III.2. Interferența luminii.

• III.2.1. Interferența luminii nelocalizată în dispozitivul Young.
• III.2.2. Interferența localizată pe lama cu fețe plan paralele.
• III.2.3. Interferența în viața de zi cu zi.
• III.2.4. Inelele lui Newton la interferența pe o pană de aer.

III.2.1. Interferența luminii nelocalizată în dispozitivul Young.

INTERFERENȚA este fenomenul de suprapunere a două unde coerente (cu aceeași frecvență și aceeași diferență de fază) care se întâlnesc într-un punct din spațiu.

🔦 Observație

În 1801 savantul englez Thomas Young (1773-1829) a realizat primul experiment de interferență, demonstrând că lumina este o undă.

În anumite puncte din spațiu se vor forma franje de interferență, adică o succesiune de regiuni luminoase și întunecate.

Undele coerente se obțin prin separarea dintr-un flux luminos emis de o sursă monocromatică , două fascicule de lumină care ulterior se întâlnesc.

Există două modalități de obținere a undelor coerente :

1. Divizarea frontului de undă în dispozitivul Young, biprisma Fresnel etc.

2. Divizarea amplitudinii undei în lama cu fețe plan paralele, pana optică, inelele lui Newton.

Dispozitivul Young folosește o sursă de lumină monocromatică S (laser), un paravan cu două fante dreptunghiulare (cu lățimea mai mică de 1 mm) și paralele cu o distanță între ele de maxim 1 mm, un ecran (coală albă). Pentru observarea figurii de interferență nu există o poziție preferențială a ecranului, putând fi plasat la o distanță D între 1 m și 5 m față de fante și din acest motiv se numește interferență nelocalizată.

Atât interferența, cât și difracția se bazează pe principiul lui Hyugens-Fresnel care spune că fiecare punct de pe un front de undă se comportă ca o sursă secundară de undă cu aceeași frecvență și fază cu unda inițială. Noul front de undă este creat prin însumarea amplitudinilor undelor secundare.

👀 Experiment: Interferența undelor apei

Concluzia experimentului:
Așa cum undele sferice ale apei se suprapun când se întâlnesc, în mod analog se suprapun și undele de lumină când trec prin cele două fante foarte mici la dispozitivul de interferență.

La trecerea luminii prin cele două fante se creează două unde luminoase coerente pentru fiecare fantă (ele provin de la aceeași sursă) care vor interfera pe ecran.

În cazul interferenței constructive, cele două unde sunt în fază (defazaj zero) și suma lor este mai mare, formând regiuni luminoase.

Când cele două unde vibrează în antifază (defazaj 180°) se vor anihila (suma lor este zero), formând zone întunecate, caz în care vorbim de interferență distructivă.

Unda electromagnetică (lumina) are două componente electrică și magnetică. Numai componenta electrică (E) influențează senzația vizuală.

Undele de aceeași amplitudine emise de cele două surse au ecuațiile :

Unda electromagnetică se propagă cu viteza c în intervalul de timp Δt prin suprafața de arie S așezată perpendicular pe direcția de propagare.

Energia transportată de undă este:
ΔW = w ΔV

La studiul câmpului electromagnetic am văzut că densitatea volumică de energie radiantă, w este:

Intensitatea undei, I, este:

Intensitatea undei electromagnetice este proporțională cu pătratul amplitudinii intensității câmpului electric,E:

Considerăm vectorii intensității câmpului electric ai celor două unde paraleli, atunci elongația rezultantă E în punctul de interferență P are ecuația:

Amplitudinea undei rezultante,E’₀ este:

Condițiile de interferență sunt:

Intensitatea luminoasă, I, într-un punct de interferență este proporțională cu pătratul amplitudinii undei rezultante:

În interferența constructivă (cu formarea de franje luminoase) avem condiția de maxim de iluminare:

Punctele din zona de interferență pentru care diferența de drum, Δr, este un multiplu par de semiundă se află pe o franjă luminoasă.

În interferența distructivă (cu formarea de franje întunecoase) avem condiția de minim de iluminare:

Punctele din zona de interferență pentru care diferența de drum, Δr, este un multiplu impar de semiundă se află pe o franjă întunecoasă.

👀 Experiment: Interferența luminii

III.2.2. Interferența localizată pe lama cu fețe plan paralele.

Interferența localizată pe lama cu fețe plan paralele are loc atunci când un fascicul de lumină este divizat în două fascicule coerente pe suprafețe reflectătoare, prin reflexia luminii pe fața superioară și prin transmiterea luminii pe fața inferioară a lamei subțiri.

Lumina ajunsă pe fața superioară a lamei (peliculei) se și reflectă (IR), se și refractă (IŔ ). Raza refractată prin lamă se reflectă pe fața inferioară a lamei (MN). Cele două raze, IR și MN, vor interfera la suprafața lamei.

Franjele de interferență sunt localizate în planul focal al lentilei sau, în absența acesteia, la infinit. Așa explicăm irizațiile baloanelor de săpun și ale peliculelor de ulei sau petrol de pe stradă.

III.2.3. Interferența în viața de zi cu zi.

Irizațiile bulelor de săpun, a petelor de ulei sau benzină de pe drum, a stratului antireflex (film subțire) de pe ochelari sau a camerei foto se datorează interferenței constructive a luminii pe stratul superior, cât și pe cel inferior ale acestora.

În natură, penele unor păsări (păuni, colibri), carapacele unor gândaci apar mai luminoase, în timp ce își schimbă culoarea când se schimbă unghiul de vizualizare. În mod similar perlele, pietrele prețioase (diamantul, opalul) prezintă modele frumoase de interferență cauzate de împrăștierea luminii din structurile acestora.

Cea mai importantă aplicație a interferenței pe pelicule subțiri transparente o constituie stratul antireflex și stratul reflectător.

Dacă undele reflectate pe cele două fețe ale peliculei sunt în antifază la ieșirea din lamă, atunci, prin interferență, ele se distrug și avem un strat antireflex.

Toate instrumentele optice (lentile, telescop, binoclu etc.) sunt prevăzute cu straturi antireflexie pentru a reduce reflexiile, crescând claritatea și contrastul imaginii.

Dacă grosimea peliculei și indicele de refracție al acesteia sunt astfel alese încât cele două unde reflectate să fie în fază și să se adune la interferență, unda rezultată se va întări și vorbim de un strat reflectător.

Astfel se poate obține o oglindă ce reflectă aproape în întregime (99%) lumina incidentă, prin depunerea mai multor astfel de straturi pe sticlă. Pentru interferometre sau dispozitive laser este nevoie de un factor de reflexie mărit pentru a asigura o bună transmisie a luminii. Un exemplu de materiale utilizate este un strat foarte subțire de oxid de siliciu în alternanță cu un strat de oxid de titan.

III.2.4. Inelele lui Newton la interferența pe o pană de aer.

Inelele lui Newton se obțin prin iluminarea perpendiculară cu lumină monocromatică a unei lentile plan-convexă cu distanță focală mare și așezată cu fața curbă pe o placă de sticlă plană. Între lentilă și placă se formează o pană de aer subțire având ca rezultat formarea unor franje luminoase și întunecate circulare, concentrice cu punctul de contact între lentilă și placă.

👀 Experiment: Interferența luminii și inelele lui Newton