Diffraction; interférence à film mince
Diffraction; interférence à film mince
Diffraction
Nous avons discuté de diffraction dans PY105 lorsque nous avons parlé des ondes sonores; diffraction est la flexion des ondes qui se produit lorsqu'une onde passe à travers une seule ouverture étroite. L'analyse du diagramme de diffraction résultant d'une seule fente est similaire à ce que nous avons fait pour la double fente. Avec la double fente, chaque fente agit comme un émetteur d'ondes, ces ondes et interféré avec l'autre. Pour la seule fente, chaque partie de la fente peut être considérée comme un émetteur d'ondes, et toutes ces ondes interfèrent pour produire le motif d'interférence que nous appelons le diagramme de diffraction.
Après que nous faisons l'analyse, nous constatons que l'équation qui donne les angles auxquels les franges apparaissent pour une seule fente est très similaire à celui de la double fente, une différence évidente étant que la largeur de la fente (W) est utilisé dans lieu de d, la distance entre les fentes. Une grande différence entre les fentes simples et doubles, cependant, est que l'équation qui donne les franges brillantes de la double fente donne des franges sombres de la fente unique.
Pour voir pourquoi il en est, considérer le diagramme ci-dessous, montrant la lumière se éloignant de la fente dans une direction particulière.
Dans le schéma ci-dessus, disons que la lumière quittant le bord de la fente (rayon 1) arrive à l'écran une demi-longueur d'onde en opposition de phase avec la lumière quittant le milieu de la fente (rayon 5). Ces deux rayons interfèrent de façon destructive, de même que les rayons 2 et 6, 3 et 7, et 4 et 8. En d'autres termes, la lumière provenant d'une moitié de l'ouverture annule la lumière provenant de l'autre moitié. Les rayons sont d'un demi-longueur d'onde en opposition de phase en raison de la longueur du trajet supplémentaire parcouru par un rayon; dans ce cas, cette distance supplémentaire est.
Les facteurs de 2 annuler, laissant:
L'argument peut être étendu pour montrer que.
Les franges brillantes tombent entre les sombres, avec la frange brillante centrale étant deux fois plus large et beaucoup plus lumineux que le reste.
effets de diffraction avec une double fente
Notez que la diffraction peut être observée dans un modèle d'interférence à double fente. Pour l'essentiel, c'est parce que chaque fente émet un diagramme de diffraction, et les motifs de diffraction interfèrent les uns avec les autres. La forme du diagramme de diffraction est déterminée par la largeur (W) des fentes, tandis que la forme du motif d'interférence est déterminé par d, la distance entre les fentes. Si W est beaucoup plus grande que d, le modèle sera dominé par des effets d'interférence; si W et D sont de la même taille des deux effets contribuent également au motif de franges. En général, ce que vous voyez est un motif de frange qui a manque franges d'interférence; ceux-ci tombent à des endroits où des franges sombres se produisent dans le diagramme de diffraction.
Les réseaux de diffraction
Nous avons parlé de ce qui se passe lorsque la lumière rencontre une seule fente (diffraction) et ce qui se passe lorsque la lumière frappe un double fente (interférence); ce qui se produit lorsque la lumière rencontre une gamme complète de fentes identiques, également espacées? Un tel réseau est connu comme un réseau de diffraction. Le nom est un peu trompeur, car la structure de la tendance observée est dominée par des effets d'interférence.
Avec une double fente, le motif d'interférence est constitué de larges crêtes où une interférence constructive a lieu. Comme plusieurs fentes sont ajoutés, les pics dans le modèle deviennent plus nettes et plus étroite. Avec un grand nombre de fentes, les pics sont très coupantes. Les positions des pics, qui proviennent de l'interférence constructive entre la lumière provenant de chaque fente, se trouvent dans les mêmes angles que les sommets de la double fente; seule la netteté est affectée.
Pourquoi le modèle beaucoup plus marqué? Dans la double fente, entre chaque pic d'interférence constructive est un seul endroit où l'interférence destructive se produit. Entre le pic central (m = 0) et la suivante (m = 1), il y a un endroit où l'on se déplace onde 1/2 de longueur d'onde plus loin que l'autre, et qui est l'endroit où l'interférence destructive se produit. Pour trois fentes, cependant, il y a deux endroits où l'interférence destructive se déroule. L'un est situé à l'endroit où les longueurs de chemin diffèrent par 1/3 d'une longueur d'onde, tandis que l'autre est à l'endroit où les longueurs de chemin diffèrent par 2/3 d'une longueur d'onde. 4 fentes, il y a trois endroits, pour 5 fentes il y a quatre endroits, etc. interférence constructive complètement, cependant, a lieu que lorsque les longueurs de chemin diffèrent par un nombre entier de longueurs d'onde. Pour un réseau de diffraction, puis, avec un grand nombre de fentes, le modèle est forte à cause de toutes les interférences destructrices qui se déroule entre les sommets lumineux où l'interférence constructive a lieu.
Les réseaux de diffraction, comme des prismes, dispersent la lumière blanche en couleurs individuelles. Si l'espacement de réseau (d, la distance entre des fentes) est connue et des mesures précises sont faites des angles sous lesquels la lumière d'une couleur particulière se produit dans le motif d'interférence, la longueur d'onde de la lumière peut être calculée.
interférence en couche mince
L'interférence entre les ondes de lumière est la raison pour laquelle les films minces, tels que des bulles de savon, montrent des motifs colorés. Ceci est connu comme l'interférence à film mince, car il est l'interférence des ondes lumineuses se reflétant sur la surface supérieure d'un film avec les ondes réfléchies par la surface de fond. Pour obtenir un bon motif coloré, l'épaisseur du film doit être similaire à la longueur d'onde de la lumière.
Une considération importante pour déterminer si ces ondes interfèrent est constructive ou destructive le fait que chaque fois que la lumière est réfléchie par une surface d'indice de réfraction plus élevé, l'onde est inversée. Pics deviennent des creux et des creux deviennent des pics. Ceci est appelé un déphasage de 180 ° dans la vague, mais la meilleure façon de penser qu'il est aussi un déplacement efficace de la vague d'une demi-longueur d'onde.