Interferența reprezintă un fenomen destul de ușor de realizat (dacă ai ce-ți trebuie) prin care doua unde interferă, adică se suprapun, iar experimental asta poate rezulta într-o figură de interferență foarte ușor de recunoscut. Figura de interferență se realizează prin intermediul unui interferometru. Cel despre care o să vorbesc este este cel realizat cu ajutor unei surse de lumină (de obicei un laser), unui divizor de fascicul, două oglinzi și un ecran.

Fig. 1: Interferometru

SURSA DE LUMINĂ

Sursa de lumină (s) servește ca.. ei bine, ca sursă de lumină. Fără ea nu ai fi capabil să observi fenomenul de interferență cu ochiul liber, deoarece înafară de radiația electromagnetică vizibila (lumina) ochiul nostru nu vede alte unde provenite de la alte tipuri de radiații electromagnetice interferând (nu le poți observa nici dacă nu interferă).

Sfat!

Ca oricare două unde să interfereze și să formeze ceea ce voi explica mai jos că este figura de interferență, trebuie să indeplinească următoarele condiții: undele trebuiesc a fi coerente, adică să aibă diferența de fază constantă, și acestea trebuiesc a avea acceași lungime de undă (lungimea de undă poate fi vizualizată ca și culoare).

De asemenea, motivul pentru care nu vedem modele de interferență în mod normal provenite de la lumina solară sau cea de la becuri, este pentru că razele provenite de la acestea au o fază aleatorie, adică diferența de fază nu e constantă ( voi explica mai jos ce înseamnă acest lucru). De asemenea, lumina albă este policromată având mai multe de lungimi de undă cu frecvențe diferite, iar suprapunerea a două unde de lungimi de undă diferite nu este percepută de noi ca o figură de interferență, ci sub formă de culori.

De asta se folosește un laser monocromat (o singură culoare) pe post de sursă de lumină (diferența de fază rămâne constantă între cele două raze și au și aceeași lungime de undă). Totuși, înainte să se inventeze laserul (1960) oamenii ce foloseau pe post de sursă de lumină? Folsoeau lumina provenită de la un bec ce avea un filtru special făcut în așa fel încât lumina care trecea prin acest filtru să fie monocromată.

Într-un interferometru lumina care interferă este produsă de două raze care au fost separate dintr-o rază de la acceași sursă de lumină, așa cum e prezentat și în imaginea de mai sus. Liniile reprezintă razele de lumină, iar săgețile direcția acestora.La oglinzi sunt două săgeți deoarece raza ajunge la oglindă și se și intoarce (prin reflexie).

DIVIZORUL DE FASCICUL

Divizorul de fascicul (d), sau oglinda semi-argintată, este un dispozitiv optic ce ajută la despărțirea unei raze de lumină în 2 pentru a putea avea loc fenomenul de interferență (și transmite și lumina ce se întoarce de la cele două oglinzi). Așa cum am zis mai sus, pentru a avea loc interferența trebuiesc îndeplinite cele două condiții, astfel că despărțind raza provenită de la acceași sursă poate avea loc acest fenomen.

De asemenea, acesta este așezat la un unghi de 45° pentru ca lumina ce lovește divizorul să poată fi reflectată în direcțiile celor 2 oglinzi.

OGLINZILE

Cele două oglinzi sunt așezate la o anumită distanță d față de divizorul de fascicul. Razele de lumină lovesc cele două oglinzi (a) și (b) și sunt reflectate înapoi in (d) care transmite lumina provenită de la cele două oglinzi pe un ecran (e) unde are loc fenomenul de interferență.

ECRANUL

Ecranul (e) are rolul de a face observabilă figura de interferența, dar și de protecție pentru ca lumina rezultată să nu lovească o suprafața reflectorizantă și să îî intre cuiva in ochi.

Am vorbit despre fiecare element în parte, iar ca o mică recapitulare, voi menționa din nou condițiile de interferență :

Ca două unde să interfere trebuie să aibe diferența de fază constantă și voi vorbi despre asta mai în detaliu.
Și trebuie să aibe acceași lungime de undă, ceea ce poate fi văzut ca și când ambele unde trebuie să aibe aceeeași culoare.

Faza inițială unei unde reprezintă unghiul cu care aceasta pleacă de pe cercul trigonometric astfel că transpunerea mișcării pe cerc e exact forma unei unde.

Fig. 2: Fază

În momentul apariției unei alte unde, transpunerea pe cerc va arăta ca în figura de mai jos. Unde f1 și A1 (ce e cu negru) reprezintă faza inițială a primei unde, respectiv amplitudinea primei unde. Ce e scris cu albastru reprezinta faza și amplitudinea celei de-a doua unde(f2,A2). Prin compunerea celor două amplitudini prin intermediul metodei paralelogramului (metodă de compunere vectorială) se obține amplitudinea rezultantă (A) ce poate fi văzut ca și modul cum ar arăta unda finală, iar în cazul de față figura de interferență, prin compunerea celor două.

Fig. 3: Compunerea fazelor

O figură de interferență arată ca în poza de mai jos.

Fig. 4: Figură de interferență Sfat!

Se consideră că diferența de fază este constantă atunci când undele ajung în anumite puncte de pe cerc și își păstrează diferența de fază în acel punct (valabil de fiecare dată când trec prin acel punct). De exemplu, (pe desenul din figura 3) dacă după efectuarea unei roații complete a ambelor unde, acestea ajung simultan în același punct din care au plecat diferența de fază dintre aceastea rămâne constantă.

Două unde de lumină albă nu pot interfera în mod normal deoarece această diferență de fază este variabilă. Pentru oricare punct, diferența defază variază de fiecare dată când undele ajung din nou în acel punct. De asemenea, undele provenite de la Soare au lungimi de undă diferite ce favorizează defazajul.

Am zis mai sus când explicam despre sursa de lumină că atunci când două unde de culori diferite interferă ceea ce vedem este combinația de culoare a acestora două. Într-adevăr dacă ai incerca același experiment cu două lasere de culori diferite, de exemplu roșu și albastru, ceea ce ai vedea ca și figură de interferență ar fi: în centru ai vedea combinația celor două culori, în cazul de față un fel de mov, magenta, iar pe margini ai observa cate o linie albastra urmată de una roșie și tot așa. Dacă ar fi să încerci să creezi interferență unei lumini albe care conține toate culorile, figura de interferență ar arăta astfel:

Fig. 5: Interferența albă

Aceasta prezintă părți care sunt luminate si părți care sunt întunecate. Aceste părți se numesc interfranje luminoase și interfranje întunecate.

Pentru o mică explicație matematică a formării acestor interfranje apasă aici!

Aceste interfranje sunt rezultate prin suprapunerea celor două unde din figura 3. Cum $\varphi=\varphi_2-\varphi_1$ (diferența dintre cele două unghiuri) și $A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2\cos(\varphi)}$ (metoda paralelogramului), atunci:

Când $\varphi=0^\circ\Rightarrow A=|A_1+A_2|$ $(\cos(0^\circ)=0)\Rightarrow$ se formează maxime;
Când $\varphi=180^\circ\Rightarrow A=A_1-A_2$ $(\cos(180^\circ)=-1)\Rightarrow$ se formează minime.

Interferența undelor luminoase are loc și în viața de zi cu zi, numai că nu sub forma unei figuri de interferență ca cea prezentată mai sus, deoarece interferența a oricăror două sau mai multe unde de lungime de undă diferită este foarte greu de realizat. Când două unde de aceeași lungime de undă interferă acestea pot creea maxime sau minime. De exemplu, când două unde de culoare verde se suprapun și creează un maxim intensitatea luminoasă crește și se numește interferență constructivă, iar când se creează minime intensitatea luminoasă scade și se numește interferență destructivă. Ca și exmplu din viața reală o să îl dau pe cel al baloanelor de săpun. Frumoasele culori de pe suprafața baloanelor de săpun sunt cauzate de interferența undelor luminoase din interiorul cu cele din exteriorul balonului.

Interferența luminii este un fenomen frumos a cărui importanță stă mai ales în evidențierea caracterului de undă a luminii. Înainte de 1900 lumea științifică credea că lumina era formată din particule, dar efectuarea unor experimente a demonstrat că existau și situații în care aceasta se comporta conform unei unde. Interferența este unul din experimentele care evidențiază acest lucru.

Ce este interferența?

O mică prezentare a interfenței

SURSA DE LUMINĂ

DIVIZORUL DE FASCICUL

OGLINZILE

ECRANUL