Beugung; Dünnfilm-Interferenz
Beugung; Dünnfilm-Interferenz
Beugung
Wir diskutierten Beugung in PY105, wenn wir über Schallwellen gesprochen; Beugung ist die Beugung von Wellen, die auftreten, wenn eine Welle durch eine einzige schmale Öffnung hindurchgeht. Die Analyse des resultierenden Beugungsmuster von einem einzelnen Schlitz ist ähnlich dem, was wir für den Doppelspalt tat. Mit dem Doppelspalt agierte jeder Schlitz als ein Emitter von Wellen, wobei diese Wellen miteinander mischte. Für die einzelne Schlitz, wobei jeder Teil des Schlitzes kann als ein Emitter von Wellen betrachtet werden, und all diese Wellen interferieren, um das Interferenzmuster wir nennen das Beugungsmuster zu erzeugen.
Nachdem wir die Analyse zu tun, finden wir, dass die Gleichung, die die Winkel, in denen Fransen erscheinen für einen einzelnen Schlitz ergibt, wird für den Doppelspalt zu dem sehr ähnlich ist, ein offensichtlicher Unterschied ist, dass die Schlitzbreite (W), die in anstelle von d, der Abstand zwischen den Schlitzen. Ein großer Unterschied zwischen den Einzel- und Doppel Schlitze ist jedoch, dass die Gleichung, dass die hellen Streifen für die Doppelschlitz gibt für die einzelnen Schlitz dunklen Streifen gibt.
Um zu sehen, warum das so ist, sollten Sie die folgende Diagramm, Licht zeigt, das aus dem Schlitz in einer bestimmten Richtung geht weg.
In dem Diagramm oben, sagen wir, dass das Licht die Kante des Schlitzes (Strahl 1) kommt zu dem Bildschirm eine halbe Wellenlänge außer Phase mit dem Licht verlässt die Mitte des Schlitzes (ray 5) zu verlassen. Diese beiden Strahlen destruktiv interferieren würden, wie es Strahlen 2 und 6, 3 und 7 sowie 4 und 8. In anderen Worten, das Licht von einer Hälfte der Öffnung bricht das Licht von der anderen Hälfte aus. Die Strahlen sind eine halbe Wellenlänge außer Phase wegen der zusätzlichen Pfadlänge durch einen Strahl zurückgelegt hat; in diesem Fall, dass zusätzliche Distanz ist.
Die Faktoren von 2 aufheben, so dass:
Das Argument kann erweitert werden, um zu zeigen.
Die hellen Streifen fallen zwischen den dunklen, mit der zentralen hellen Streifen doppelt so breit sein, und wesentlich heller, als der Rest.
Beugungseffekte mit einem Doppelspalt
Man beachte, dass Beugung in einem Doppelspalt-Interferenzmuster beobachtet werden. Im Wesentlichen ist dies, weil jeder Schlitz ein Beugungsmuster emittiert, und das Beugungsmuster miteinander interferieren. Die Form des Beugungsmusters wird durch die Breite (W) der Schlitze bestimmt wird, während die Form des Interferenzmusters durch d bestimmt wird, wobei der Abstand zwischen den Schlitzen. Wenn W viel größer als d ist, wird das Muster durch Interferenzeffekte dominiert werden; wenn W und d etwa gleich groß sind die beiden Effekte werden auch für das Streifenmuster beitragen. Im Allgemeinen, was Sie sehen, ist ein Streifenmuster, das fehlende Interferenzstreifen hat; diese fallen an Stellen, wo dunkle Streifen in dem Beugungsmuster auftreten.
Beugungsgitter
Wir haben darüber gesprochen, was passiert, wenn Licht mit einer einzigen Schlitz (Beugung) begegnet und was passiert, wenn Licht mit einer Doppelspalt (Interferenz) trifft; Was passiert, wenn Licht eine ganze Anordnung von identischen, gleich beabstandeten Schlitze trifft? Eine solche Anordnung ist als ein Beugungsgitter bekannt. Der Name ist ein wenig irreführend, weil die Struktur in dem beobachteten Muster von Interferenzeffekten dominiert wird.
Mit einem Doppelspalt wird das Interferenzmuster aus breiten Spitzen gemacht, wo konstruktive Interferenz stattfindet. Da immer mehr Schlitze hinzugefügt werden, werden die Spitzen in dem Muster schärfer und schmaler. Mit einer großen Anzahl von Schlitzen, sind die Spitzen sehr scharf. Die Positionen der Peaks, die sich aus der konstruktiven Interferenz zwischen Licht kommen von jedem Schlitz kommen, sind an den gleichen Winkel wie die Spitzen für die Doppelschlitz gefunden; nur die Schärfe betroffen.
Warum ist das Muster, viel schärfer? In dem Doppelspalt zwischen jeder Spitze der konstruktiven Interferenz ist eine einzige Stelle, wo destruktive Interferenz stattfindet. Zwischen der zentralen Spitze (m = 0) und der nächsten (m = 1), gibt es eine Stelle, wo eine Welle 1/2 eine Wellenlänge weiter als die andere bewegt, und das ist, wo destruktive Interferenz stattfindet. Für drei Schlitze, jedoch gibt es zwei Orte, an denen eine destruktive Interferenz stattfindet. Ein an dem Punkt befindet, wo die Weglängen von 1/3 einer Wellenlänge unterscheiden, während die andere an der Stelle ist, wo die Weglängen von 2/3 einer Wellenlänge unterscheiden. Für 4 Schlitzen sind drei Orte, für 5 Schlitze gibt es vier Orte usw. Völlig konstruktive Interferenz, erfolgt jedoch nur dann, wenn die Weglängen durch eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen unterscheiden. Für ein Beugungsgitter, dann, mit einer großen Anzahl von Schlitzen, ist das Muster scharf wegen all der destruktiven Interferenz stattfindet, zwischen den hellen Spitzen, wo konstruktive Interferenz stattfindet.
Beugungsgitter, wie Prismen, disperse weißes Licht in einzelne Farben. Wenn der Gitterabstand (d, der Abstand zwischen den Schlitzen) ist bekannt und sorgfältige Messungen der Winkel vorgenommen, bei der Licht einer bestimmten Farbe in dem Interferenzmuster auftritt, kann die Wellenlänge des Lichts berechnet werden.
Dünnfilm-Interferenz
Interferenz zwischen Lichtwellen, ist der Grund dafür, dass dünne Filme, wie Seifenblasen, zeigen bunte Muster. Dies wird als Dünnfilm-Interferenz bekannt ist, weil es die Interferenz von Lichtwellen ist, reflektiert der oberen Oberfläche eines Films mit den Wellen von der Bodenoberfläche reflektiert. Um ein schönes Farbmuster zu erhalten, muss die Dicke des Films auf die Wellenlänge des Lichts, ähnlich sein.
Eine wichtige Überlegung bei der Bestimmung, ob diese Wellen interferieren konstruktiv oder destruktiv ist die Tatsache, dass, wenn Licht, das eine Oberfläche des höheren Brechungsindex reflektiert wird, werden die Wellen invertiert. Peaks werden Mulden und Rinnen werden Spitzen. Dies wird bezeichnet als eine 180 ° Phasenverschiebung in der Welle, aber der einfachste Weg, um daran zu denken, als eine wirksame Verschiebung der Welle, die durch eine halbe Wellenlänge ist.