельно направлению распространения волны.
  • поперечные волны — центральные точки вибрируют перпендикулярно направлению распространения волны.

Однако, когда дело доходит до направления распространения волны, мы различаем:

  • плоские волны — направление распространения волны одно
  • круговые волны — волна распространяется во всех направлениях на определенной плоскости
  • сферические волны — волна распространяется во всех направлениях во всем пространстве.

Мы также различаем волны по их физическим свойствам и центрам, в которых они распространяются. В случае света он также отображает волновую природу. В этом случае мы имеем дело с электромагнитной волной.

Электромагнитные волны

Долгое время считалось, что электрические и магнитные явления совершенно не связаны друг с другом. Однако в девятнадцатом веке было обнаружено, что это явления, которые можно описать одной теорией — теорией электромагнетизма. Согласно этой теории, электрическое и магнитное поля тесно связаны и образуют одно поле — электромагнитное поле. Электромагнитные взаимодействия являются одним из четырех фундаментальных взаимодействий, наблюдаемых в природе. Наиболее известными законами, описывающими электромагнитные явления, являются 4 уравнения Максвелла. Общая форма этих уравнений может показаться немного сложной для тех, кто не знает определения интеграла или производной, но их содержание легко объяснимо. Ну, первое уравнение Максвелла говорит, что переменное электрическое поле генерирует вихревое магнитное поле, в то время как второе уравнение говорит что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Более того, эти уравнения также показывают, что максимальная скорость, с которой электромагнитное поле может двигаться в пространстве — это скорость света. Такое поле тогда является электромагнитной волной. Так что эта волна действительно такое электрическое и магнитное поле. Электрическое поле описывает вектор электрического поля Е и вектор магнитного поля магнитной индукции B. Оба эти поля являются переменными, и описывающие их векторы перпендикулярны друг другу, а также направлению, в котором электромагнитная волна распространяется в пространстве.

электромагнитная волна

Каждую волну можно охарактеризовать, указав несколько параметров. Частота является одним из таких параметров. Частота определяет количество периодов колебания волны в одну секунду. В случае электромагнитных волн мы имеем дело с количеством полных электрических и магнитных полей в одной секунде. Частота выражается в единицах — Герцах. Другим параметром, характеризующим волну, является ее длина, то есть расстояние, содержащееся в одном периоде колебаний волны, иными словами, наименьшее расстояние между точками, в которых амплитуда волны принимает одно и то же значение. Чем выше частота, тем ниже длина волны. Частота является постоянной величиной для данной волны и не изменяется в зависимости от типа среды, в которой распространяется электромагнитная волна. Однако длина волны зависит от типа центра, в котором она распространяется. Это связано с тем, что длина волны, помимо того, что она зависит от частоты волны, также зависит от скорости ее распространения. И это, в свою очередь, как мы знаем, меняется в зависимости от типа центра.

Вот формулы, описывающие упомянутые параметры:

  • Частота
формула частоты
где Т — период волны
  • Длина волны
формула длины волны

Скорость распространения электромагнитной волны самая высокая в случае распространения в вакууме, она составляет 299792 км / с. В случае других центров, заполняющих материю, эта скорость всегда ниже. Его значение зависит от типа среды, а также от частоты волны. Прохождение электромагнитной волны через материальные центры сопровождается потерей энергии. Эта энергия передается в центр, благодаря чему его внутренняя энергия увеличивается. Это явление называется поглощением света. В результате поглощения или поглощения света средой луч постепенно ослабевает. То, как быстро он теряет свою первичную энергию, напрямую зависит от свойств среды, а также от частоты волны и пути, который она преодолевает. В центре также могут быть различные типы неоднородностей.

Существуют также волновые явления, такие как дифракция или интерференцияДифракция — это явление, связанное с отклонением волны, в то время как интерференция — это процесс наложения множества волн друг на друга. Однако в некоторых ситуациях удобнее воспринимать свет как поток частиц — фотонов. Это описание настолько удобно, что каждый фотон несет с собой определенную энергию, и мы можем представить его как некий волновой пакет с определенной частотой. Эта двойственная природа света называется корпускулярно-волновой дуальностью. В некоторых ситуациях свет ведет себя так, как будто это волна, а в других — как поток частиц. Квантовая механика используется, чтобы правильно описать эту двойственную природу.

Электромагнитные волны также были разделены из-за их длины волны. Это деление называется спектром электромагнитных волн. Волны с разными длинами волн иногда проявляют очень интересные свойства, отличные от других волн, несмотря на то, что они по-прежнему являются физически одинаковыми электромагнитными волнами. Тот факт, что эти центры по-разному реагируют на данный тип электромагнитной волны, объясняется главным образом разностью частот между ними. Ниже мы представляем наиболее важные типы электромагнитных волн от самых коротких волн до самых больших.

Гамма излучение

Гамма-излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны менее 10 -10 м. Гамма-излучение испускается при различных типах радиоактивных распадов, например, при распаде элементов, находящихся на нашей планете, или в ядерных реакциях. Источником гамма-излучения является также космическое излучение, существование которого является результатом постоянно происходящих ядерных процессов в звездах и галактиках. Очень сильные источники гамма-излучения из космоса — это так называемые гамма-всплески. спектргамма-излучение, испускающее радиоактивные элементы, является дискретным, то есть можно отделить отдельные линии спектра друг от друга. Анализируя такой спектр, можно определить энергию, соответствующую данной спектральной линии, и, таким образом, также вещество, которое излучало данное излучение. Гамма-излучение также называют проникающим излучением, потому что оно относительно легко проходит через вещество, и для его остановки необходимы толстые свинцовые экраны. Помимо свинца бетон также поглощает гамма-излучение. Поэтому в случае строительства атомных укрытий стены строятся как чередующиеся слои из свинца и бетона. Такая защита необходима для человека, так как гамма-излучение является очень вредным излучением. В результате его высокого проникновения, он способен разрушать клетки в каждой части нашего тела, а также повредить генетический материал в этих клетках, что может привести к развитию рака. Однако есть и другая сторона медали. Эта разрушительная сила гамма-излучения людьми применяется в медицине для уничтожения больных и инфицированных клеток, тем самым предотвращая дальнейшее развитие заболевания. Гамма-излучение также используется в других аспектах, таких как стерилизация медицинских инструментов или сохранение пищевых продуктов. Они также используются для определения дефектов различных типов устройств.

проникновение альфа, бета, гамма - частиц

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 10От -13 м до 5 * 10-8 м. Данное излучение было обнаружено В. К. Рентгеном в 1895 году. За свое открытие он получил Нобелевскую премию, которая была первой Нобелевской премией. Диапазон длин волн рентгеновского излучения частично перекрывается с диапазоном гамма-излучения (так называемое мягкое гамма-излучение). Различия возникают из-за различных механизмов излучения. Что ж, гамма-излучение испускается в результате энергетических переходов в ядрах атомов. Напротив, рентгеновские лучи производятся по-разному. Они сделаны в специальных устройствах под названием Рентгеновские трубки, которые в основном состоят из электродов, которые создают электрическое поле. Электроны, выпущенные из одного электрода, устремляются к другому, и когда они достигают его, они замедляются. Энергия, которую они теряют, излучается в форме фотонов — так называемых тормозных излучений. Спектр этого излучения ограничен напряжением, подаваемым на электроды. Однако это еще не конец. Достигнув анода, электрон может выбить другой электрон (ионизация), в результате чего в атоме появляется свободное пространство, которое сразу же занято электроном из внешней оболочки. Энергия, создаваемая на этом переходе, излучается в виде фотона со строго определенной длиной волны — это называется характерное излучение. Оба эти излучения — излучение торможения и характерное излучение составляют рентгеновские лучи. В настоящее время рентгеновские лучи, помимо того, что широко используются в медицине, также нашли применение при изучении структуры вещества — так называемый Рентгеноструктурный анализ, и в исследованиях элементного химического состава вещества — так называемый Рентгеноспектральный анализ. Использование рентгеновских лучей в медицине основано на том факте, что костная ткань поглощает рентгеновские лучи намного лучше, чем другие ткани человека, что означает, что на фотопленке в местах, где достигнуто меньшее количество радиации, видны белые следы структуры кости человека.

рентгеновское излучение

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение, которое также называют ультрафиолетовым светом, представляет собой электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне от 400 нм до 10 нм. Это излучение в свою очередь делится на ультрафиолетовое излучение, близкое к длинам волн в диапазоне 400 нм до 190 нм и дальний ультрафиолет — 190 нм до 10 нм. Оно излучается телами с достаточно высокой температурой. Даже тела с температурой 3000 К посылают небольшое количество этого излучения, и чем выше температура, тем выше интенсивность. Основным источником ультрафиолетового излучения является Солнце с температурой поверхности 6000 К. Однако в настоящее время мы уже знаем много технических устройств, которые также способны излучать ультрафиолетовое излучение. Примерами таких устройств являются различные типы ламп. Ультрафиолет оказывает широкое влияние на живые организмы, поскольку характеризуется сильными фотохимическими свойствами. В случае ближнего ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 300 нм оно уже смертельно для живых организмов, поскольку вызывает ионизацию в клетках. Естественный озоновый слой, который поглощает ультрафиолет ниже длины волны 290 нм, защищает нас от этого вида излучения. Остальная часть ближнего ультрафиолетового диапазона, а также ультрафиолет, поглощаются воздухом в атмосфере. Ультрафиолетовое излучение также можно разделить на три типа из-за его воздействия на кожу человека. Различают ультрафиолет:

УФ-А — 320-400 нм.

УФ-В — 290-320 нм.

УФ-С — 230-290 нм.

Что касается ультрафиолета с наибольшей длиной волны, или УФ-А, то он не вреден для человека, если его дозы не являются чрезмерными. Более того, этот диапазон излучения используется в клинических целях при лечении различных кожных заболеваний, таких как псориаз. Он также используется для стимулирования производства витаминов D у пациентов, которые не могут нормально принимать его в организм. Ультрафиолетовое излучение с немного более короткими длинами волн, то есть УФ-В, может уже вызывать покраснение кожи, и оно отвечает за загар нашего тела. Это не опасно, если используется в умеренных количествах, но слишком длительное воздействие может привести к образованию пузырей на нашей коже. Ультрафиолет с наименьшей длиной волны, или УФ-С, уже очень вреден для человека. Это может привести к раку кожи. Обычно он задерживается озоновым слоем, но в местах, где этот слой поврежден из-за загрязнения воздуха, он может проникать и достигать поверхности Земли. Кроме того, ультрафиолетовое излучение, кроме того, как уже упоминалось, используется в медицине, они также используются в фармацевтике, в химических исследованиях или в пищевой промышленности. В целом, излучение, которое достигает поверхности нашей планеты, не вредно.

ультрафиолетовое излучение

Видимое излучение

Видимое излучение, также называемое просто видимым светом, представляет собой электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне до 400 нм до 700 нм. Излучение в этих пределах регистрирует человеческий глаз, однако некоторые живые организмы могут регистрировать другой диапазон, например, пчелы регистрируют УФ-излучение. Человеческий глаз лучше всего справляется с центром диапазона длин волн, то есть около 550 нм, что соответствует желто-зеленому цвету. Наш глаз оснащен специальными рецепторами, которые расположены на сетчатке. Эти рецепторы так называемые тычинки , из которых 125 миллионов и  суппозитории — 6,5 млн. Суппозитории отвечают за различение цветов в хорошо освещенном помещении. Они оснащены 3 типами красителей, которые характеризуются максимальной чувствительностью к цветам из области красного, оранжевого и синего. В результате взаимодействия света с этими красителями они посылают импульсы в мозг, где определяется цвет. Кроме того, суппозитории также способны регистрировать интенсивность света. Как уже упоминалось, суппозитории различают цвета только тогда, когда среда хорошо освещена. Когда этого освещения недостаточно, свечи перестают работать, и стержни активируются. Целью тычинок является запись объектов при низкой интенсивности света. Затем они получают объекты одним цветом. Стержень состоит из красителя — радопсина, который очень чувствителен к синему и зеленому, и в небольшой степени к красному. Поэтому ночью мы получаем красный цвет, как черный. Таким образом, как вы можете видеть, чувствительность стержней больше сфокусирована на волнах от длин ближе к фиолетовому цвету (см. график ниже).

видимое излучение

Источники видимого излучения тела, где температура превышает 7000 C. Излучение затем испускается из — за возбуждение тепловых электронов в атомах. Электроны, в результате переходов между уровнями энергии, испускают фотоны, которые воспринимаются нашим человеческим глазом как видимый свет. Этот принцип основан на освещении обычной лампочкой. Есть и другие способы стимулирования вещества к сиянию. Одним из таких методов является использование электрического тока, который проходит через газ, заставляя его светиться. Этот принцип основан на работе люминесцентных ламп. Есть и другие источники света, такие как лазеры, но сейчас мы не будем говорить о них.

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение, также называемое вкратце инфракрасным, представляет собой электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне от 7 * 10 -7 м до 2 * 10 -3 м. Это излучение, которое испускается всеми наделенными температурой телами. Его источником является тепловое возбуждение электронов внутри данного вещества. Вещество имеет более низкую температуру, меньшую интенсивность излучения и большую длину волны. Тела с комнатной температурой испускают излучение длиной около 19 мм. Тела, имеющие температуру около 400 0 С, практически излучают только инфракрасное излучение. Наша планета также испускает инфракрасное излучение, которое задерживается газами в атмосфере. Это мешает планете слишком сильно остывать. Однако в настоящее время в результате чрезмерного выброса в атмосферу диоксида углерода, который сильно поглощает инфракрасное излучение, слишком большое количество этого излучения прекращается, что способствует усилению парникового эффекта. Инфракрасное излучение широко используется в медицине, в спектроскопии исследований структуры живых организмов, а также для наблюдения за окружающей обстановкой в ​​приборах темного ночного видения. Он также используется в медицинской диагностике, где можно идентифицировать области, где возникает воспаление при фотографировании пациента в инфракрасном диапазоне. Также инфракрасное излучение нашло применение в криминалистике или экспертизе произведений искусства. Кроме того, инфракрасное излучение рассеивается в гораздо меньшей степени, чем видимый свет, поэтому его используют при наблюдении объектов через туман или дым. Спутниковые снимки, в основном, также выполняются в инфракрасном диапазоне.

инфракрасное излучение

Микроволны

Микроволны — это электромагнитные волны, длина волн которых колеблется от 1 мм. до 30 см. Что касается верхнего предела этого диапазона, такие волны могут генерироваться вибрирующими электрическими цепями, такими как радиоволны. Поэтому волны такой длины относятся к радиоволнам. Однако есть и другие способы получения микроволн. Одним из них является использование так называемых микроволновых ламп. Такие лампы состоят из 2 электродов, которые дополнительно находятся в магнитном поле. Таким образом, электроны между электродами циркулируют по спиралям и испускают микроволновое излучение в результате потерь энергии. С развитием технологий создавалось все больше новых источников микроволнового излучения. В настоящее время для этой цели обычно используются полупроводники. Устройства, которые используют их для производства микроволн: лавинные диоды, генератор Ганна или обычные биполярные и полевые транзисторы. Микроволновое излучение также нашло широкое применение в различных отраслях промышленности и технологиях. Он используется для радиолокации, как в случае с радарами. Микроволновые печи являются более распространенным применением. В настоящее время они даже используются в вопросах, связанных с мониторингом состояния плотин или обнаружением землетрясений.

Радиоволны

Радиоволны — это электромагнитное излучение, длина волны которого превышает 0,1 мм. Они разделены на несколько типов из-за диапазона частот. Радиоволны создаются в результате действия электрических вибрационных цепей, которые передают свою энергию на антенну, которая, в свою очередь, отправляет радиоволны в космос. Радиоволны также можно разделить на несколько типов в зависимости от среды, в которой они расходятся. Итак, мы имеем дело с наземными волнами, тропосферными волнами, ионосферными волнами и космическими волнами. Как известно, волны также подвержены действию всех характерных для них явлений. И в зависимости от длины данной волны на нее могут влиять дифракция, интерференция, отражение или пробой на границе между двумя центрами. Очень большое влияние на распространение и регистрацию радиоволн имеет ионосферу , то есть верхний слой атмосферы. Этот слой, как следует из названия, подвергается непрерывному процессу ионизации, который вызывает ультрафиолетовое излучение и рентгеновское излучение из космоса. Кроме того, ионосфера также может быть разделена на несколько других слоев. Как вы можете видеть на картинке, мы имеем дело с четырьмя слоями ионосферы: D, E, F 1 , F 2 . Различные типы волн или волн с разными частотами будут вести себя по-разному после достижения границ конкретных слоев. Отдельные типы волн обозначены на рисунке следующим образом:

2, 3 — длинные волны

4 — средние волны

1, 5 — короткие волны

6 — ультракороткие волны и микроволны.

радиоволны

Как видно из рисунка, только ультракороткие волны и микроволны могут покинуть атмосферу нашей планеты, и они регистрируются всеми видами спутников связи.

Механические волны

В отличие от электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме, механическим волнам требуется среда для распространения. На самом деле, это разрушения этого центра, состоящие из периодических изменений в расположении точек этого центра. И так, примерами механических волн могут быть акустические, морские или сейсмические волны.

Акустические волны

Эти волны распространяются во всех материальных центрах и являются продольными волнами. Эти волны являются периодическими изменениями давления этой среды. Скорость акустической волны напрямую зависит от типа среды, в которой они расходятся, а в случае анизотропных центров — также от направления их распространения. В случае воздуха при 20 0 C. Эта скорость составляет 340 м / с и кратко называется скорость звука. В случае воды эта скорость выше и составляет 1500 м / с, а когда речь идет о твердых телах, она составляет даже несколько тысяч м / с. Акустические волны также можно разделить на несколько типов из-за значения частоты. И поэтому мы дифференцируем так называемые ультразвук, инфразвук, гиперзвуки и обычные звуки.

Сейсмические волны

Это волны, которые распространяются на Земле. Это тип упругих волн, возникающих как в результате сейсмической активности нашей планеты, так и в результате взрывов. Разобьем сейсмические волны на объемные и поверхностные. Объемные волны, как следует из названия, расходятся во внутренней части Земли. Однако поверхностные волны, как нетрудно догадаться, распространяются по поверхности нашей планеты. В свою очередь объемные волны можно разделить на объемные продольные волны P — первичные и поперечные волны S — вторичные. Во время землетрясения, когда измеряется его сила, поперечная объемная волна P всегда приходит сначала к измерительным приборам, а затем к продольной поперечной волне S. В конце концов, эти волны также испытывают отражение и преломление на границе между двумя центрами. Их скорости распространения очень сильно зависят от свойств среды, от того, насколько она упругая. Поэтому скорость волн P и S зависит от глубины, на которой они расходятся. В горизонтальном направлении эти изменения довольно малы. S-волны, поскольку они являются поперечными волнами, не способны распространяться в жидком ядре Земли. Что касается поверхностных волн, то они характеризуются гораздо большими амплитудами, чем объемные волны. Однако они не могут проникать в глубокие глубины, поскольку амплитуда их колебаний экспоненциально уменьшается с увеличением глубины. В случае землетрясения наибольший ущерб наносят поверхностные волны и объемные волны S. Во время землетрясения с использованием соответствующих сейсмографов и акселерометров анализируются возникающие сейсмические волны,

Морские волны

Морские волны — это волны, которые создаются в морях и океанах. Эти волны также можно разделить на два типа: поверхностные волны и объемные волны. Водная рябь возникает в результате колебательного движения частиц воды. Поверхностные волны можно разделить на несколько типов из-за силы, которая их вызывает.

Морские и ветровые волны создаются в результате ветра на поверхности воды. Когда начинает дуть ветер, изначально на поверхности воды образуются небольшие волны, напоминающие морщины, их называют капиллярными волнами. Со временем эти волны начинают подниматься и так называемые гравитационные волны. Когда ветер дует со скоростью 6 — 7 м / с, на гребнях волн начинает появляться пена. По мере увеличения скорости ветра волны поднимаются и движутся быстрее. Когда ветер достигает скорости 20 м / с в море, создается шторм, во время которого волны переполняются, и их высота может достигать нескольких метров (известны случаи ветровых волн с высотой 16-17 м). Когда после периода действия такого сильного ветра наступает время, когда ветер успокаивается, волны также начинают падать и переходить в мирное качательное движение.

Интерференция

Интерференция — это явление перекрытия двух или более волн. В результате помех могут возникать интересные случаи, когда волны, наложенные друг на друга, могут взаимно усиливать или ослаблять. Усиление происходит, когда один гребень волны сталкивается с гребнем другой волны. Слабость или затухание волны происходит, когда гребень первой волны встречается с долиной второй волны.

Условием усиления волны является то, что разность длин путей между волнами равна суммарному кратному длине волны.

г 1 — г 2 = nλ, п = 0, 1, 2, 3, ….

С другой стороны, когда дело доходит до исчезновения, условие здесь состоит в том, что разница в длине дорог между волнами равна нечетному кратному длине волны.

г 1 — г 2 = (2n + 1) λ п = 0, 1, 2, 3, ….

Для наблюдения интерференции волн лучше всего, если волны имеют одинаковую длину волны и фазу. Интерференция проявляется в виде темных и светлых мест. Так как в случае волны, которая является легкой, она не имеет одной конкретной длины волны, помехи в этом случае очень трудно наблюдать. Лучший источник для этого — лазерный свет, который является монохроматическим и последовательным. Чтобы наблюдать явление помех, направьте такой свет на систему из двух или более щелей. Если экран установлен за диафрагмой, то на нем появятся яркие и темные полосы. Это называется Опыт Янга.

Использование феномена интерференции

Интерференция света первоначально рассматривается как объект исследования поведения волн, в том числе света. Тем не менее, в эпоху современных технологий и все более широко используемых лазеров, он также стал очень важным инструментом.

Например, явление интерференции используется для расчета расстояния от источника до детектора света. В этом случае используется луч света, который делится пополам. Один из этих лучей является опорным лучом для детектора, а другой проверяется на предмет изменения интенсивности света. Эти изменения являются циклическими, которые, основываясь на известной длине лазерного излучения (которая представляет собой образец длины), предоставляют информацию о расстоянии источника от детектора.

В настоящее время помехи также используются в мобильной телефонии. Создан новый тип антенны, который приспособлен для приема сигналов помех. Если данный сигнал передается из нескольких источников в результате перекрывающихся генерируемых волн, возникает явление помех. Информация, которая была отправлена ​​в старой системе в виде одного сигнала, теперь отправляется несколькими независимыми источниками. Антенны этого типа называются адаптивными антеннами.

Другим очень важным применением помех является подавление шума. Что ж, если мы можем создать волну, которая находится в фазе, противоположной волне, полученной нами в качестве шума, в результате наложения их обоих может произойти полное гашение или шумоподавление. В настоящее время такая система называется — активное подавление шума.

Дифракция

Явление дифракции — это когда волна сталкивается с препятствием. Например, когда волна идет к тонкой щели или маленькой точке, она испытывает явление отклонения. Этот эффект прекрасно описывается принципом Гюйгенса, который гласит, что, если волна отклоняется в препятствии, каждая точка, принадлежащая краю препятствия, становится источником новой волны. Если мы дополнительно осознаем, что волны могут перекрываться, то можно сделать вывод, что дифракция волны может привести к созданию интерференционного изображения. Дифракция — это явление, характерное для каждого типа волн, независимо от того, является ли это электромагнитной, акустической или другой волной.

Явление дифракции можно легко наблюдать, если мы пропускаем лазерный свет через узкую апертуру. Затем мы будем наблюдать определенное дифракционное изображение на экране за диафрагмой. Это напоминает изображение, полученное в случае помех, но с той разницей, что отдельные яркие полосы отличаются по интенсивности.

дифракция

В результате более детального анализа этого явления можно определить зависимость интенсивности света I от угла отклонения θ от исходного направления луча:

зависимость интенсивности света I от угла отклонения θ от исходного направления луча

где d — ширина щели, λ — длина волны падающего света

Интересно, однако, что явление дифракции происходит не только для волн, но и для частиц вещества. Это связано с двойственной природой материи, которая называется корпускулярно-волновой двойственностью. Ну, как впервые заметил де Бройль, мы можем назначить определенную длину волны каждой материальной частице. В экспериментах с электронными и нейтронными пучками эта гипотеза подтвердилась.

Явление дифракции можно наблюдать не только с помощью одного зазора, но и в случае систем с множеством таких зазоров. Расположение множества щелей, близких друг к другу, называется дифракционной решеткой. В этом случае максимумы дифракционного изображения получаются из зависимости:

максимумы дифракционного изображения

где d — ширина зазора, λ — длина волны падающего света, а m означает так называемый следующий ряд помех и принимает суммарные значения от интервала от 1 до бесконечности.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...