Сьогодні ми розповімо про інтерференції в тонких плівках. У фокусі нашої уваги відкриття, дослідження й застосування цього чудового фізичного явища.

Визначення

Перш ніж описувати якийсь закон, спочатку треба зрозуміти, що за складові в нього входять. Якщо цього не зробити, то читач може пропустити важливі деталі, і сприйняття наукового факту спотвориться. Школяр, який пропустив одне заняття з фізики із-за хвороби або ліні, повинен обов'язково розібрати цю тему самостійно. Тому що кожне наступне поняття спирається на попереднє. Якщо упустити одне значення, незрозумілою буде вся інша фізика. Перш ніж приступати до висновку інтерференції в тонких плівках, треба спочатку дати визначення явищу.


Цей феномен може ставитися до будь-яких коливальним процесів. Интерферировать можуть хвилі вітру, моря та звуку. Взаємодія відбувається навіть у таких складних квазічастинок, як колективне коливання гратки кристалів. Інтерференція – це явище, яке відбувається при зустрічі в одному місці декількох хвиль. Воно полягає в тому, що при складанні змінюється амплітуда результуючого коливання. Це означає, що хвилі можуть посилити, погасити один одного або пройти далі без змін.

Світло

Явище інтерференції в тонких плівках – це взаємодія хвиль світла. Так що перш ніж приступати до опису феномена, треба пояснити природу цих коливань. Світло – це квант електромагнітного поля. Фотон має властивості як хвилі, так і частки. Поки квант рухається крізь простір, він непорушний і вічний. Доказом тому світло далеких галактик. Деякі з них, можливо, вже поміняли форму або взагалі перестали існувати. Але їх випромінювання летіло крізь космос мільярди років, поки не досягло погляду людей.


Основне джерело світла – електронні переходи в атомі. Всередині зірок відбувається потужна термоядерна реакція, в результаті якої виділяються всі види електромагнітного випромінювання. Видимий світ – тільки невелика ділянка всієї шкали, який доступний людському зору.

Властивості хвилі

Щоб описати коротко інтерференції в тонких плівках, треба розповісти про хвильові властивості світла. Для розуміння форми ідеального коливання без загасання треба тільки подивитися на графік синуса або косинуса в звичних декартових координатах. Основні властивості фотона наступні:

Довжина хвилі. Позначається грецькою буквою ?. Довжина хвилі – це відстань між двома однаковими фазами. Найнаочніше ця величина демонструється як проміжок між двома сусідніми максимумами або мінімумами.

Частота. В залежності від виду позначається по-різному: лінійна частота – це ?, циклічна – ?, а якщо ця величина виражається як функція, то вона пишеться латинською літерою f , причому неодмінно курсивом. Частота і довжина хвилі пов'язані співвідношенням ? * ? = c, де c – швидкість світла у вакуумі. Таким чином, знаючи одну величину, іншу отримати дуже просто.

Амплітуда. Для інтерференції дане властивість хвилі найважливіше. Це висота максимумів і мінімумів коливання. Саме амплітуда змінюється, коли зустрічаються дві хвилі.

Фаза. Для одиничного кванта цей фактор не має значення. При взаємодії важлива різниця фаз. Стан (максимум, мінімум або прагнення до них), в якому прийшли в одне місце дві хвилі, впливає на кінцеву інтенсивність при інтерференції.

Поляризація. В цілому це властивість описує форму коливання. Поляризація світла буває лінійної, круговою та еліптичною.

Заломлення, відображення

Безпосередньо явище інтерференції світла в тонких плівках пов'язано ще з кількома феноменами лінійної оптики. Зустрічаючи перешкоду, світло може діяти по-різному:

відбитися;

переломитися;

розсіятися;

повністю присвятити свій час.

В останньому випадку фотон віддає свою енергію речовини, і там відбуваються якісь зміни. Найчастіше це просто нагрівання. Недарма річ, залишена на сонці, стає дуже гарячою. Багато різних квантів передають забутого дітьми м'ячу свою енергію. Розсіяння теж має на увазі, що світло взаємодіє з матерією: він поглинається і знову випромінюється назад. Часто виходять кванти мають іншу довжину хвилі або поляризацію. Заломлення і віддзеркалення не змінюють властивості пучка, різниця лише в напрямку поширення світла. Всі ці процеси беруть участь, наприклад, у формуванні зображення поверхні озера.

Поведінка світла в тонких покриттях

Найпростішим прикладом плівкового покриття є мильна піна. Мило збільшує поверхневий натяг води. У підсумку вона утворює дуже великі площі при маленькою товщині. Мильні бульбашки переливаються всіма кольорами веселки. І зараз ми пояснимо, чому. На плівку падає світло. На верхній межі покриття частина його відбивається, а частина заломлюється. Нас цікавить другий пучок, який опинився всередині речовини. Він досягає дна, і далі теж частина заломлюється, а частина відбивається назад всередину плівки. Той світ, який йде в наступну середу, для спостерігача втрачено. А ось той, який повертається назад в плівку, нам якраз цікавий, тому що на кордоні він знову переломлюється і виходить у першу середу, з якої він спочатку увійшов. Виходить, що входить і виходить пучки паралельні один одному. Це один і той же світ, тільки фаза його на виході змінилася. Різниця визначить, що спостерігач побачить: світлу смугу або темну. Описаний процес становить сутність інтерференції в тонких плівках. Кільця Ньютона, які спостерігаються в паралельному пучку світла між опуклою лінзою і плоскою скляною пластиною, фактично мають ту ж природу. Їх дуже просто спостерігати: цей досвід здатні зробити навіть школярі на уроках фізики.

Відстань між світлими смугами

Сподіваємося, читач цілком усвідомив собі механізм взаємодії світла і тонких покриттів. Тепер наведемо деякі формули. На виході з плівки спостерігається картина світлих і темних областей. Площі, на яких кінцева картина має одну і ту ж освітленість, називається смуги рівного нахилу. Інтерференція в тонких плівках дає нам наступну формулу для їх розрахунку: 2m * ? = (2nh * cos? ± ?) /2. Тут: ? – довжина хвилі падаючого випромінювання, m – порядок інтерференції, ? – кут між заломленим в перший раз променем і нормаллю до поверхні, n – показник заломлення плівки, а h – її товщина. Слід зазначити, що дана умова покаже геометричне місце точок найбільш світлих областей інтерференційної картини. Таким чином розташовані тільки ті пучки, які падають на поверхню плівки під одним і тим же кутом. Саме тому вони називаються смугами рівного нахилу.

Фотоапарати і окуляри

Школяр, який знаходить фізику нудним предметом, напевно задає собі питання: «Навіщо все це потрібно?». Тим не менш взаємодія світла і тонких покриттів використовується у повсякденному житті досить широко. На лінзах будь-якої фото - і телеапаратури є напилення: найтонша прозора плівка. Її товщина підібрана так, щоб камера не давала зелених відблисків (світло цієї довжини хвилі гасить сам себе, проходячи через шар на поверхні скла). Таке рішення робить зображення контрастним і яскравим. Адже людина краще всього бачить зелений спектр і недоліки цього кольору сприймає найбільш чітко. Просвітлююче напилювання наноситься також на лінзи мікроскопів і телескопів. І не обов'язково товщина плівки відповідає зеленим кольором. Якщо вчений досліджує процеси з інфрачервоним або ультрафіолетовим випромінюванням, апаратура допомагає йому саме в цьому діапазоні.

Лазери

Також інтерференція застосовується в лазерах, але цей факт відомий небагатьом. Сьогодні без лазерів не обходиться ні один із видів людської діяльності. Пристрій складається з трьох частин – накачування робочого тіла і відбивача. Дзеркало розташоване на торцях основного випромінювального матеріалу. Його призначення – збирати генеруються фотони конкретної довжини хвилі в одному напрямку. Цей елемент приладу часто являє собою ряд тонких плівок, інтерференція на яких дозволяє проходити далі тільки потрібного випромінювання.