แหล่งกำเนิดเสียงใดที่อนุญาตให้คุณได้รับรูปแบบการรบกวน เงื่อนไขการสังเกตรูปแบบการรบกวน

ในแต่ละจุด คลื่นสองคลื่นที่แพร่กระจายในอวกาศจะให้ผลรวมทางเรขาคณิตของการแกว่งของมัน หลักการนี้เรียกว่าการทับซ้อนของคลื่น กฎข้อนี้มีความแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ อย่างไรก็ตาม ในบางกรณีซึ่งเกิดขึ้นไม่บ่อยนักอาจถูกละเลย สิ่งนี้ใช้กับสถานการณ์ที่คลื่นแพร่กระจายในตัวกลางที่ซับซ้อน เมื่อความเข้ม (แอมพลิจูด) ของคลื่นมีขนาดใหญ่มาก หลักการนี้หมายความว่าตัวกลางเองตอบสนองต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวนหนึ่งที่แพร่กระจายในตัวกลางในลักษณะที่เฉพาะเจาะจงมาก - มันตอบสนองต่อคลื่นเพียงคลื่นเดียวราวกับว่าไม่มีคลื่นอื่นอยู่ใกล้ ๆ ในทางคณิตศาสตร์ นี่หมายความว่า ณ จุดใดๆ ในตัวกลางที่เลือก ความแรงและการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและความแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่รวมกันทั้งหมด เนื่องจากหลักการทับซ้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏการณ์เช่นการเลี้ยวเบนและการรบกวนของแสงจึงเกิดขึ้น พวกเขามีความน่าสนใจจากมุมมองทางกายภาพ นอกจากนี้ พวกเขายังประหลาดใจกับความงามของพวกเขา

การรบกวนคืออะไร?

พิจารณา ปรากฏการณ์นี้เป็นไปได้เฉพาะในการปฏิบัติตาม เงื่อนไขพิเศษ. การรบกวนของแสงคือการก่อตัวของแถบลดทอนและขยายสัญญาณที่สลับกัน เงื่อนไขสำคัญประการหนึ่งคือการที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ลำแสง) วางทับกัน และจำนวนของมันควรเป็นตั้งแต่สองตัวขึ้นไป คลื่นนิ่งเป็นกรณีพิเศษ ควรสังเกตว่าการรบกวนเป็นเอฟเฟกต์คลื่นล้วนๆ ไม่เพียงแต่ใช้ได้กับแสงเท่านั้น ในคลื่นนิ่งซึ่งเกิดขึ้นจากการซ้อนทับบนคลื่นสะท้อนหรือคลื่นตกกระทบ จะสังเกตเห็นความเข้มสูงสุด (แอนติโนด) และระดับต่ำสุด (โหนด) ของความเข้ม ซึ่งจะสลับกันไปมา

เงื่อนไขพื้นฐาน

การรบกวนของคลื่นเกิดจากการเชื่อมโยงกัน คำนี้หมายความว่าอย่างไร? การเชื่อมโยงกันคือความสม่ำเสมอของคลื่นในเฟส หากคลื่นสองคลื่นที่มาจากแหล่งต่างกันมาซ้อนทับกัน เฟสของคลื่นเหล่านั้นจะเปลี่ยนแบบสุ่ม คลื่นแสงเป็นผลมาจากการแผ่รังสีของอะตอม ดังนั้นแต่ละคลื่นจึงเป็นผลมาจากการซ้อนทับกันของส่วนประกอบจำนวนมาก

ต่ำและสูง

สำหรับการปรากฏตัวของการขยายและการลดทอนที่ "ถูกต้อง" ของคลื่นทั้งหมดในอวกาศ ส่วนประกอบที่เพิ่มเข้ามา ณ จุดที่เลือกจะยกเลิกกัน นั่นคือเป็นเวลานานที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องอยู่ในแอนติเฟสเพื่อให้ความแตกต่างของเฟสยังคงเหมือนเดิมเสมอ ค่าสูงสุดจะปรากฏขึ้นในขณะที่คลื่นส่วนประกอบอยู่ในเฟสเดียวกัน นั่นคือ เมื่อมีการขยายคลื่น มีการสังเกตการรบกวนของแสงภายใต้เงื่อนไขของความแตกต่างของเฟสคงที่ ณ จุดที่กำหนด และคลื่นดังกล่าวเรียกว่าเชื่อมโยงกัน

แหล่งธรรมชาติ

เมื่อใดที่เราสามารถสังเกตปรากฏการณ์เช่นการรบกวนของแสงได้? คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่รังสีจากแหล่งธรรมชาตินั้นไม่ต่อเนื่องกันเนื่องจากถูกสร้างขึ้นแบบสุ่มโดยอะตอมที่แตกต่างกัน ซึ่งมักจะไม่สอดคล้องกันโดยสิ้นเชิง แต่ละคลื่นที่ปล่อยออกมาจากอะตอมนั้นเป็นส่วนหนึ่งของไซนัสอยด์ ซึ่งสอดคล้องกับตัวมันเองอย่างแน่นอน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องแบ่งลำแสงหนึ่งลำแสงที่มาจากแหล่งกำเนิดออกเป็นสองลำขึ้นไป จากนั้นจึงซ้อนลำแสงที่ได้ทับกัน ในกรณีนี้ เราจะสามารถสังเกตจุดต่ำสุดและสูงสุดของปรากฏการณ์เช่นการรบกวนของแสงได้

ดูคลื่นที่ทับซ้อนกัน

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การรบกวนของแสงเป็นแนวคิดที่กว้างมาก ซึ่งผลของการเพิ่มลำแสงที่มีความเข้มไม่เท่ากับความเข้มของลำแสงแต่ละลำ อันเป็นผลมาจากปรากฏการณ์นี้มีการกระจายพลังงานในอวกาศ - ค่าต่ำสุดและค่าสูงสุดที่เหมือนกันจะเกิดขึ้น นั่นคือเหตุผลที่รูปแบบการรบกวนเป็นเพียงการสลับแถบสีเข้มและสีอ่อน หากคุณใช้แสงสีขาว แถบนั้นจะถูกทาสีด้วยสีต่างๆ แต่เมื่อในชีวิตปกติเราพบการรบกวนของแสง? สิ่งนี้เกิดขึ้นค่อนข้างบ่อย การปรากฏตัวของมันรวมถึงคราบน้ำมันบนแอสฟัลต์, ฟองสบู่ที่มีสีรุ้ง, การเล่นแสงบนพื้นผิวของโลหะชุบแข็ง, ภาพวาดบนปีกของแมลงปอ นี่คือการรบกวนของแสงในภาพยนตร์บาง อันที่จริง การสังเกตผลกระทบนี้ไม่ง่ายอย่างที่คิด หากหลอดไฟที่เหมือนกันสองดวงสว่างขึ้น ความเข้มของหลอดไฟจะเพิ่มขึ้น แต่ทำไมไม่มีเอฟเฟกต์รบกวน? คำตอบสำหรับคำถามนี้อยู่ในกรณีที่ไม่มีการซ้อนทับของเงื่อนไขที่สำคัญที่สุด - ความสอดคล้องของคลื่น

เฟรสไบปริซึม

เพื่อให้ได้รูปแบบการรบกวน ลองมาที่แหล่งสัญญาณ ซึ่งเป็นช่องไฟแคบๆ ที่ติดตั้งขนานกับขอบของไบปริซึมนั้นเอง คลื่นที่มาจากคลื่นนั้นจะแยกออกเป็นสองส่วนเนื่องจากการหักเหของแสงในครึ่งส่วนของไบปริซึมและไปถึงหน้าจอด้วยสองวิธีที่แตกต่างกัน กล่าวคือ มีความแตกต่างของเส้นทาง บนหน้าจอในส่วนนั้นที่ลำแสงจากครึ่งหนึ่งของ biprism ซ้อนทับกันปรากฏแถบสีเข้มและสีอ่อนสลับกัน ความแตกต่างของจังหวะถูกจำกัดด้วยเหตุผลบางประการ ในการแผ่รังสีแต่ละครั้ง อะตอมจะปล่อยขบวนคลื่นที่เรียกว่า (ระบบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งแพร่กระจายในอวกาศและเวลาโดยคงสภาพไซนัสไว้ ระยะเวลาของรถไฟขบวนนี้ถูกจำกัดโดยการสั่นสะเทือนตามธรรมชาติของอนุภาค (อิเล็กตรอน) ในอะตอมและการชนของอะตอมนี้กับผู้อื่น หากแสงสีขาวส่องผ่านไบปริซึม จะเห็นการรบกวนของสี เช่นเดียวกับฟิล์มบาง หากแสงเป็นสีเดียว (จากการปล่อยอาร์คในก๊าซบางชนิด) รูปแบบการรบกวนก็จะเป็นแถบสีอ่อนและสีเข้ม ซึ่งหมายความว่าความยาวคลื่นของสีต่างๆ ต่างกัน กล่าวคือ แสงมีสีต่างกัน และมีลักษณะเฉพาะด้วยความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน

รับคลื่นทับ

แหล่งกำเนิดแสงในอุดมคติคือเลเซอร์ (เครื่องกำเนิดควอนตัม) ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วจะเป็นแหล่งกำเนิดรังสีที่ถูกกระตุ้นที่สอดคล้องกัน ความยาวของรถไฟเลเซอร์ที่เชื่อมโยงกันสามารถเข้าถึงได้หลายพันกิโลเมตร ต้องขอบคุณเครื่องกำเนิดควอนตัมที่นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างพื้นที่ทั้งหมดของทัศนศาสตร์สมัยใหม่ซึ่งพวกเขาเรียกว่าเชื่อมโยงกัน สาขาฟิสิกส์นี้มีแนวโน้มอย่างไม่น่าเชื่อในแง่ของความก้าวหน้าทางเทคนิคและทฤษฎี

ขอบเขตของการใช้เอฟเฟกต์

ในความหมายกว้างๆ แนวคิดของ "การรบกวนของแสง" เป็นการมอดูเลตในอวกาศของการไหลของพลังงานและสถานะของการแผ่รังสี (โพลาไรเซชัน) ในพื้นที่จุดตัดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหลายคลื่น (สองตัวขึ้นไป) แต่เอฟเฟกต์นี้ใช้ที่ไหน? การใช้การรบกวนของแสงเป็นไปได้ในด้านเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมต่างๆ ตัวอย่างเช่น ปรากฏการณ์นี้ใช้เพื่อดำเนินการควบคุมพื้นผิวของผลิตภัณฑ์กลึงอย่างแม่นยำ เช่นเดียวกับความเค้นทางกลและความร้อนในชิ้นส่วน เพื่อวัดปริมาตรของวัตถุต่างๆ นอกจากนี้ การรบกวนของแสงยังพบการประยุกต์ใช้ในกล้องจุลทรรศน์ ในสเปกโทรสโกปีของการแผ่รังสีอินฟราเรดและแสง ปรากฏการณ์นี้รองรับโฮโลแกรมสามมิติที่ทันสมัยและรามันสเปกโทรสโกปีที่ใช้งานอยู่ โดยพื้นฐานแล้ว การรบกวนดังที่เห็นได้จากตัวอย่างนั้น ใช้สำหรับการวัดที่มีความแม่นยำสูงและการคำนวณดัชนีการหักเหของแสงในสื่อต่างๆ

ความคิดของออกัสติน เฟรสเนล

เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Augustin Fresnel (1788-1827) พบว่าในปี 1815 เป็นวิธีการที่เรียบง่ายและชาญฉลาด จำเป็นต้องแบ่งแสงจากแหล่งกำเนิดหนึ่งออกเป็นสองลำแสงและเมื่อบังคับให้พวกเขาไปตามเส้นทางที่ต่างกันก็นำมารวมกัน จากนั้นขบวนคลื่นที่ปล่อยออกมาจากอะตอมเดี่ยวจะถูกแบ่งออกเป็นสองขบวนที่เชื่อมโยงกัน นี่จะเป็นกรณีของรถไฟของคลื่นที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของแหล่งกำเนิด แสงที่ปล่อยออกมาจากอะตอมเดี่ยวทำให้เกิดรูปแบบการรบกวนที่แน่นอน เมื่อภาพเหล่านี้ซ้อนทับกัน จะได้รับการกระจายแสงบนหน้าจออย่างเข้มข้น: รูปแบบการรบกวนสามารถสังเกตได้

มีหลายวิธีในการรับแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน แต่สาระสำคัญของแสงนั้นเหมือนกัน โดยการแบ่งลำแสงออกเป็นสองส่วน จะได้แหล่งกำเนิดแสงในจินตนาการสองแหล่ง ทำให้เกิดคลื่นที่เชื่อมโยงกัน ด้วยเหตุนี้จึงใช้กระจกสองบาน (Fresnel bimirrors), biprism (สองปริซึมพับที่ฐาน), bilens (เลนส์ผ่าครึ่งโดยแบ่งครึ่ง) เป็นต้น

การทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับการสังเกตการรบกวนของแสงในห้องปฏิบัติการเป็นของ I. Newton เขาสังเกตเห็นรูปแบบการรบกวนที่เกิดขึ้นจากการสะท้อนแสงในช่องว่างอากาศบางๆ ระหว่างแผ่นกระจกแบนกับเลนส์นูน-พลาโนที่มีรัศมีความโค้งมาก รูปแบบการรบกวนดูเหมือนวงแหวนศูนย์กลาง เรียกว่าวงแหวนของนิวตัน (รูปที่ 3 a, b)

รูปที่ 3a รูปที่ 3b

นิวตันไม่สามารถอธิบายจากมุมมองของทฤษฎี corpuscular ได้ว่าทำไมวงแหวนจึงปรากฏขึ้น แต่เขาเข้าใจว่านี่เป็นเพราะกระบวนการแสงเป็นช่วงๆ

การทดลองของ Young กับรอยผ่าสองอัน

โครงกระดูกของโลหะสร้างตาข่ายคริสตัลในโหนดที่มีไอออน

ในที่ที่มีสนามไฟฟ้าบน การเคลื่อนไหวที่ผิดปกติอิเล็กตรอนถูกทับด้วยการเคลื่อนที่ตามคำสั่งภายใต้การกระทำของกองกำลังภาคสนาม

ระหว่างการเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนชนกับอิออนของโครงตาข่าย สิ่งนี้อธิบายความต้านทานไฟฟ้า

ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์ทำให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์มากมายในเชิงปริมาณได้ แต่ในหลายกรณี ตัวอย่างเช่น ในการอธิบายการพึ่งพาความต้านทานของโลหะต่ออุณหภูมิ ฯลฯ แทบไม่มีอำนาจเลย นี่เป็นเพราะว่าในกรณีทั่วไป กฎของกลศาสตร์ของนิวตันและกฎของก๊าซในอุดมคติไม่สามารถนำไปใช้กับอิเล็กตรอนได้ ซึ่งได้รับการชี้แจงในช่วงทศวรรษที่ 1930

ในปี 1902 ในการทดลองของ Kaufman พบว่าอัตราส่วนของประจุ e ต่อมวล m ไม่ใช่ค่าคงที่ แต่ขึ้นอยู่กับความเร็ว (ลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น) ตามทฤษฎีที่ว่า q = const. ดังนั้นมวลจึงเพิ่มขึ้น

กระบวนการทางกายภาพขั้นพื้นฐานในเซมิคอนดักเตอร์และคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ภายในและการนำไฟฟ้าภายใน

เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุที่ในแง่ของการนำไฟฟ้า ครองตำแหน่งกลางระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริก และแตกต่างจากตัวนำในการพึ่งพาอย่างมากของการนำความเข้มข้นของสิ่งเจือปน อุณหภูมิ และการสัมผัสกับรังสีประเภทต่างๆ คุณสมบัติหลักของเซมิคอนดักเตอร์คือการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

เซมิคอนดักเตอร์คือสารที่มีช่องว่างแบนด์เรียงตามลำดับของอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ไม่กี่ตัว ตัวอย่างเช่น เพชรสามารถจำแนกเป็นเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างกว้าง ในขณะที่อินเดียม arsenide สามารถจัดเป็นประเภทช่องว่างแคบได้ เซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมีมากมาย (เจอร์เมเนียม ซิลิกอน ซีลีเนียม เทลลูเรียม สารหนูและอื่น ๆ ) โลหะผสมจำนวนมากและ สารประกอบทางเคมี(แกลเลียมอาร์เซไนด์ ฯลฯ ) สารอนินทรีย์เกือบทั้งหมดในโลกรอบตัวเราเป็นสารกึ่งตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติคือซิลิกอน ซึ่งคิดเป็นเกือบ 30% ของเปลือกโลก

ขึ้นอยู่กับว่าอะตอมของสิ่งเจือปนบริจาคหรือจับอิเล็กตรอน อะตอมของสิ่งเจือปนเรียกว่าอะตอมของผู้บริจาคหรือตัวรับ ธรรมชาติของสิ่งเจือปนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับอะตอมของผลึกขัดแตะแทนที่ซึ่งฝังอยู่ในระนาบผลึกศาสตร์

ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นอย่างมาก ใกล้กับอุณหภูมิของศูนย์สัมบูรณ์ เซมิคอนดักเตอร์มีคุณสมบัติของไดอิเล็กทริก เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะเฉพาะทั้งคุณสมบัติของตัวนำและไดอิเล็กทริก ในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ อะตอมจะสร้างพันธะโควาเลนต์ (นั่นคือ อิเล็กตรอนหนึ่งตัวในผลึกซิลิกอน เช่น เพชร ถูกพันธะโดยอะตอมสองอะตอม) อิเล็กตรอนต้องการระดับพลังงานภายในที่จะปลดปล่อยออกจากอะตอม (1.76 10 −19 J เทียบกับ 11.2 10 -19 J ซึ่งแสดงลักษณะความแตกต่างระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริก)

พลังงานนี้จะปรากฏในตัวพวกมันเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น (เช่น ที่อุณหภูมิห้อง ระดับพลังงานของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของอะตอมคือ 0.4 10 -19 J) และอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะได้รับพลังงานเพื่อแยกตัวออกจากนิวเคลียส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จำนวนอิเล็กตรอนอิสระและรูจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น ในเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่มีสิ่งเจือปน ความต้านทานไฟฟ้าจะลดลง เป็นเรื่องปกติที่จะต้องพิจารณาว่าเป็นองค์ประกอบของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีพลังงานจับอิเล็กตรอนน้อยกว่า 1.5-2 eV กลไกการนำไฟฟ้าของรูอิเล็กตรอนปรากฏอยู่ในเซมิคอนดักเตอร์ภายใน (ซึ่งก็คือไม่มีสิ่งเจือปน) มันถูกเรียกว่า ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของสารกึ่งตัวนำ

เมื่อพันธะระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสแตกออก จะมีที่ว่างปรากฏขึ้นในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม สิ่งนี้ทำให้เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นไปยังอะตอมที่มีพื้นที่ว่าง อะตอมซึ่งอิเล็กตรอนผ่านไปแล้วจะเข้าสู่อิเล็กตรอนอีกตัวจากอะตอมอื่น ฯลฯ กระบวนการนี้กำหนดโดยพันธะโควาเลนต์ของอะตอม ดังนั้นจึงมีการเคลื่อนที่ของประจุบวกโดยไม่ทำให้อะตอมเคลื่อนที่เอง ประจุบวกแบบมีเงื่อนไขนี้เรียกว่ารู

โดยปกติการเคลื่อนที่ของรูในเซมิคอนดักเตอร์จะต่ำกว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งอิเล็กตรอนอิสระและ "รู" ปรากฏในกระบวนการไอออไนเซชันของอะตอมซึ่งเรียกว่าคริสตัลทั้งหมด เซมิคอนดักเตอร์ที่มีการนำไฟฟ้าภายใน. ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าภายใน ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระจะเท่ากับความเข้มข้นของ "รู"

เซมิคอนดักเตอร์ของตัวเอง- นี่คือเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์เนื้อหาของสิ่งสกปรกต่างประเทศที่ไม่เกิน 10 -8 ... 10 -9% ความเข้มข้นของรูในนั้นเท่ากับความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระเสมอ เนื่องจากมันไม่ได้ถูกกำหนดโดยการเติม แต่โดยคุณสมบัติที่แท้จริงของวัสดุ กล่าวคือ ตัวพาที่ตื่นเต้นด้วยความร้อน การแผ่รังสี และข้อบกพร่องที่แท้จริง เทคโนโลยีนี้ทำให้สามารถรับวัสดุที่มีการทำให้บริสุทธิ์ในระดับสูง ซึ่งสามารถแยกแยะเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างทางอ้อมได้: Si (ที่อุณหภูมิห้อง จำนวนผู้ให้บริการ นผม = พีฉัน \u003d 1.4 10 10 ซม. -3), Ge (ที่อุณหภูมิห้องจำนวนผู้ให้บริการ นผม = พี i =2.5·10 13 ซม. -3) และ GaAs ช่องว่างตรง

เซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่มีสิ่งเจือปนมี การนำไฟฟ้าของตัวเองซึ่งมีส่วนสนับสนุนสองอย่าง: อิเล็กตรอนและรู หากไม่มีการใช้แรงดันไฟฟ้ากับเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนและรูจะเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและกระแสทั้งหมดจะเป็นศูนย์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับเซมิคอนดักเตอร์ สนามไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นซึ่งส่งผลให้เกิดกระแสที่เรียกว่า กระแสลม ผม ฯลฯกระแสดริฟท์ทั้งหมดเป็นผลรวมของสองการมีส่วนร่วมจากกระแสอิเล็กตรอนและรู:

ฉัน dr \u003d ฉัน n + ฉัน p

ที่ดัชนี นสอดคล้องกับการสนับสนุนทางอิเล็กทรอนิกส์และ พี- เจาะรู ความต้านทานของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของตัวพาและความคล่องตัว ดังต่อไปนี้จากโมเดล Drude ที่ง่ายที่สุด ในเซมิคอนดักเตอร์ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอันเนื่องมาจากการสร้างคู่อิเล็กตรอน-รู ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าและรูในแถบวาเลนซ์จะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าการเคลื่อนที่ที่ลดลง ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น

กระบวนการของการตายของคู่อิเล็กตรอน-หลุมเรียกว่าการรวมตัวใหม่ ในความเป็นจริงการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ของตัวเองนั้นมาพร้อมกับกระบวนการรวมตัวกันอีกครั้งและการสร้างและหากอัตราเท่ากันพวกเขาก็บอกว่าเซมิคอนดักเตอร์อยู่ในสภาวะสมดุล จำนวนพาหะที่กระตุ้นด้วยความร้อนขึ้นอยู่กับช่องว่างของแถบความถี่ ดังนั้นจำนวนตัวพาปัจจุบันในเซมิคอนดักเตอร์ดั้งเดิมจึงน้อยเมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสารเจือปน และมีความต้านทานสูงกว่ามาก

การระเหย: สาระสำคัญของกระบวนการ วิธีการจัดระเบียบ

การระเหย - กระบวนการของสารละลายเข้มข้นซึ่งประกอบด้วยการกำจัดตัวทำละลายบางส่วนโดยการระเหยที่จุดเดือด

การระเหยที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดของสารละลายที่กำหนดเกิดขึ้นจากพื้นผิว ในขณะที่ระหว่างการเดือด ตัวทำละลายจะระเหยไปในปริมาตรทั้งหมดของสารละลายเดือด ซึ่งจะทำให้กระบวนการขจัดตัวทำละลายออกจากสารละลายเข้มข้นขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

กระบวนการระเหยใช้กันอย่างแพร่หลาย:

1) เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายเจือจาง

2) การแยกตัวถูกละลายออกจากพวกมันโดยการตกผลึก

3) บางครั้งสำหรับการสกัดด้วยตัวทำละลาย (เช่น เมื่อได้รับน้ำดื่มหรือน้ำอุตสาหกรรมในเครื่องระเหยแยกเกลือออกจากน้ำทะเล)

ในการดำเนินการกระบวนการระเหย จำเป็นต้องถ่ายเทความร้อนจากสารหล่อเย็นไปยังสารละลายเดือด ซึ่งเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างกัน เมื่อวิเคราะห์และคำนวณกระบวนการระเหย ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสารหล่อเย็นกับสารละลายเดือดมักจะเรียกว่าความแตกต่างของอุณหภูมิที่มีประโยชน์ ในฐานะที่เป็นตัวพาความร้อนในเครื่องระเหย ไอน้ำอิ่มตัวมักถูกใช้บ่อยที่สุด ซึ่งเรียกว่าการให้ความร้อนหรือปฐมภูมิ แม้ว่าแน่นอน สามารถใช้เครื่องทำความร้อนประเภทอื่นและตัวพาความร้อนอื่นๆ เพื่อจุดประสงค์นี้ได้ ไอน้ำที่เกิดขึ้นระหว่างการระเหยของสารละลายเรียกว่าทุติยภูมิหรือน้ำผลไม้

ดังนั้น การระเหยจึงเป็นกระบวนการทั่วไปของการถ่ายเทความร้อนจากน้ำหล่อเย็นที่มีความร้อนมากกว่า - ไอน้ำร้อน - ไปสู่สารละลายเดือด

การระเหยจะดำเนินการ: ที่ความดันบรรยากาศ ภายใต้สุญญากาศ ภายใต้ความกดอากาศที่มากกว่าความกดอากาศ

ความแตกต่างที่สำคัญในกระบวนการระเหย เนื่องจากการระเหยถูกแยกออกเป็นส่วนที่เป็นอิสระในชุดของกระบวนการระบายความร้อน อยู่ในคุณสมบัติของการออกแบบฮาร์ดแวร์และวิธีการคำนวณการติดตั้งเครื่องระเหย

แตกต่างจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วไป เครื่องระเหยประกอบด้วยสองหน่วยหลัก: ห้องให้ความร้อนหรือหม้อไอน้ำ (มักจะอยู่ในรูปแบบของมัดของท่อ) และตัวแยกที่ออกแบบมาเพื่อดักจับหยดของสารละลายจากไอที่เกิดขึ้นเมื่อสารละลายเดือด เพื่อการดักจับที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น มีการติดตั้งเครื่องดักละอองแบบต่างๆ ในตัวคั่น

เพื่อลดอัตราการสะสมของสารปนเปื้อน (สเกล) บนผนังของท่อในเครื่องระเหยสาร เงื่อนไขถูกสร้างขึ้นสำหรับการหมุนเวียนของสารละลายอย่างเข้มข้น (ในกรณีนี้ ความเร็วของสารละลายในท่อคือ 1-3 ม./วินาที) โดยธรรมชาติแล้ว จะต้องคำนึงถึงการไหลเวียนของสารละลายด้วยเมื่อออกแบบเครื่องระเหย เครื่องระเหยประเภทนี้ทำงานบนหลักการของการไหลเวียนตามธรรมชาติโดยตรง ซึ่งเกิดจากความแตกต่างในความหนาแน่นของสารละลายเดือดในท่อหมุนเวียนและในท่อหม้อน้ำของห้องทำความร้อน

ความแตกต่างของความหนาแน่นเกิดจากความแตกต่างในฟลักซ์ความร้อนจำเพาะต่อปริมาตรของสารละลาย: ในท่อหม้อไอน้ำจะสูงกว่าในท่อหมุนเวียน

ดังนั้นความเข้มของการเดือดและดังนั้นการกลายเป็นไอในนั้นจึงสูงขึ้นเช่นกัน ส่วนผสมของไอน้ำและของเหลวที่เกิดขึ้นที่นี่มีความหนาแน่นต่ำกว่าในท่อหมุนเวียน สิ่งนี้นำไปสู่การไหลเวียนโดยตรงของสารละลายเดือดซึ่งไหลผ่านท่อหมุนเวียนและเพิ่มขึ้นผ่านท่อหม้อไอน้ำ จากนั้นส่วนผสมของไอน้ำและของเหลวจะเข้าสู่ตัวคั่นซึ่งไอจะถูกแยกออกจากสารละลายและถูกนำออกจากอุปกรณ์ สารละลายที่หลุดออกมาหนึ่งตัวจะออกมาจากข้อต่อที่ด้านล่างของอุปกรณ์ ดังนั้นในอุปกรณ์ที่มีการไหลเวียนตามธรรมชาติของสารละลาย วงจรหมุนเวียนที่เป็นระเบียบจะถูกสร้างขึ้นตามรูปแบบ: ท่อหม้อไอน้ำ (ยก) → พื้นที่ไอน้ำ → ท่อหมุนเวียน (ล่าง) → ท่อยก ฯลฯ

หากมีเครื่องระเหยหนึ่งเครื่องในเครื่องระเหย การติดตั้งดังกล่าวจะเรียกว่ากรณีเดียว หากการติดตั้งมีตัวเรือนที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมตั้งแต่สองตัวขึ้นไป การติดตั้งดังกล่าวจะเรียกว่าแบบหลายตัว ในกรณีนี้ ไอน้ำทุติยภูมิจากเรือนหนึ่งใช้สำหรับให้ความร้อนในเครื่องระเหยอื่นๆ ของโรงงานเดียวกัน ซึ่งนำไปสู่การประหยัดอย่างมากสำหรับไอน้ำร้อนสด ไอน้ำทุติยภูมิที่นำมาจากเครื่องระเหยเพื่อวัตถุประสงค์อื่นเรียกว่าไอน้ำพิเศษ ในเครื่องระเหยแบบมัลติเอฟเฟค ไอน้ำสดจะถูกจ่ายไปยังปลอกแรกเท่านั้น จากอาคารแรก ไอน้ำทุติยภูมิที่เกิดขึ้นจะเข้าสู่อาคารที่สองของการติดตั้งเดียวกันกับเครื่องทำความร้อน ในทางกลับกัน ไอน้ำทุติยภูมิของอาคารที่สองจะเข้าสู่อาคารที่สามเพื่อเป็นเครื่องทำความร้อน เป็นต้น

การเลี้ยวเบนของแสง หลักการของไฮเกนส์-เฟรสเนล วิธีเฟรสโซน การเลี้ยวเบนของเฟรสบนสิ่งกีดขวางที่ง่ายที่สุด การเลี้ยวเบน Fraunhofer โดยช่องเดียว

1. ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน

การเลี้ยวเบนของคลื่นประกอบด้วยการปัดเศษของสิ่งกีดขวางโดยคลื่นหรือในการโก่งตัวของคลื่นไปยังบริเวณของเงาเรขาคณิตเมื่อผ่านรู โดยต้องให้มิติเชิงเส้นของสิ่งกีดขวางเหล่านี้มีลำดับเท่ากับหรือน้อยกว่าความยาวคลื่น ประเภทของคลื่นไม่สำคัญ: สังเกตการเลี้ยวเบนของเสียง แสง และกระบวนการคลื่นอื่นๆ

การสังเกตการเลี้ยวเบนของคลื่นแสงจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อขนาดของสิ่งกีดขวางมีค่าเท่ากับ 10 -6 -10 -7 ม. (สำหรับแสงที่มองเห็นได้) เมื่อเปรียบเทียบขนาดของช่องผ่าโดยเรียงตามความยาวคลื่น ช่องเจาะจะกลายเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นทรงกลมทุติยภูมิ ซึ่งการรบกวนจะเป็นตัวกำหนดรูปแบบของการกระจายความเข้มหลังร่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสงจะแทรกซึมเข้าไปในพื้นที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ทางเรขาคณิต ดังนั้นจึงไม่ง่ายที่จะสังเกตการเลี้ยวเบนในบริเวณสเปกตรัมที่มองเห็นได้ สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงอื่น ๆ การเลี้ยวเบนจะสังเกตได้ทุกวัน ทุกที่ และทุกที่ เพราะถ้าไม่ใช่เพราะปรากฏการณ์นี้ เราจะไม่สามารถฟังวิทยุในอาคารได้ ตัวอย่างเช่น

ตามคำจำกัดความที่ยอมรับกันโดยทั่วไป การเลี้ยวเบนของแสง ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้เมื่อแสงแพร่กระจายผ่านขอบคมของวัตถุทึบแสงหรือโปร่งใส ผ่านรูแคบๆ ในกรณีนี้มีการละเมิดความตรงของการแพร่กระจายของแสงนั่นคือ การเบี่ยงเบนจากกฎของเลนส์เรขาคณิต เนื่องจากการเลี้ยวเบนของแสงเมื่อส่องหน้าจอทึบแสงด้วยแหล่งกำเนิดแสงจุดที่ขอบเงา ซึ่งตามกฎของเลนส์ทางเรขาคณิต ควรจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันจากเงาเป็นแสง จำนวนแสงและความมืด มีการสังเกตแถบการเลี้ยวเบน

เนื่องจากการเลี้ยวเบนเป็นลักษณะเฉพาะของการเคลื่อนที่ของคลื่น การค้นพบการเลี้ยวเบนของแสงในศตวรรษที่ 17 นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ชาวอิตาลี F. Grimaldi และคำอธิบายเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส O. Fresnel เป็นหนึ่งในผู้พิสูจน์หลักธรรมชาติคลื่นของแสง ทฤษฎีการเลี้ยวเบนแสงโดยประมาณนั้นใช้หลักการของ Huygens-Fresnel สำหรับการพิจารณาเชิงคุณภาพของกรณีการเลี้ยวเบนแสงที่ง่ายที่สุด การสร้างโซน Fresnel สามารถนำมาใช้ได้ เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดแสงส่องผ่านรูกลมเล็กๆ ในตะแกรงทึบแสงหรือรอบๆ หน้าจอทึบแสงแบบกลม จะสังเกตเห็นขอบการเลี้ยวเบนในรูปของวงกลมที่มีจุดศูนย์กลาง

หากหลุมเปิดโซนจำนวนคู่ไว้ จะได้จุดมืดที่กึ่งกลางของรูปแบบการเลี้ยวเบน หากจำนวนโซนเป็นเลขคี่ จะได้จุดสว่าง ในใจกลางของเงาจากหน้าจอกลมที่ครอบคลุมโซน Fresnel จำนวนไม่มากจนเกินไป จะได้จุดสว่าง หลักการของ Huygens-Fresnel ทำให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนและให้วิธีการคำนวณเชิงปริมาณได้

การเลี้ยวเบนมีสองกรณี หากสิ่งกีดขวางที่เกิดการเลี้ยวเบนใกล้กับแหล่งกำเนิดแสงหรือหน้าจอที่ใช้สังเกตการณ์ แสดงว่าด้านหน้าของเหตุการณ์หรือคลื่นเลี้ยวเบนมีพื้นผิวโค้ง กรณีนี้เรียกว่า Fresnel diffraction หรือการเลี้ยวเบนของรังสีที่แตกต่างกัน กล่าวคือ โดยที่ b คือขนาดของรู z คือระยะห่างของจุดสังเกตจากหน้าจอ l คือความยาวคลื่น (Fresnel diffraction) และการเลี้ยวเบนของแสงแบบขนาน รังสีซึ่งในหลุมนั้นเล็กกว่ามาก โซน Fresnel เช่น (การเลี้ยวเบน Fraunhofer)

ในกรณีหลังนี้ เมื่อลำแสงคู่ขนานตกกระทบบนรู ลำแสงจะกลายเป็นไดเวอร์เจนต์ด้วยมุมไดเวอร์เจนซ์ j ~ l/b (ไดเวอร์เจนซ์การเลี้ยวเบน) ได้คลื่นระนาบโดยการย้ายแหล่งกำเนิดแสงและจุดสังเกตออกจากสิ่งกีดขวางที่ก่อให้เกิดการเลี้ยวเบน หรือโดยการจัดเรียงเลนส์อย่างเหมาะสม

จากมุมมองของแนวคิดเกี่ยวกับทัศนศาสตร์ทางเรขาคณิตเกี่ยวกับการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง ขอบเขตของเงาที่อยู่เบื้องหลังสิ่งกีดขวางทึบแสงนั้นถูกขีดเส้นไว้อย่างชัดเจนโดยรังสีที่ผ่านสิ่งกีดขวางและสัมผัสพื้นผิวของมัน ดังนั้น ปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนจึงอธิบายไม่ได้จากมุมมองของทัศนศาสตร์เรขาคณิต ตามทฤษฎีคลื่นของ Huygens ซึ่งถือว่าแต่ละจุดของสนามคลื่นเป็นแหล่งของคลื่นทุติยภูมิที่แผ่กระจายไปทั่วทุกทิศทุกทาง รวมถึงบริเวณเงาเรขาคณิตของสิ่งกีดขวาง ไม่ชัดเจนเลยว่าทำไมเงาที่เด่นชัดสามารถเกิดขึ้นได้ . อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์ทำให้เราเชื่อมั่นในการมีอยู่ของเงา แต่ไม่ได้กำหนดไว้อย่างเฉียบแหลม ตามทฤษฎีของการแพร่กระจายเป็นเส้นตรงของการอ้างสิทธิ์ของแสง แต่มีขอบที่เบลอ ยิ่งไปกว่านั้น ในบริเวณที่เบลอ ระบบการรบกวนสูงสุดและความสว่างต่ำสุดจะถูกสังเกต

2. การเลี้ยวเบนของช่อง

กรณีของการเลี้ยวเบนของแสงโดยรอยกรีดมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่ง เมื่อรอยแยกส่องสว่างด้วยลำแสงคู่ขนานของแสงสีเดียว จะได้รับชุดของแถบมืดและแถบแสงบนหน้าจอ ความเข้มจะลดลงอย่างรวดเร็ว หากแสงตกกระทบในแนวตั้งฉากกับระนาบรอยแยก ขอบจะถูกจัดเรียงอย่างสมมาตรเทียบกับขอบตรงกลาง และการส่องสว่างจะเปลี่ยนไปตามหน้าจอเป็นระยะด้วย j โดยจะหายไปในมุม j ซึ่งบาป j = m/lb (m = 1, 2, 3 . ....)

ที่ค่ากลาง การส่องสว่างถึงค่าสูงสุด ค่าสูงสุดหลักเกิดขึ้นที่ m = 0 ในขณะที่ sin j = 0, i.e. j = 0 ค่าสูงสุดต่อไปนี้ซึ่งมีขนาดต่ำกว่าค่าหลักอย่างมีนัยสำคัญ สอดคล้องกับค่าของ j ที่กำหนดจากเงื่อนไข: บาป j = 1.43 l/b , 2.46 l/b, 3.47 l/b เป็นต้น เมื่อความกว้างของร่องลดลง แถบสว่างตรงกลางจะขยายออก และสำหรับความกว้างของร่องที่กำหนด ตำแหน่งของค่าต่ำสุดและค่าสูงสุดของช่องจะขึ้นอยู่กับ l กล่าวคือ ยิ่งระยะห่างระหว่างแถบนั้นมากขึ้น l ก็จะยิ่งมากขึ้น

ดังนั้น ในกรณีของแสงสีขาว จะมีชุดของลวดลายที่สอดคล้องกันสำหรับสีต่างๆ ในกรณีนี้ ค่าสูงสุดหลักจะเป็นค่าปกติสำหรับ l ทั้งหมด และจะปรากฏเป็นแถบสีขาว เปลี่ยนเป็นแถบสีโดยสลับสีจากสีม่วงเป็นสีแดง หากมีร่องคู่ขนานที่เหมือนกัน 2 ช่อง ก็จะให้รูปแบบการเลี้ยวเบนที่เหมือนกันซ้อนทับกัน อันเป็นผลมาจากการที่ค่าสูงสุดเพิ่มขึ้นตามลำดับ และนอกจากนี้ยังมีการรบกวนซึ่งกันและกันของคลื่นจากช่องแรกและช่องที่สอง ซึ่งทำให้ซับซ้อนอย่างมาก ภาพ. ส่งผลให้ค่าต่ำสุดจะอยู่ที่เดิมเพราะ เหล่านี้เป็นทิศทางที่ไม่มีรอยแยกใดส่งแสง นอกจากนี้ ทิศทางเป็นไปได้ที่แสงที่ส่งมาจากรอยแยกทั้งสองจะตัดกัน

ดังนั้นค่าต่ำสุดก่อนหน้าจะถูกกำหนดโดยเงื่อนไข: b sin j = l, 2l, 3l, ..., ค่าต่ำสุดเพิ่มเติม d sin j = l/2, 3l/2, 5l/2, ... (d คือ ขนาดของช่องว่าง b ร่วมกับช่องว่างทึบแสง a) ค่าสูงสุดหลัก d sin j = 0,l, 2l, 3l, ..., นั่นคือ มีขั้นต่ำเพิ่มเติมหนึ่งค่าระหว่างค่าสูงสุดหลักสองค่า และค่าสูงสุดจะแคบลง กว่าที่มีหนึ่งกรีด การเพิ่มจำนวนช่องทำให้ปรากฏการณ์นี้ชัดเจนยิ่งขึ้น การเลี้ยวเบนของแสงมีบทบาทสำคัญในการกระเจิงของแสงในตัวกลางที่มีความขุ่น เช่น บนอนุภาคฝุ่น ละอองหมอก เป็นต้น การกระทำของเครื่องมือสเปกตรัมที่มีตะแกรงเลี้ยวเบน (diffraction spectrometers) ขึ้นอยู่กับการเลี้ยวเบนของแสง

การเลี้ยวเบนของแสงกำหนดขีดจำกัดความละเอียดของอุปกรณ์ออปติคัล (กล้องโทรทรรศน์ ไมโครสโคป ฯลฯ) เนื่องจากการเลี้ยวเบนของแสง รูปภาพของแหล่งกำเนิดแสง (เช่น ดาวในกล้องโทรทรรศน์) จึงดูเหมือนวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง lflD โดยที่ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ และ f คือทางยาวโฟกัส ความแตกต่างของรังสีเลเซอร์ยังถูกกำหนดโดยการเลี้ยวเบนของแสงอีกด้วย เพื่อลดความเหลื่อมล้ำของลำแสงเลเซอร์ มันจะถูกแปลงเป็นลำแสงที่กว้างกว่าโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ จากนั้นการเบี่ยงเบนของรังสีจะถูกกำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลาง D ของวัตถุโดยใช้สูตร j ~ l/D

รูปแบบการเลี้ยวเบนที่สังเกตได้บนหน้าจอที่วางอยู่ด้านหลังพาร์ติชั่นช่องเดียวสามารถคำนวณได้ตามหลักการของการซ้อนทับและการรบกวนของคลื่น ปล่อยให้ลำแสงสีเดียวที่มีความยาว λ ตกลงบนร่อง ขนาดของช่องว่าง d เปรียบได้กับ λ: d ~ λ ระยะห่างจากช่องถึงหน้าจอ L >> d. แต่ละจุดของช่องว่างเป็นไปตามหลักการของ Huygens ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นทรงกลมทุติยภูมิ คลื่นเหล่านี้แทรกแซงซึ่งกันและกัน ดังนั้นตำแหน่งที่แท้จริงของหน้าคลื่นที่เกิดคือเปลือกของคลื่นทุติยภูมิ โดยคำนึงถึงการรบกวนด้วย ให้เราพิจารณาการทับซ้อนของคลื่นสองคลื่นดังกล่าวที่มาจากตรงกลางของช่องและจากขอบด้านใดด้านหนึ่ง และคำนวณความแตกต่างระหว่างเส้นทางของคลื่นดังกล่าวที่จุดใดก็ได้บนหน้าจอ จากการพิจารณาทางเรขาคณิตอย่างง่าย โดยคำนึงถึงความเล็กของมุม Θ จะได้ว่าความแตกต่างระหว่างเส้นทางของคลื่นทั้งสองนี้เท่ากับ:

โดยที่ y คือพิกัดของจุดสังเกตบนหน้าจอ การแทรกสอดของคลื่นสองคลื่นจะเป็นอันตรายหากความแตกต่างของเส้นทางเท่ากับจำนวนเต็มของครึ่งคลื่น ม.(λ /2) จากที่นี่ จะพบพิกัดของจุดเหล่านั้นบนหน้าจอที่มีแถบสีเข้มปรากฏขึ้น:

การกระจายความเข้มของแสงในรูปแบบการเลี้ยวเบนมีค่าสูงสุดที่คมชัด ควรสังเกตว่าการวัดตำแหน่งของค่าต่ำสุดทำให้เป็นไปได้ (สำหรับพารามิเตอร์ที่ทราบ d และ L) เพื่อกำหนดความยาวคลื่นของแสง

3. ตะแกรงเลี้ยวเบน

เครื่องมือขั้นสูงสำหรับการวิเคราะห์สเปกตรัมของแสงคือตะแกรงเลี้ยวเบน ตะแกรงเลี้ยวเบนคือระบบของช่องร่องจำนวนมากซึ่งมีความกว้างเท่ากันและขนานกัน โดยวางอยู่ในระนาบเดียวกันและคั่นด้วยช่องว่างทึบแสงที่มีความกว้างเท่ากัน ตะแกรงเลี้ยวเบนทำโดยใช้จังหวะขนานกับพื้นผิวกระจกโดยใช้เครื่องแบ่ง สถานที่ที่ตรวจสอบโดยเครื่องแบ่งจะกระจายแสงไปในทุกทิศทาง และทำให้ช่องว่างทึบแสงระหว่างส่วนที่ไม่บุบสลายของจาน ซึ่งทำหน้าที่เหมือนรอยกรีด

จำนวนจังหวะต่อ 1 มม. ถูกกำหนดโดยขอบเขตของสเปกตรัมของรังสีที่ศึกษา - จาก 300 1/mm (ในพื้นที่อินฟราเรด) ถึง 1200 1/mm (ในรังสีอัลตราไวโอเลต) อุปกรณ์นี้มีสองประเภท: แบบส่งผ่าน (ช่องโปร่งสลับกับช่องว่างทึบแสง) และแบบสะท้อนแสง (บริเวณที่สะท้อนแสงสลับกับบริเวณที่กระจายแสง) ในทั้งสองกรณี มีรอยกรีดหรือแถบกระจายแสงจำนวนมากบนพื้นผิว โดยมีจำนวนสโตรกถึง 10 3 ต่อ 1 มม. และจำนวนสโตรกทั้งหมด ~ 10 5 . ระยะห่างระหว่างช่องกรีดสองช่องที่อยู่ติดกันเรียกว่าช่วงตะแกรง คลื่นสองคลื่นที่มาจากขอบของช่องที่อยู่ติดกันสองช่องรบกวนอย่างสร้างสรรค์หาก:

เป็นที่ชัดเจนว่าในกรณีนี้คลื่นจากรอยแยกทั้งหมดจะขยายซึ่งกันและกัน (ความแตกต่างของเส้นทางที่กำหนดโดยจุดที่แยกออกจากกันด้วยจำนวนเต็มของช่วงเวลาตะแกรงไม่เป็นการละเมิดเงื่อนไขของการรบกวนเชิงสร้างสรรค์) และหลังจากเน้นทั้งหมด รังสีที่มีเลนส์ maxima จะปรากฏบนความเข้มของหน้าจอ ดังนั้น สูตรก่อนหน้านี้จึงกำหนดตำแหน่งของจุดสูงสุดของรูปแบบการเลี้ยวเบนที่เกิดจากตะแกรงเลี้ยวเบน ตำแหน่งของ maxima ทั้งหมด ยกเว้นค่าสูงสุดหลักที่สอดคล้องกับ m = 0 ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ดังนั้น หากแสงสีขาวตกกระทบบนตะแกรง มันก็จะสลายตัวเป็นสเปกตรัม การใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนทำให้สามารถวัดความยาวคลื่นได้อย่างแม่นยำมาก เนื่องจากการกรีดจำนวนมาก พื้นที่ของความเข้มสูงสุดจะแคบลง กลายเป็นแถบสว่างบางๆ และระยะห่างระหว่างจุดสูงสุด (ความกว้างของแถบมืด) ) เพิ่ม.

ตะแกรงเลี้ยวเบนแสงสะท้อนแสงมีคุณภาพดีที่สุด พวกมันเป็นพื้นที่สลับกันที่เล็กมากจนเมื่อสะท้อนแสง พวกมันจะกระจัดกระจายเนื่องจากการเลี้ยวเบน ดังนั้นลำแสงจึงถูกแบ่งออกเป็นลำแสงที่ต่อเนื่องกันจำนวนมาก

หากความกว้างของส่วนที่โปร่งใสคือ a และความกว้างของช่องว่างทึบแสงคือ b ค่า d=a+b จะเรียกว่าช่วงตะแกรง หากแสงที่มีความยาวคลื่น l ตกบนตะแกรงตามปกติ (ในแนวตั้งฉาก) กับพื้นผิว จากนั้นจากรูปที่ 1 รังสีที่กระจัดกระจายเป็นมุม j ไปยังทิศทางเดิมจากตำแหน่งที่สอดคล้องกันของแต่ละช่องจะมีความแตกต่างของเส้นทาง dsinj (รังสี I และ II) , 2dsinj (รังสี I และ III) เป็นต้น

คลื่นจะเสริมกำลังซึ่งกันและกันในระหว่างการแทรกสอด ถ้าความแตกต่างของเส้นทางนี้เท่ากับจำนวนคลื่นที่เป็นจำนวนเต็ม มุมที่สังเกตค่าสูงสุดจะพบได้จากความสัมพันธ์

K = 0, ±1, ±2, ±3… (1)

ค่าสูงสุดของลำแสงตกกระทบทั้งสองด้านจะสังเกตพบ และค่าสูงสุดของจุดศูนย์กลาง (k=0) จะสังเกตได้ในทิศทางของลำแสงตกกระทบ

พื้นผิวกระจกของแผ่นซีดีเลเซอร์เป็นรางเกลียวที่มีระยะพิทช์เท่ากับความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ บนพื้นผิวที่มีระเบียบและมีโครงสร้างที่ละเอียดเช่นนี้ ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนและการแทรกสอดจะปรากฎขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในแสงสะท้อน ซึ่งเป็นสาเหตุของสีรุ้งของแสงสะท้อนที่สร้างขึ้น ลำแสงเลเซอร์ใช้พื้นที่ขนาดเล็กบนแผ่นซีดีซึ่งพื้นที่นี้ถือได้ว่าเป็นตะแกรงเลี้ยวเบนมิติเดียว

โครงร่างของอุปกรณ์ (อุปกรณ์หมายเลข 1) สำหรับการสังเกตการเลี้ยวเบนของแสงบนแผ่นซีดีที่เล่นบทบาทของตะแกรงการเลี้ยวเบนสะท้อนแสงแสดงในรูปที่ 2 ที่นี่: 1 - แหล่งกำเนิดแสง - พวงกุญแจเลเซอร์ที่ติดตั้งบน แท่งหมุน 2 - ตะแกรงสะท้อนแสง - แผ่นซีดี 3 - ที่หนีบสำหรับยึดการเตรียม 4 - ไม้โปรแทรกเตอร์สำหรับวัดมุมของการเลี้ยวเบน 5 - ไม้โปรแทรกเตอร์สำหรับวัดมุมตกกระทบของลำแสง , 6 - แคลมป์สำหรับติดโพลารอยด์

4. หลักการของ Huygens-Fresnel

ลักษณะพิเศษของเอฟเฟกต์การเลี้ยวเบนคือรูปแบบการเลี้ยวเบนที่แต่ละจุดในอวกาศเป็นผลมาจากการรบกวนของรังสีจากแหล่งกำเนิดไฮเกนส์ทุติยภูมิจำนวนมาก คำอธิบายของเอฟเฟกต์เหล่านี้ดำเนินการโดย Fresnel และถูกเรียกว่าหลักการของ Huygens-Fresnel

สาระสำคัญของหลักการ Huygens-Fresnel สามารถแสดงในรูปแบบของบทบัญญัติหลายประการ:

1) พื้นผิวคลื่นทั้งหมดตื่นเต้นโดยแหล่งกำเนิด S 0 ของพื้นที่ S บางส่วนสามารถแบ่งออกเป็นส่วนเล็ก ๆ ที่มีพื้นที่เท่ากัน dS ซึ่งจะเป็นระบบของแหล่งกำเนิดทุติยภูมิที่ปล่อยคลื่นทุติยภูมิ

2) แหล่งทุติยภูมิเหล่านี้ซึ่งเทียบเท่ากับแหล่งหลักเดียวกัน S 0 นั้นเชื่อมโยงกัน ดังนั้นคลื่นที่แพร่กระจายจากแหล่งกำเนิด S 0 ณ จุดใด ๆ ในอวกาศจะต้องเป็นผลมาจากการรบกวนของคลื่นทุติยภูมิทั้งหมด

3) พลังงานรังสีของแหล่งกำเนิดทุติยภูมิทั้งหมด - ส่วนของพื้นผิวคลื่นที่มีพื้นที่เดียวกัน - เท่ากัน

4) แหล่งกำเนิดทุติยภูมิแต่ละแหล่ง (ที่มีพื้นที่ dS) แผ่กระจายออกไปส่วนใหญ่ในทิศทางของเส้นปกติภายนอก n ไปยังผิวคลื่น ณ จุดนี้ แอมพลิจูดของคลื่นทุติยภูมิในทิศทางที่ประกอบเป็นมุมที่มี n ยิ่งเล็ก มุม a ยิ่งใหญ่ และเท่ากับศูนย์

5) แอมพลิจูดของคลื่นทุติยภูมิที่ถึงจุดที่กำหนดในอวกาศขึ้นอยู่กับระยะห่างของแหล่งกำเนิดทุติยภูมิถึงจุดนี้: กว่า ระยะทางมากขึ้น, แอมพลิจูดที่เล็กกว่า;

6) เมื่อส่วนหนึ่งของพื้นผิวคลื่น S ถูกปกคลุมด้วยหน้าจอทึบแสง คลื่นทุติยภูมิจะถูกปล่อยออกมาโดยพื้นที่เปิดของพื้นผิวนี้เท่านั้น ในกรณีนี้ ส่วนของคลื่นแสงที่ปกคลุมด้วยหน้าจอทึบแสงจะไม่ทำงานเลย และพื้นที่เปิดโล่งของคลื่นจะทำหน้าที่เสมือนว่าไม่มีหน้าจอเลย

5. วิธีการเฟรสโซน

การเลี้ยวเบนของเฟรสเนลมีบทบาทสำคัญในทฤษฎีคลื่นเพราะ ตรงกันข้ามกับหลักการ Huygens และบนพื้นฐานของหลักการ Huygens-Fresnel อธิบายการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรงในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งปราศจากสิ่งกีดขวาง ในการแสดงสิ่งนี้ ให้พิจารณาการกระทำของคลื่นแสงทรงกลมจากแหล่งกำเนิดของจุด s0 ที่จุดใดก็ได้ในอวกาศ Р พื้นผิวคลื่นของคลื่นนั้นสมมาตรเมื่อเทียบกับเส้นตรง S0P แอมพลิจูดของคลื่นที่ต้องการที่จุด P ขึ้นอยู่กับผลของการรบกวนของคลื่นทุติยภูมิที่ปล่อยออกมาจากทุกส่วน dS ของพื้นผิว S แอมพลิจูดและเฟสเริ่มต้นของคลื่นทุติยภูมิขึ้นอยู่กับตำแหน่งของแหล่งกำเนิดที่สอดคล้องกัน dS ด้วย นับถือประเด็น ป.

การใช้ประโยชน์จากความสมมาตรของปัญหา Fresnel เสนอวิธีการดั้งเดิมในการแบ่งพื้นผิวคลื่นออกเป็นโซน (วิธีการของโซน Fresnel) ตามวิธีนี้ พื้นผิวคลื่นแบ่งออกเป็นโซนวงแหวนที่สร้างขึ้นเพื่อให้ระยะห่างจากขอบของแต่ละโซนถึงจุด P แตกต่างกัน (ความยาวของคลื่นแสงในตัวกลางที่คลื่นแพร่กระจาย) หากเราแสดงด้วย r0 ระยะทางจากด้านบนของพื้นผิวคลื่น O ถึงจุด P ดังนั้นระยะทาง r 0 + k จะสร้างขอบเขตของโซนทั้งหมด โดยที่ k คือหมายเลขโซน การสั่นที่มาถึงจุด P จากจุดที่คล้ายกัน - โซนที่อยู่ติดกันสองโซนนั้นอยู่ตรงข้ามกันในเฟส เนื่องจากความแตกต่างของเส้นทางจากโซนเหล่านี้ไปยังจุด P นั้นเท่ากัน ดังนั้น เมื่อซ้อนทับกัน การสั่นเหล่านี้จะลดทอนซึ่งกันและกัน และแอมพลิจูดที่ได้จะแสดงโดยผลรวม:

A \u003d A 1 -A 2 + A 3 -A 4 + ....

ขนาดของแอมพลิจูด a k ขึ้นอยู่กับพื้นที่ของโซน -th และมุมระหว่างเส้นปกติด้านนอกกับพื้นผิวของโซนที่จุดใดจุดหนึ่งและเส้นตรงที่ชี้จากจุดนี้ไปยังจุด P ได้ แสดงว่าพื้นที่โซนที่ - ไม่ได้ขึ้นอยู่กับจำนวนโซนในเงื่อนไข ดังนั้น ในการประมาณการที่พิจารณา พื้นที่ของโซนเฟรสทั้งหมดจะเท่ากัน และกำลังการแผ่รังสีของโซนเฟรสเนลทั้งหมด - แหล่งทุติยภูมิ - จะเท่ากัน ในขณะเดียวกัน เมื่อ k เพิ่มขึ้น มุมระหว่างเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวและทิศทางถึงจุด P จะเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ความเข้มของการแผ่รังสีลดลง โซนที่ kในทิศทางนี้ กล่าวคือ เพื่อลดแอมพลิจูด A k เมื่อเปรียบเทียบกับแอมพลิจูดของโซนก่อนหน้า แอมพลิจูด A kก็ลดลงเช่นกันเนื่องจาก - ระยะห่างจากโซนถึงจุด P เพิ่มขึ้นด้วยการเพิ่ม k ในท้ายที่สุด

A 1 > A 2 > A 3 > A 4 > ... > A k >….

เนื่องจากมีโซนจำนวนมาก การลดลงของ Ak จึงเป็นแบบโมโนโทนิก และเราสามารถสันนิษฐานได้ว่าเมื่อพิจารณาถึงแอมพลิจูดขนาดเล็กของโซนระยะไกล นิพจน์ทั้งหมดในวงเล็บจะเท่ากับศูนย์ ผลลัพธ์ที่ได้หมายความว่าการสั่นที่เกิดจากพื้นผิวคลื่นทรงกลมที่จุด P มีแอมพลิจูดเท่ากัน เหมือนกับว่ามีเพียงครึ่งเดียวของโซนเฟรสเนลกลางที่ทำงานอยู่ ดังนั้น แสงจากแหล่งกำเนิด S 0 ไปยังจุด P จะแพร่กระจายภายในช่องทางตรงที่แคบมาก เช่น ตรงไปตรงมา เราได้ข้อสรุปว่าจากปรากฏการณ์ของการรบกวน การกระทำของทุกโซนจะถูกทำลาย ยกเว้นโซนแรก

6. Fraunhofer การเลี้ยวเบนของช่องเดียว

ในทางปฏิบัติสล็อตจะแสดงด้วยรูสี่เหลี่ยมซึ่งมีความยาวมากกว่าความกว้างมาก ในกรณีนี้ แสงจะกระจายไปทางขวาและทางซ้ายของช่องกรีด หากเราสังเกตภาพของแหล่งกำเนิดในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางของกำเนิดของรอยแยก เราสามารถจำกัดตัวเองให้พิจารณารูปแบบการเลี้ยวเบนในมิติเดียว (ตาม x) หากคลื่นตกลงไปที่ระนาบของร่องโดยปกติ ตามหลักการของ Huygens-Fresnel จุดของช่องเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นทุติยภูมิที่สั่นในเฟสเดียว เนื่องจากระนาบของช่องเกิดขึ้นพร้อมกับด้านหน้าของคลื่นตกกระทบ ให้เราแบ่งพื้นที่ของช่องออกเป็นแถบแคบ ๆ ที่มีความกว้างเท่ากันจำนวนหนึ่งขนานกับตัวกำเนิดของช่อง เฟสของคลื่นจากแถบต่าง ๆ ในระยะทางเดียวกันโดยอาศัยอำนาจตามที่กล่าวมานั้นเท่ากันแอมพลิจูดก็เท่ากันเพราะ องค์ประกอบที่เลือกมีพื้นที่เท่ากันและมีความโน้มเอียงเท่ากันกับทิศทางการสังเกต

หากสังเกตกฎการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรงในระหว่างที่แสงผ่านช่องผ่า (จะไม่มีการเลี้ยวเบน) จากนั้นบนหน้าจอ E ซึ่งติดตั้งในระนาบโฟกัสของเลนส์ L 2 ภาพของช่องจะเป็น ได้รับ ดังนั้น ทิศทาง = 0 กำหนดคลื่นที่ไม่หักเหที่มีแอมพลิจูดเป็น 0 เท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นที่ส่งผ่านช่องผ่าทั้งหมด

เนื่องจากการเลี้ยวเบนของแสง รังสีของแสงจึงเบี่ยงเบนจากการแพร่กระจายเป็นเส้นตรงที่มุม ส่วนเบี่ยงเบนไปทางขวาและซ้ายมีความสมมาตรเกี่ยวกับเส้นกึ่งกลาง OS0 (รูปที่ 8.5, C และ C) ในการค้นหาการกระทำของช่องทั้งหมดในทิศทางที่กำหนดโดยมุม จำเป็นต้องคำนึงถึงความแตกต่างของเฟสที่แสดงลักษณะของคลื่นที่ไปถึงจุดสังเกต C จากแถบต่างๆ (โซนเฟรสเนล) เนื่องจาก ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น รังสีคู่ขนานทั้งหมดที่ตกกระทบบนเลนส์ในมุมหนึ่งกับแกนแสง OS0 ซึ่งตั้งฉากกับด้านหน้าของคลื่นตกกระทบ จะถูกรวบรวมไว้ที่โฟกัสด้านข้างของเลนส์ C ให้เราวาดระนาบ FD ในแนวตั้งฉากกับทิศทางของรังสีที่กระจายตัวและแสดงด้านหน้าของคลื่นลูกใหม่

เนื่องจากเลนส์ไม่ได้ทำให้เกิดความแตกต่างเพิ่มเติมในเส้นทางของรังสี เส้นทางของรังสีทั้งหมดจากระนาบ FD ไปยังจุด C จึงเหมือนกัน ดังนั้น ความแตกต่างของเส้นทางทั้งหมดของรังสีจาก slit FE จึงถูกกำหนดโดยเซ็กเมนต์ ED ให้เราวาดระนาบขนานกับพื้นผิวคลื่น FD ในลักษณะที่แบ่งส่วน ED ออกเป็นหลายส่วน โดยแต่ละส่วนมีความยาว /2 เครื่องบินเหล่านี้จะแบ่งช่องเป็นแถบดังกล่าว - โซน Fresnel และความแตกต่างของเส้นทางจากโซนใกล้เคียงจะเท่ากันตามวิธี Fresnel จากนั้นผลลัพธ์ของการเลี้ยวเบนที่จุด C จะถูกกำหนดโดยจำนวนโซนเฟรสเนลที่พอดีกับช่อง: หากจำนวนโซนเป็นคู่ (z = 2k) ที่จุด C จะเกิดการเลี้ยวเบนขั้นต่ำหาก z เป็นเลขคี่ (z = 2k + 1) ที่จุด C - การเลี้ยวเบนสูงสุด .

จำนวนโซน Fresnel ที่พอดีกับช่อง FE จะกำหนดโดยจำนวนครั้งที่ ED อยู่ในส่วนนั้น กล่าวคือ z = 0 ส่วน ED ซึ่งแสดงในแง่ของความกว้างของร่องและมุมเลี้ยวเบน จะถูกเขียนเป็น ED = 0 ด้วยเหตุนี้ เราจึงได้เงื่อนไขสำหรับตำแหน่งของค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบน โดยที่ k - 1,2 ,3 .. เป็นจำนวนเต็ม ค่า k ซึ่งใช้ค่าของตัวเลขของอนุกรมธรรมชาติ เรียกว่า ลำดับของการเลี้ยวเบนสูงสุด เครื่องหมาย + และ - ในสูตรสอดคล้องกับรังสีของแสงที่เลี้ยวเบนจากช่องที่มุม + และ - และมาบรรจบกันที่จุดโฟกัสด้านข้างของเลนส์ L2: C และ C ซึ่งมีความสมมาตรเมื่อเทียบกับโฟกัสหลัก C 0 . ในทิศทาง = 0 จะสังเกตเห็นค่าสูงสุดของศูนย์ลำดับศูนย์ที่รุนแรงที่สุดตั้งแต่ การแกว่งจากโซน Fresnel ทั้งหมดมาที่จุด С0 ในเฟสเดียว

ตำแหน่งของศูนย์กลางสูงสุด (= 0) ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติของความยาวคลื่นทั้งหมด ดังนั้น ในกรณีของแสงสีขาว ศูนย์กลางของรูปแบบการเลี้ยวเบนจะปรากฏเป็นแถบสีขาว เป็นที่ชัดเจนว่าตำแหน่งของ maxima และ minima ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ดังนั้นการสลับแถบมืดและแถบแสงอย่างง่ายจึงเกิดขึ้นเฉพาะในแสงสีเดียว ในกรณีของแสงสีขาว รูปแบบการเลี้ยวเบนของความยาวคลื่นที่แตกต่างกันจะเปลี่ยนไปตามความยาวคลื่น ค่าสูงสุดของสีขาวตรงกลางจะมีสีรุ้งอยู่ที่ขอบเท่านั้น (โซน Fresnel หนึ่งโซนพอดีกับความกว้างของร่อง)

สูงสุดด้านข้างสำหรับความยาวคลื่นที่แตกต่างกันไม่ตรงกันอีกต่อไป ใกล้กับศูนย์กลางคือจุดสูงสุดที่สอดคล้องกับคลื่นที่สั้นกว่า คลื่นยาวสูงสุดอยู่ห่างจากคลื่นสูงสุดคลื่นสั้น ดังนั้น ค่าการเลี้ยวเบนสูงสุดคือสเปกตรัมโดยส่วนสีม่วงหันไปทางศูนย์กลาง การดับของแสงโดยสมบูรณ์จะไม่เกิดขึ้นที่จุดใดๆ ของหน้าจอ เนื่องจากค่าสูงสุดของแสงและค่าต่ำสุดจะทับซ้อนกับค่าที่ต่างกัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์)

อวกาศและเวลาเป็นหนึ่งเดียวกัน มีความเชื่อมโยงระหว่างมวลและพลังงาน - ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ซึ่งเปลี่ยนแนวคิดที่ยอมรับกันโดยทั่วไปเกี่ยวกับโลกเมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมา ยังคงปลุกเร้าจิตใจและจิตใจของผู้คนอย่างต่อเนื่อง

ในปี ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (STR) ซึ่งอธิบายวิธีตีความการเคลื่อนที่ระหว่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ พูดง่ายๆ ก็คือ วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่สัมพันธ์กัน

ไอน์สไตน์อธิบายว่าเมื่อวัตถุสองชิ้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ วัตถุหนึ่งควรพิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้นสัมพันธ์กัน แทนที่จะพิจารณาว่าวัตถุใดวัตถุหนึ่งเป็นกรอบอ้างอิงที่แน่นอน

ดังนั้น หากนักบินอวกาศสองคน คุณและเฮอร์แมน กำลังบินยานอวกาศสองลำ และต้องการเปรียบเทียบการสังเกตของคุณ สิ่งเดียวที่คุณต้องรู้คือความเร็วของคุณสัมพันธ์กัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษพิจารณากรณีพิเศษเพียงกรณีเดียว (จึงเป็นชื่อ) เมื่อการเคลื่อนที่เป็นแนวตรงและสม่ำเสมอ

หากตัววัสดุเร่งความเร็วหรือหันไปทางด้านข้าง กฎหมาย รฟท. จะไม่มีผลบังคับใช้อีกต่อไป จากนั้นจึงใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ซึ่งอธิบายการเคลื่อนไหว ร่างกายวัสดุโดยทั่วไป

ทฤษฏีของไอน์สไตน์มีหลักการอยู่ 2 ประการคือ

1. หลักการสัมพัทธภาพ: กฎทางกายภาพได้รับการอนุรักษ์ไว้แม้กระทั่งสำหรับวัตถุที่เป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อย กล่าวคือ เดินหน้าต่อไป ความเร็วคงที่สัมพันธ์กัน.

2. หลักการของความเร็วแสง: ความเร็วของแสงยังคงเท่าเดิมสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคน โดยไม่คำนึงถึงความเร็วของพวกเขาเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสง (นักฟิสิกส์เรียกความเร็วแสงว่า c.)

เหตุผลหนึ่งที่ทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ประสบความสำเร็จคือเขานำข้อมูลการทดลองมาไว้ข้างหน้าข้อมูลทางทฤษฎี เมื่อการทดลองหลายครั้งแสดงผลที่ขัดแย้งกับทฤษฎีที่ยอมรับกันโดยทั่วไป นักฟิสิกส์หลายคนตัดสินใจว่าการทดลองเหล่านี้ผิดพลาด

Albert Einstein เป็นหนึ่งในคนแรกที่ตัดสินใจสร้าง ทฤษฎีใหม่ตามข้อมูลการทดลองใหม่

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์กำลังค้นหาอีเธอร์ลึกลับซึ่งเป็นสื่อตามสมมติฐานที่ยอมรับกันโดยทั่วไปคลื่นแสงควรแพร่กระจายเช่นคลื่นอะคูสติกสำหรับการแพร่กระจายที่ต้องการอากาศหรือสื่ออื่น - ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ

ความเชื่อในการมีอยู่ของอีเธอร์นำไปสู่ความเชื่อที่ว่าความเร็วของแสงจะต้องเปลี่ยนตามความเร็วของผู้สังเกตเมื่อเทียบกับอีเธอร์

Albert Einstein ละทิ้งแนวคิดเรื่องอีเธอร์และสันนิษฐานว่ากฎทางกายภาพทั้งหมด รวมทั้งความเร็วของแสง ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยไม่คำนึงถึงความเร็วของผู้สังเกต - ตามที่การทดลองแสดงให้เห็น

การตรวจสอบการรบกวนของแสงและการกำหนดความยาวคลื่นของรังสีที่ใช้

แนวปฏิบัติสำหรับงานห้องปฏิบัติการ

PENZA 2007

วัตถุประสงค์- ศึกษาวิธีการสังเกตรูปแบบการรบกวนและการวัดค่าพารามิเตอร์ การกำหนดความยาวคลื่นของรังสีที่ใช้

เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม

1. ม้านั่งออปติคอล

3. เฟรสไบปริซึม

5. หน้าจอสะท้อนแสง

วิธีการรับรูปแบบการรบกวน

จากประสบการณ์เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าหากแสงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งตกกระทบบนพื้นผิวที่แน่นอน (เช่น จากหลอดไส้สองหลอด) การส่องสว่างของพื้นผิวนี้คือผลรวมของการส่องสว่างที่สร้างโดยแหล่งกำเนิดแต่ละแหล่งแยกจากกัน การส่องสว่างของพื้นผิวถูกกำหนดโดยค่าของฟลักซ์การส่องสว่างต่อหน่วยพื้นที่ ดังนั้น กรณีที่ฟลักซ์การส่องสว่างรวมที่ตกกระทบบนองค์ประกอบใดๆ ของพื้นผิวนั้น เท่ากับผลรวมของฟลักซ์จากแต่ละองค์ประกอบ แหล่งที่มา การสังเกตดังกล่าวนำไปสู่การค้นพบกฎความเป็นอิสระของลำแสง

อย่างไรก็ตาม สถานการณ์จะเปลี่ยนแปลงไปโดยพื้นฐาน หากพื้นผิวส่องสว่างด้วยคลื่นแสงสองคลื่นที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดจุดเดียวกัน แต่เดินทางบนเส้นทางที่แตกต่างกันไปยังจุดนัดพบ ในกรณีนี้ ตามประสบการณ์ที่แสดง แต่ละส่วนของพื้นผิวจะสว่างน้อยมาก คลื่นแสงซ้อนทับดับกันและกัน การส่องสว่างของพื้นที่อื่นๆ ที่คลื่นซ้อนทับกันจะเสริมกำลังซึ่งกันและกัน จะเกินการส่องสว่างสองเท่าที่คลื่นลูกใดคลื่นหนึ่งสามารถสร้างได้

ดังนั้นรูปแบบของแสงสูงสุดสลับและต่ำสุดจะถูกสังเกตบนพื้นผิวซึ่งเรียกว่ารูปแบบการรบกวน (รูปที่ 1)

การปรากฏตัวของภาพดังกล่าวเมื่อวางคลื่นแสงทับซ้อนกันเรียกว่าการรบกวนของแสง เงื่อนไขที่จำเป็นการรบกวนของคลื่นคือการเชื่อมโยงกันเช่น ความเท่าเทียมกันของความถี่และความคงตัวของความแตกต่างของเฟสในเวลา แหล่งกำเนิดแสงอิสระ 2 แห่ง เช่น หลอดไฟ 2 ดวง ทำให้เกิดคลื่นที่ไม่ต่อเนื่องกันและไม่ก่อให้เกิดรูปแบบการรบกวน มีหลายวิธีในการสร้างคลื่นที่สอดคล้องกันและสังเกตการรบกวนของแสง ลองพิจารณาบางส่วนของพวกเขา

1.1. วิธีการของหนุ่มๆ

การทดลองครั้งแรกที่ทำให้การวิเคราะห์เชิงปริมาณของปรากฏการณ์การรบกวนเป็นไปได้คือการทดลองของ Young ซึ่งจัดทำขึ้นในปี 1802

ลองนึกภาพแหล่งกำเนิดแสงสีเดียวที่มีขนาดเล็กมาก o (รูปที่ 2) ซึ่งให้แสงสองรูที่มีระยะห่างเท่ากันและเล็กเท่ากันในหน้าจอ แต่.

ตามหลักการของ Huygens หลุมเหล่านี้ถือได้ว่าเป็นแหล่งคลื่นทรงกลมทุติยภูมิที่เป็นอิสระ หากจุดและอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดแสง S เท่ากัน เฟสของการแกว่งที่จุดเหล่านี้จะเท่ากัน (คลื่นจะเชื่อมโยงกัน) และ ณ จุดใดจุดหนึ่ง Rหน้าจอที่สอง ที่ที่คลื่นแสงจะมาจากไหน และ ความต่างเฟสของการแกว่งซ้อนทับกันจะขึ้นอยู่กับความแตกต่าง ซึ่งเรียกว่าความแตกต่างของเส้นทาง

ด้วยความแตกต่างของเส้นทางเท่ากับจำนวนครึ่งคลื่นเท่ากัน เฟสของการแกว่งจะต่างกันเป็นทวีคูณของ 2π และคลื่นแสง เมื่อซ้อนทับที่จุดหนึ่ง Rจะเสริมกำลังกันระยะเวลา Rหน้าจอจะสว่างกว่าจุดที่อยู่ใกล้เคียงเป็นเส้นตรง หรือ.

เงื่อนไขของการส่องสว่างสูงสุดของจุด P สามารถเขียนได้ดังนี้:

ที่ไหน ถึง=1,2,3,4…

หากความแตกต่างของเส้นทางเท่ากับจำนวนครึ่งคลื่นคี่ จากนั้นที่จุด Rความผันผวนที่แพร่กระจายจากและจะหักล้างซึ่งกันและกัน และจุดนี้จะไม่สว่าง เงื่อนไขการส่องสว่างขั้นต่ำของจุด

จุดเดียวกันบนหน้าจอ ที่, ความแตกต่างของเส้นทางที่ตรงตามเงื่อนไข

จะสว่างขึ้น แต่การส่องสว่างจะน้อยกว่าค่าสูงสุด ดังนั้น รูปแบบการรบกวนที่สังเกตได้บนหน้าจอจึงเป็นระบบของแถบคาด ซึ่งภายในนั้นการส่องสว่างจะเปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่นตามกฎไซน์เมื่อเคลื่อนจากแถบสีอ่อนไปเป็นแถบสีเข้ม

สำหรับจุด อู๋หน้าจอเท่ากันจากแหล่งกำเนิด และ , ความแตกต่างในเส้นทางของรังสีและมีค่าเท่ากับศูนย์เช่น เนื่องจากการรบกวน จุดนี้จะมีแสงสว่างมากที่สุด (สูงสุดเป็นศูนย์)

ให้เรากำหนดระยะทางไปยังจุดที่จะสังเกตค่าสูงสุดของการรบกวนต่อไปนี้เช่น กำหนด .

จากสามเหลี่ยมมุมฉากและเรามี (ตามทฤษฎีบทพีทาโกรัส):

ลบเทอมด้วยเทอมเราจะได้

ให้เราเขียนความเท่าเทียมกันนี้ใหม่ในรูปแบบ

สมมติว่าระยะห่างระหว่างแหล่งที่มาน้อยกว่าระยะห่างจากแหล่งที่มาไปยังหน้าจอมาก เราสามารถสรุปได้ว่า

จากนั้นความเท่าเทียมกัน (5) ใช้รูปแบบ

ในทางกลับกันแล้วที่ไหน

และสุดท้าย ระยะทางไปยังจุดที่สังเกตค่าสูงสุดสามารถหาได้จากเงื่อนไข (1) และ (8)

จาก (9)

ดังนั้น เส้นที่ส่องสว่างสูงสุดเส้นแรกจะอยู่ที่ระยะห่างโดยเริ่มจากตรงกลางหน้าจอ:

บรรทัดที่สองที่มีการส่องสว่างสูงสุดจะอยู่ที่ระยะทาง

ระยะทางถึงจุดที่สังเกตจุดต่ำสุด (เส้นสีเข้ม) ได้มาจากเงื่อนไข

โดยที่ = 0,1,2,3...

ระยะเวลาของรูปแบบการรบกวนคือ ระยะห่างระหว่างเส้นที่ใกล้ที่สุดของการส่องสว่างเดียวกัน (เช่น สูงสุดหรือต่ำสุด) ดังต่อไปนี้จาก (9) หรือ (10) เท่ากับ

เมื่อหลุมสว่างด้วยแสงสีขาว (หลากสี) แถบสีจะได้รับบนหน้าจอ และไม่มืดและสว่างเหมือนในการทดลองที่อธิบายไว้

1.2. วิธีการของลอยด์

ในรูป 3 แสดงอุปกรณ์รบกวนที่ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงจริง สและกระจกแบน (กระจกของลอยด์) ลำแสงหนึ่งที่มาจากแหล่งกำเนิดแสงสะท้อนจากกระจกและกระทบกับหน้าจอ ลำแสงนี้สามารถแสดงเป็นภาพที่เปล่งออกมาจากภาพเสมือนได้

แหล่งกำเนิดแสงที่เกิดจากกระจก นอกจากนี้รังสีที่มาจากแหล่งกำเนิดแสงโดยตรงกระทบหน้าจอ ส. ในบริเวณหน้าจอที่ลำแสงทั้งสองทับซ้อนกัน กล่าวคือ คลื่นที่เชื่อมโยงกันสองคลื่นซ้อนทับกัน จะสังเกตรูปแบบการรบกวน

1.3. เฟรสไบปริซึม

คลื่นที่ต่อเนื่องกันสามารถชาร์จได้ด้วยความช่วยเหลือของเฟรสไบปริซึม - ปริซึมสองปริซึม (ที่มีมุมหักเหของแสงน้อยมาก) วางซ้อนกันที่ฐาน

รูปที่ 4 แสดงแผนภาพเส้นทางของรังสีในการทดลองนี้

ลำแสงที่แยกจากแหล่งกำเนิดแสง สผ่านปริซึมบนจะถูกหักเหไปที่ฐานและแผ่ออกไปอีกราวกับว่ามาจากจุด - ภาพจินตภาพของจุด การตกกระทบของลำแสงอีกอันบนปริซึมล่างจะหักเหและเบี่ยงขึ้น จุดที่รังสีของลำแสงนี้แยกจากกันยังเป็นภาพจินตภาพของจุดนั้นด้วย ลำแสงทั้งสองซ้อนทับกันและให้รูปแบบการรบกวนบนหน้าจอ ผลของการรบกวนที่แต่ละจุดของหน้าจอ เช่น ที่จุด P ขึ้นอยู่กับความแตกต่างในเส้นทางของรังสีที่ตกกระทบในจุดนี้ กล่าวคือ จากความแตกต่างของระยะทางถึงแหล่งกำเนิดแสงในจินตนาการและ

2. คำอธิบายของการติดตั้ง
และที่มาของสูตรการคำนวณ

ในงานนี้ จะต้องกำหนดความยาวคลื่นของรังสีเอกรงค์ที่ใช้แล้วจากผลการวัดระยะเวลาของรูปแบบการรบกวนที่สังเกตได้ แหล่งกำเนิดรังสีคือเลเซอร์ที่วางร่วมกับหน่วยอื่นๆ ของการตั้งค่าการทดลองบนแท่นออปติคัล (ฟิสิกส์ของการทำงานของเลเซอร์มีอธิบายไว้ในภาคผนวก) โครงร่างแสงของการตั้งค่าแสดงในรูปที่ 5

ลำแสงคู่ขนานที่เกิดจากเลเซอร์ LG, ถูกโฟกัสด้วยเลนส์ L 1และจุดโฟกัสของมันคือแหล่งกำเนิดแสง Fresnel biprism bf. เมื่อพิจารณาว่าระยะห่างจากจุดหนึ่งไปยังสองปริซึมนั้นมากกว่าจุดสว่างบนไบปริซึมมาก กล่าวคือ ความเหลื่อมล้ำของลำแสงที่เล็ดลอดออกมาจากจุดโฟกัสของเลนส์ L 1มีขนาดเล็ก ในการประมาณแรกเราสามารถสรุปได้ว่ารังสีทั้งหมดที่ตกกระทบบนไบปริซึมนั้นขนานกัน จากนั้นรังสีที่ตกกระทบบนลิ่มบนของ biprism จะถูกเบี่ยงลงเป็นมุม

ที่ไหน พี- ดัชนีการหักเหของแสง biprism;

มุมหักเหของการเกิดไบปริซึม

รังสีที่ตกกระทบที่ลิ่มด้านล่างจะเบี่ยงเบนขึ้นไปเป็นมุมเช่นกัน จากไบปริซึมสู่เลนส์ L2ลำแสงกระจายขนานกันสองลำ (คลื่นระนาบสองระนาบ) มุมระหว่างซึ่งเท่ากับ 2 . เลนส์ L2เน้นลำแสงและรูปแบบเหล่านี้ในระนาบโฟกัสของแหล่งกำเนิดสองจุดที่เว้นระยะห่างกันในระยะทาง

ทางยาวโฟกัสของเลนส์อยู่ที่ไหน L2.

โดยคำนึงว่าการดริฟท์และมุมนั้นเล็กมาก ระยะห่างระหว่างแหล่งที่มาสามารถเขียนได้เป็น

คลื่นที่ต่อเนื่องกันที่แพร่กระจายจากแหล่งกำเนิดเหล่านี้ซ้อนทับกันและสร้างรูปแบบการรบกวนบนหน้าจอซึ่งมีการอธิบายระยะเวลาโดยนิพจน์ (11) แทนที่ในนิพจน์นี้

(ซึ่งตามมาจากสูตร (12), (14) และรูปที่ 5) สำหรับงวดที่เราเขียน

จากนี้ไปเราจะได้สูตรการคำนวณ

พารามิเตอร์ที่รวมอยู่ในสูตร (17) ถูกสรุปไว้ในตาราง

ขั้นตอนการทำงาน

1. เสียบสายไฟของแหล่งจ่ายไฟเลเซอร์เข้ากับเต้ารับ เปิดเลเซอร์โดยใช้สวิตช์สลับ "เครือข่าย" ที่แผงด้านหน้าของแหล่งจ่ายไฟ

2. บนม้านั่งแบบออปติคัล โดยการขยับ biprism และเลนส์ (โดยการเคลื่อนย้ายรถเข็น) ให้ตั้งค่าไว้ในตำแหน่งที่รูปแบบการรบกวนที่คล้ายกับรูปที่ 1 จะมองเห็นได้ชัดเจน

3. บนสเกลของแท่นออปติคัล ให้กำหนดระยะห่าง L จากเลนส์ L 1ถึงหน้าจอ อี.

4. ใช้ตารางมาตราส่วนของหน้าจอ กำหนดระยะเวลาของรูปแบบการรบกวน (สำหรับการกำหนดช่วงเวลาที่แม่นยำที่สุด ให้พิจารณาจำนวนแถบแสงที่พอดีกับส่วนที่ 20-30 มม. แล้วแบ่งความยาวของส่วน ตามจำนวนวง)

5. ใช้ข้อมูลในตารางและสูตรการคำนวณ (17) คำนวณความยาวคลื่น

6. การดำเนินการที่ระบุในย่อหน้า 2-5 ทำซ้ำ 3-4 ครั้ง ขยับเลนส์ทุกครั้ง L 1 50-100 มม. จากตำแหน่งเดิม

7. หาค่าเฉลี่ยของความยาวคลื่นที่ได้รับ

ประสบการณ์จำนวน	พี		, ม	L, m	, ม	, ม	sr, m
	1,53
	1,53
	1,53
	1,53

คำถามทดสอบ

1. คลื่นรบกวนคืออะไร?

2. เงื่อนไขสำหรับการปรากฏตัวของรูปแบบการรบกวนคืออะไร?

3. ตั้งชื่อวิธีการเพื่อให้ได้คลื่นแสงที่สอดคล้องกัน

4. เงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของการรบกวนสูงสุดและต่ำสุดคืออะไร?

5. อธิบายว่าระยะเวลาของรูปแบบการรบกวนนั้นขึ้นอยู่กับมุมหักเหของการเกิดไบปริซึมและความยาวคลื่นของแสงอย่างไร

6. จุดประสงค์ของการทำเลเซอร์ในงานนี้คืออะไร?

7. วาดเลย์เอาต์ออปติคัลของการติดตั้งและอธิบายวัตถุประสงค์ขององค์ประกอบ

แอปพลิเคชัน

พื้นฐานทางกายภาพของการทำงานของเลเซอร์

จากการศึกษากลไกของการศึกษาและการดูดกลืนโดยระบบควอนตัม (อะตอมหรือโมเลกุล) เราพบว่าในช่วงเปลี่ยนผ่าน ระบบควอนตัมจากสถานะพลังงานหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนหนึ่งจะถูกปล่อยออกมาหรือดูดซับ (รูปที่ 6)

ในเวลาเดียวกัน มีการพูดคุยถึงกลไกการแผ่รังสีดังกล่าวเท่านั้น ซึ่งอะตอมจะผ่านไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่าได้เองตามธรรมชาติ (โดยธรรมชาติ) กล่าวคือ โดยไม่มีแรงกดจากภายนอก (การแผ่รังสีความร้อน การเรืองแสง ฯลฯ) อย่างไรก็ตาม กลไกการแผ่รังสีนี้ไม่ใช่กลไกเดียวที่เป็นไปได้

A. Einstein ในปี 1917 พบว่าระบบควอนตัมสามารถปล่อยพลังงานควอนตัม (ถ่ายโอนไปยังสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่า) ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ผลกระทบนี้เรียกว่ารังสีเหนี่ยวนำ (กระตุ้น) เป็นกระบวนการที่ผกผันกับกระบวนการดูดกลืนโฟตอนโดยตัวกลาง (ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนเชิงลบ) กล่าวคือ เมื่ออะตอมที่ถูกกระตุ้นได้สัมผัสกับโฟตอนภายนอกอีกตัวหนึ่ง ซึ่งมีพลังงานเท่ากับพลังงานของโฟตอนที่ปล่อยออกมาเองตามธรรมชาติ อะตอมที่ถูกกระตุ้นจะไม่มีระดับพลังงานต่ำลงและปล่อยโฟตอนออกมา ซึ่งจะถูกเพิ่มเข้าไปใน เหตุการณ์ที่หนึ่ง ("รูปที่ 6, b)

การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำมีคุณสมบัติโดดเด่นเหมือนกับการแผ่รังสีปฐมภูมิของสสาร กล่าวคือ เกิดขึ้นพร้อมกันในความถี่ การแพร่กระจายและโพลาไรซ์ตามทิศทาง และสอดคล้องกันตลอดทั้งปริมาตรของสาร ด้วยการปล่อยก๊าซธรรมชาติ โฟตอนมีเฟสและทิศทางที่แตกต่างกัน และความถี่ของพวกมันจะอยู่ในช่วงของค่าที่แน่นอน

สื่อที่รังสีเหนี่ยวนำ (กระตุ้น) เป็นไปได้มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนเชิงลบเนื่องจากฟลักซ์การแผ่รังสีที่ผ่านตัวกลางดังกล่าวจะไม่ลดลง แต่เพิ่มขึ้น สื่อเหล่านี้แตกต่างจากสื่อทั่วไปตรงที่มีอะตอมที่ตื่นเต้นมากกว่าอะตอมที่ไม่ถูกกระตุ้น

ภายใต้สภาวะปกติ การดูดซึมจะมีชัยเหนือการปล่อยก๊าซกระตุ้นเสมอ สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโดยปกติจำนวนอะตอมที่ไม่ถูกกระตุ้นมักจะมากกว่าจำนวนอะตอมที่ถูกกระตุ้น และความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงในทิศทางเดียวหรืออย่างอื่นภายใต้อิทธิพลของโฟตอนภายนอกจะเหมือนกัน ("ดูรูปที่ b, a ).

ความเป็นไปได้ในการสร้างระบบควอนตัมที่สามารถถ่ายโอนพลังงานไปยังคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการพิสูจน์ครั้งแรกในปี 2482 โดยนักฟิสิกส์โซเวียต V.A. Fabrikant ต่อมาในปี 1955 นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต N.G. Basov และ A.M. Prokhorov และนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน L. Townes และ J. Gordon ได้พัฒนาอุปกรณ์ควอนตัมปฏิบัติการเครื่องแรกโดยใช้รังสีเหนี่ยวนำ

อุปกรณ์ที่ใช้การปล่อยก๊าซกระตุ้นสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดการขยายเสียงและในโหมดการสร้าง ดังนั้นจึงเรียกว่าเครื่องขยายสัญญาณควอนตัมหรือเครื่องกำเนิดควอนตัม พวกเขาจะเรียกว่าเลเซอร์สั้น ๆ (ถ้าเป็นการขยายหรือการสร้างแสงที่มองเห็น) และ masers - เมื่อขยาย (หรือสร้าง) รังสีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า (รังสีอินฟราเรด, คลื่นวิทยุ)

ในเลเซอร์ ส่วนประกอบหลักคือ: สารออกฤทธิ์ซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้น แหล่งที่มาของการกระตุ้นอนุภาคของตัวกลางนี้ ("แสงจ้า") และอุปกรณ์ที่ช่วยให้ขยายโฟตอนหิมะถล่มได้

สารต่าง ๆ ถูกใช้เป็นองค์ประกอบการทำงาน (ตัวกลางที่ใช้งาน) ของแอมพลิฟายเออร์ควอนตัมและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทันสมัย ​​ส่วนใหญ่มักจะอยู่ในสถานะของแข็งและก๊าซ

พิจารณาเครื่องกำเนิดควอนตัมประเภทใดประเภทหนึ่งที่ใช้ทับทิมสังเคราะห์ (รูปที่ 7) องค์ประกอบการทำงานคือทรงกระบอก 2 ทำจากทับทิมสีชมพู (สารออกฤทธิ์) ซึ่งตาม องค์ประกอบทางเคมีคือ อะลูมิเนียมออกไซด์ - คอรันดัม ซึ่งอะตอมของอะลูมิเนียมจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมของโครเมียมในปริมาณเล็กน้อย ยิ่งมีโครเมียมสูงเท่าไร ทับทิมก็จะยิ่งมีสีแดงเข้มขึ้นเท่านั้น สีของมันเกิดจากความจริงที่ว่าอะตอมของโครเมียมมีการดูดกลืนแสงในส่วนสีเขียวเหลืองของสเปกตรัม ในกรณีนี้ อะตอมของโครเมียมที่ดูดซับรังสีจะผ่านเข้าสู่สภาวะตื่นเต้น การเปลี่ยนแปลงย้อนกลับมาพร้อมกับการปล่อยโฟตอน

ขนาดของกระบอกสูบอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.1 ถึง 2 ซม. และยาว 2 ถึง 23 ซม. ปลายแบนของมันได้รับการขัดเกลาอย่างระมัดระวังและขนานกันด้วยความแม่นยำสูง พวกเขาเคลือบด้วยเงินเพื่อให้ปลายด้านหนึ่งของทับทิมสะท้อนแสงอย่างสมบูรณ์ (แบบพิเศษ) และอีกด้านหนึ่งเป็นประกายสีเงินไม่หนาแน่นและสะท้อนแสงบางส่วน (โดยปกติการส่งผ่านจาก 10 ถึง 25%)

กระบอกสูบทับทิมล้อมรอบด้วยขดลวดของหลอดไฟแฟลชแบบเกลียว 1 ซึ่งปล่อยรังสีสีเขียวและสีน้ำเงินเป็นหลัก เนื่องจากพลังงานของรังสีนี้ การกระตุ้นจึงเกิดขึ้น มีเพียงโครเมียมไอออนเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในปรากฏการณ์การสร้างแสง

ในรูป รูปที่ 8 แสดงไดอะแกรมแบบง่ายของลักษณะที่ปรากฏของการปล่อยสารกระตุ้นในทับทิม เมื่อผลึกทับทิมถูกฉายรังสีด้วยแสง (จากหลอดไฟ) ที่มีความยาวคลื่น 5600A (สีเขียว) โครเมียมไอออนซึ่งก่อนหน้านี้อยู่ในสถานะพื้นดินที่ระดับพลังงาน 1 ให้ไปที่ระดับพลังงานบน 3 ให้แม่นยำยิ่งขึ้น ถึงระดับนอนในวง 3

ภายในเวลาอันสั้น (แต่ค่อนข้างแน่ชัด) ไอออนเหล่านี้บางส่วนจะกลับสู่ระดับ 1 พร้อมการปล่อย และบางส่วนจะกลับสู่ระดับ 2 ซึ่งเรียกว่า metastable ( R-ระดับ). ในการเปลี่ยนแปลงนี้ การแผ่รังสีจะไม่เกิดขึ้น: โครเมียมไอออนให้พลังงานแก่ผลึกขัดแตะของทับทิม ไอออนจะอยู่ที่ระดับ metastable (ระดับกลาง) เป็นเวลานานกว่าที่ระดับบนซึ่งเป็นผลมาจากการมีประชากรที่มากเกินไป (การผกผันของประชากร) ของ metastable ระดับ 1 สิ่งนี้เรียกว่าการสูบด้วยแสง

หากตอนนี้เราควบคุมการแผ่รังสีที่ทับทิมด้วยความถี่ที่สอดคล้องกับพลังงานของการเปลี่ยนแปลงจากระดับ 2 เป็นระดับ 1 นั่นคือ

จากนั้นการแผ่รังสีนี้จะกระตุ้นไอออนที่อยู่ในระดับ 2 เพื่อให้พลังงานส่วนเกินและไปที่ระดับ 1 การเปลี่ยนแปลงจะมาพร้อมกับการปล่อยโฟตอนที่มีความถี่เดียวกัน

ดังนั้น สัญญาณเริ่มต้นจะถูกขยายหลายครั้งและเกิดการปล่อยเส้นสีแดงแคบเหมือนหิมะถล่ม

โฟตอนที่ไม่เคลื่อนที่ขนานกับแกนตามยาวของคริสตัลจะปล่อยให้คริสตัลไหลผ่านผนังด้านข้างที่โปร่งใส

ด้วยเหตุนี้ลำแสงเอาต์พุตจึงเกิดขึ้นเนื่องจากโฟตอนฟลักซ์ซึ่งผ่านการสะท้อนหลายครั้งจากกระจกหน้าและกระจกหลังของกระบอกสูบทับทิมเมื่อมีกำลังเพียงพอแล้วออกไปทางส่วนปลายนั้นซึ่งมีบางส่วน ความโปร่งใส

ทิศทางที่คมชัดของลำแสงช่วยให้คุณมีสมาธิกับพลังงานในพื้นที่ขนาดเล็กมาก พลังงานพัลส์เลเซอร์อยู่ที่ 1 J และเวลาพัลส์อยู่ที่ 1 μs ดังนั้นกำลังพัลส์จึงอยู่ที่ประมาณ 1,000 วัตต์

หากลำแสงดังกล่าวกระจุกตัวอยู่ที่พื้นที่ 100 ไมโครเมตร พลังงานจำเพาะระหว่างพัลส์จะเท่ากับ 109 W/cm. ด้วยกำลังนี้ วัสดุทนไฟใดๆ ก็ตามจะกลายเป็นไอน้ำ ลำแสงที่เชื่อมโยงกันที่ทรงพลังและแคบมากได้พบการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีการเชื่อมขนาดเล็กและการทำรูในการแพทย์แล้ว - เป็นมีดผ่าตัดในการผ่าตัดตา ("การเชื่อม" เรตินาที่แยกออกมา) เป็นต้น

เลเซอร์แก๊ส

หนึ่งปีหลังจากการก่อตั้งในปี 1960 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน T. Maiman แห่งเลเซอร์ทับทิม เลเซอร์ก๊าซถูกสร้างขึ้นโดยที่สารออกฤทธิ์เป็นส่วนผสมของก๊าซฮีเลียมและนีออนที่ความดันน้อยกว่าบรรยากาศหลายร้อยเท่า ส่วนผสมของแก๊สถูกวางลงในหลอดแก้วหรือหลอดควอทซ์ (รูปที่ 9) ซึ่งมีการคงประจุไฟฟ้าไว้โดยใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกที่ใช้กับอิเล็กโทรดที่บัดกรี E เช่น ไฟฟ้าในก๊าซ

ในเรื่องนี้หลอดเลเซอร์แก๊สมีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยจากหลอดโฆษณานีออนทั่วไป กระจก 3 วางอยู่ที่ปลายท่อระบายแก๊ส (ยาวหลายสิบเซนติเมตร) ทำให้เกิดเครื่องสะท้อนเสียงแบบออปติคัลแบบเดียวกับของเลเซอร์ทับทิม อย่างไรก็ตาม การผกผันของประชากรในเลเซอร์นี้ทำได้ในลักษณะที่แตกต่างจากเลเซอร์โซลิดสเตตที่มีการสูบน้ำด้วยแสงจากหลอดไฟแฟลช

อิเล็กตรอนอิสระซึ่งก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าในก๊าซ ชนกับอะตอมของก๊าซเสริม ในกรณีนี้คือฮีเลียม และถ่ายโอนอะตอมของฮีเลียมไปยังสถานะตื่นเต้น ทำให้พวกมันมีพลังงานจลน์เมื่อกระทบ สภาวะที่ตื่นเต้นนี้สามารถแพร่กระจายได้ อะตอมของฮีเลียมสามารถอยู่ในนั้นได้เป็นเวลานานก่อนที่มันจะผ่านเข้าสู่สถานะพื้นเนื่องจากการปลดปล่อยตัวเอง อันที่จริง การเปลี่ยนแปลงการแผ่รังสีดังกล่าวไม่มีเวลาเกิดขึ้นเลย เนื่องจากอะตอมฮีเลียมยอมให้พลังงานแก่อะตอมนีออนที่ชนกับมัน เป็นผลให้อะตอมของฮีเลียมกลับสู่สถานะเดิมและประชากรผกผันเกิดขึ้นที่ระดับพลังงานของนีออนซึ่งให้การขยายและการสร้างรังสีที่มีความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับแสงสีแดง

พลังงานการแผ่รังสีของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนที่ทำงานในโหมดต่อเนื่องนั้นมีขนาดเล็ก โดยมีค่าเท่ากับสองสามในพันของวัตต์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากตัวกลางที่เป็นก๊าซมีความเป็นเนื้อเดียวกันทางแสงสูง การแผ่รังสีนี้จึงมีทิศทางและความเป็นเอกรงค์สูงมาก รวมทั้งมีความเชื่อมโยงกัน มันง่ายที่จะทำให้รังสีดังกล่าวรบกวนซึ่งใช้ในงานนี้

.

คุณสมบัติของคลื่นของแสงปรากฏในปรากฏการณ์ของการรบกวน สาระสำคัญของหลังอยู่ในความจริงที่ว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการในพื้นที่ที่มีแสงส่องจากแหล่งกำเนิดแสงสองแห่งการเปลี่ยนแปลงการส่องสว่างเป็นระยะ ๆ จะถูกสร้างขึ้นในพื้นที่สังเกต หากแหล่งกำเนิดใด ๆ ดับลงการส่องสว่างในพื้นที่เดียวกันจะเปลี่ยนไป ซ้ำซากจำเจ

ให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่สองคลื่นแพร่กระจายในอวกาศ โดยเวกเตอร์ไฟฟ้าจะขนานกัน:

ที่นี่ r 1 และ r 2 - ระยะทางจากแหล่งกำเนิดคลื่นไปยังจุดที่พิจารณาในอวกาศ ω 1 - ความถี่เชิงมุมของการแกว่ง - ตัวเลขคลื่น

สมมติว่าบริเวณที่สังเกตอยู่ไกลจากแหล่งกำเนิดและมีขนาดเล็ก เราสามารถละเลยการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดตามระยะทางได้ จากนั้นการแกว่งรวมในบางจุดจะอธิบายโดยนิพจน์:

โดยที่เครื่องหมาย Δ หมายถึงความแตกต่างระหว่างปริมาณที่สอดคล้องกัน

เนื่องจากตัวรับแสงเกือบทั้งหมดตอบสนองต่อพลังงานและมีความเฉื่อยอย่างมีนัยสำคัญ การรับรู้ของคลื่นเหล่านี้จะถูกกำหนดโดยค่าเวลาเฉลี่ยของกำลังสองของแอมพลิจูด:

(ในที่นี้เราคำนึงว่าค่าเฉลี่ยกำลังสองของโคไซน์คือ 1/2) แต่ความเข้มของการแผ่รังสีเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูด ดังนั้น ในกรณีนี้ ความเข้มจะรวมกันได้ดังนี้:

สิ่งนี้สังเกตได้เมื่อมุมมองภาพสว่างขึ้นจากแหล่งอิสระ การสั่น (และแหล่งที่มา) ประเภทนี้เรียกว่าไม่ต่อเนื่องกัน (ไม่สอดคล้องกัน) จะได้ผลลัพธ์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงหากแหล่งที่มาเป็นไปตามเงื่อนไขที่เข้มงวด (แต่เป็นไปได้ในทางปฏิบัติ):

ก) ความถี่การสั่นของพวกเขาจะเท่ากันอย่างเคร่งครัด

b) ความแตกต่างของระยะเริ่มต้นจะคงที่ตลอดช่วงเวลาการสังเกตทั้งหมด (เพื่อความเรียบง่าย เราจะถือว่าเท่ากับศูนย์)

แหล่งที่เป็นไปตามเงื่อนไขที่กำหนดเรียกว่า สอดคล้องกัน(ตกลง); ในกรณีนี้ แทนที่จะเป็น (3.1) เราได้รับ:

(3.2)

ดังนั้นตอนนี้ความเข้มของแสงจึงขึ้นอยู่กับตำแหน่งของจุดสังเกตอย่างมาก: at

สูงสุด (และเกินความเข้มของแหล่งที่มาที่ไม่ต่อเนื่องกันสองแห่งที่คล้ายคลึงกันสองครั้ง); ที่

มันไปเป็นศูนย์

จากมุมมองคลาสสิก การแผ่รังสีของแสงโดยอะตอมของสสารในกรณีที่ง่ายที่สุดสามารถแสดงได้ดังนี้: แต่ละอะตอมที่ตื่นเต้นไม่ทางใดก็ทางหนึ่งจะแผ่รังสีในช่วงเวลา τ izl (10 -10 - 10 -8 s) "ชิ้นส่วนของคลื่นโคไซน์" (ขบวนของคลื่น); จากนั้นมันก็อยู่ในสถานะไม่ตื่นเต้นชั่วขณะ τ หลังจากนั้นก็ตื่นเต้นอีกครั้งและสร้างรถไฟขบวนใหม่ "เศษของคลื่นโคไซน์" ที่ตามมาไม่เกี่ยวข้องกันในทางใดทางหนึ่ง กัมมันตภาพรังสี อะตอมแต่ละตัวยังเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น ความเชื่อมโยงกันจึงมีอยู่ในรถไฟแต่ละขบวนเท่านั้น และ "เวลาที่เชื่อมโยงกัน" τ coh ต้องไม่เกินเวลาการแผ่รังสี τ rad เส้นทางที่คลื่นเดินทางในช่วงเวลาที่เชื่อมโยงกันมีค่าเท่ากับ lฟันเฟือง-st KOG,เรียกว่า "ความยาวเชื่อมโยงกัน"; มันน้อยกว่าความยาวของรถไฟ l c =sτ izl เสมอ

สำหรับแหล่งกำเนิดแสงก๊าซทั่วไป (ไม่ใช่เลเซอร์) ความยาวที่เชื่อมโยงกันมักจะน้อยกว่าหนึ่งเซนติเมตร ด้วยความถี่เฉลี่ยของคลื่นแสง v=5x10 14 Hz คลื่นจำนวนมากจะพอดีกับรถไฟ - ประมาณหลายแสน; แสงค่อนข้างสีเดียว แหล่งที่มาของรังสีที่สอดคล้องกัน (เลเซอร์) ซึ่งการกระทำของการแผ่รังสีของอะตอมแต่ละอะตอมเชื่อมต่อกันมีเวลาเชื่อมโยงกันอย่างมากถึง 10 -5 -10 -3 วินาทีและความยาวต่อเนื่องกันหลายร้อยเมตร . ในกรณีนี้ แน่นอน ความเป็นเอกรงค์จะดีขึ้นอย่างมาก ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทางวิศวกรรมวิทยุ เอกรงค์เดียวของรังสีจะใกล้เคียงกับเลเซอร์และมากกว่านั้นด้วยลำดับความสำคัญหลายระดับ เนื่องจากระยะเวลาการแกว่งตัวสูง เวลาเชื่อมโยงกันเพิ่มขึ้นเป็นสิบชั่วโมง และความยาวเชื่อมโยงกัน (เนื่องจากความยาวคลื่นมาก) ถึง 10 10 กม. เช่น ขนาด ระบบสุริยะ. ดังนั้นที่ความถี่วิทยุจึงเป็นไปได้ที่จะสังเกตการรบกวนของคลื่นจากแหล่งกำเนิดอิสระสองแหล่ง - เครื่องกำเนิดการสั่นไฟฟ้าอย่างง่าย - เป็นเวลาหลายนาที

ดังนั้นในทัศนศาสตร์ทั่วไป แหล่งที่มาจะไม่ต่อเนื่องกัน และเพื่อให้ได้รังสีที่สอดคล้องกัน เราต้องใช้แหล่งกำเนิดรังสีที่ขึ้นกับทุติยภูมิ พวกมันถูกสร้างขึ้นโดยแยกคลื่นของแหล่งกำเนิดหลักออกเป็นสองคลื่นที่เดินทางในเส้นทางที่ต่างกันและมาบรรจบกันอีกครั้ง โดยปกติ เวลาหน่วงของคลื่นลูกหนึ่งสัมพันธ์กับอีกคลื่นที่จุดสังเกตไม่ควรเกินเวลาที่เชื่อมโยงกันของแหล่งกำเนิด ดังนั้นขนาดของพื้นที่ที่สามารถสังเกตการรบกวนจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างในระยะทางจากจุดสังเกตไปยังแหล่งกำเนิดและความยาวเชื่อมโยงกันของจุดหลัง

การรบกวนของแสง

หากแสงเป็นกระแสคลื่น ก็ควรสังเกตปรากฏการณ์การรบกวนของแสง อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้รูปแบบการรบกวน (แสงสลับสูงสุดและต่ำสุด) โดยใช้แหล่งกำเนิดแสงอิสระสองแหล่ง ตัวอย่างเช่น สองแหล่ง หลอดไฟ, เป็นไปไม่ได้. การเปิดหลอดไฟอื่นจะเพิ่มความสว่างของพื้นผิวเท่านั้น แต่ไม่ได้สร้างการสลับของแสงขั้นต่ำและสูงสุดของแสง

ให้เราหาสาเหตุของสิ่งนี้และภายใต้เงื่อนไขใดที่สามารถสังเกตการรบกวนของแสงได้

เงื่อนไขความสม่ำเสมอของคลื่นแสง

สาเหตุที่ไม่มีรูปแบบการรบกวนในการทดลองกับหลอดไฟสองหลอดก็คือ คลื่นแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดอิสระจะไม่ประสานกัน เพื่อให้ได้รูปแบบการรบกวนที่เสถียร จำเป็นต้องมีคลื่นที่ตรงกัน ต้องมีความยาวคลื่นเท่ากันและมีความต่างเฟสคงที่ ณ จุดใดก็ได้ในอวกาศ จำได้ว่าคลื่นที่จับคู่กันซึ่งมีความยาวคลื่นเท่ากันและความแตกต่างของเฟสคงที่เรียกว่าเชื่อมโยงกัน

เกือบเท่ากันทุกประการของความยาวคลื่นจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งนั้นทำได้ไม่ยาก เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ก็เพียงพอแล้วที่จะใช้ฟิลเตอร์ที่ดีที่ส่งแสงในช่วงความยาวคลื่นที่แคบมาก แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะตระหนักถึงความคงตัวของความแตกต่างของเฟสจากแหล่งอิสระสองแหล่ง อะตอมของแหล่งกำเนิดแสงที่แยกจากกันใน "ราง" (รถไฟ) ที่แยกจากกันของคลื่นไซน์ ซึ่งมักจะมีความยาวประมาณหนึ่งเมตร และขบวนคลื่นดังกล่าวจากทั้งสองแหล่งก็ซ้อนทับกัน ผลที่ได้คือ แอมพลิจูดของการแกว่งที่จุดใดๆ ในอวกาศจะสุ่มเปลี่ยนไปตามเวลา ขึ้นอยู่กับว่าในช่วงเวลาหนึ่งๆ ขบวนของคลื่นจากแหล่งต่างๆ จะเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กันในเฟสอย่างไร คลื่นจากแหล่งกำเนิดแสงที่แตกต่างกันนั้นไม่ต่อเนื่องกันเนื่องจากความแตกต่างของเฟสของคลื่นไม่คงที่ 1 .

หนุ่มโทมัส (1773-1829) -นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษที่มีความสนใจทางวิทยาศาสตร์อย่างกว้างขวางและมีความสามารถรอบด้าน ในเวลาเดียวกัน แพทย์และนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงที่มีสัญชาตญาณที่ยอดเยี่ยม นักดาราศาสตร์และช่างกล นักโลหะวิทยาและนักอียิปต์วิทยา นักสรีรวิทยาและคนพูดได้หลายภาษา นักดนตรีที่มีความสามารถ และแม้แต่นักกายกรรมที่มีความสามารถ ข้อดีหลักของเขาคือการค้นพบการรบกวนของแสง (เขาแนะนำคำว่า "การรบกวน" ในฟิสิกส์) และคำอธิบายของปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนตามทฤษฎีคลื่น เขาเป็นคนแรกที่วัดความยาวคลื่นของแสง

ไม่พบภาพที่เสถียรพร้อมการกระจายแสงสูงสุดและต่ำสุดในอวกาศ

การรบกวนในฟิล์มบาง

อย่างไรก็ตาม สามารถสังเกตการรบกวนของแสงได้ แม้ว่าจะสังเกตมาเป็นเวลานานมาก แต่พวกเขาก็ไม่ได้ให้ความสำคัญกับเรื่องนี้

คุณเองก็เคยเห็นรูปแบบการรบกวนหลายครั้งเช่นกัน เมื่อในวัยเด็ก คุณสนุกกับการเป่าฟองสบู่หรือดูสีรุ้งที่ล้นของฟิล์มน้ำมันก๊าดหรือน้ำมันบนผิวน้ำ “ฟองสบู่ที่ลอยอยู่ในอากาศ… สว่างไสวด้วยเฉดสีทั้งหมดที่มีอยู่ในวัตถุโดยรอบ ฟองสบู่อาจเป็นความอัศจรรย์ที่งดงามที่สุดของธรรมชาติ” (มาร์ค ทเวน) เป็นการรบกวนของแสงที่ทำให้ฟองสบู่น่าชื่นชมมาก

นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ โธมัส ยัง เป็นคนแรกที่คิดไอเดียที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการอธิบายสีของฟิล์มบาง ๆ โดยการเพิ่มคลื่น 1 และ 2 (รูปที่ 8.48) ซึ่งหนึ่งในนั้น (1) สะท้อนจากพื้นผิวด้านนอกของ ฟิล์มและอื่น ๆ (2) จากด้านใน ในกรณีนี้การรบกวนของคลื่นแสงเกิดขึ้น - การเพิ่มของคลื่นสองคลื่นซึ่งเป็นผลมาจากรูปแบบการขยายหรือลดการสั่นสะเทือนของแสงที่เกิดขึ้นที่จุดต่าง ๆ ในอวกาศในเวลา ผลของการรบกวน (การทำให้แรงขึ้นหรืออ่อนลงของการแกว่งที่เกิดขึ้น) ขึ้นอยู่กับมุมตกกระทบของแสงบนฟิล์ม ความหนา และความยาวคลื่นของแสง การขยายของแสงจะเกิดขึ้นหากคลื่นหักเห 2 ล่าช้าหลังคลื่นสะท้อน 1 ด้วยความยาวคลื่นจำนวนเต็ม หากคลื่นลูกที่สองล้าหลังคลื่นลูกแรกครึ่งความยาวคลื่นหรือด้วยจำนวนครึ่งคลื่นคี่ แสงจะถูกลดทอนลง

1 ข้อยกเว้นคือแหล่งกำเนิดแสงควอนตัม เลเซอร์ที่สร้างขึ้นในปี 1960

ความสม่ำเสมอของคลื่นที่สะท้อนจากพื้นผิวด้านนอกและด้านในของฟิล์มเกิดจากการที่คลื่นเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของลำแสงเดียวกัน ขบวนของคลื่นจากแต่ละอะตอมที่แผ่รังสีจะถูกแบ่งโดยฟิล์มออกเป็นสองขบวน จากนั้นส่วนเหล่านี้จะถูกนำมารวมกันและแทรกแซง

จุงยังตระหนักว่าความแตกต่างของสีนั้นเกิดจากความแตกต่างของความยาวคลื่น (หรือความถี่) ของคลื่นแสง ลำแสงที่มีสีต่างกันสอดคล้องกับคลื่นที่มีความยาวคลื่นต่างกัน การขยายคลื่นร่วมกันซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกัน (มุมตกกระทบจะเท่ากัน) ต้องใช้ความหนาของฟิล์มต่างกัน ดังนั้นหากฟิล์มมีความหนาไม่เท่ากัน เมื่อฉายแสงด้วยแสงสีขาว สีที่ต่างกันก็ควรปรากฏขึ้น

วงแหวนของนิวตัน

รูปแบบการรบกวนอย่างง่ายเกิดขึ้นในชั้นอากาศบาง ๆ ระหว่างแผ่นกระจกและเลนส์นูนนูนที่วางอยู่บนแผ่นกระจก ซึ่งเป็นพื้นผิวทรงกลมซึ่งมีรัศมีความโค้งมาก รูปแบบการรบกวนนี้มีรูปแบบของวงแหวนศูนย์กลาง เรียกว่าวงแหวนของนิวตัน

ใช้เลนส์นูนนูนที่มีความโค้งเล็กน้อยของพื้นผิวทรงกลมแล้ววางเลนส์นูนลงบนแผ่นกระจก ตรวจสอบพื้นผิวเรียบของเลนส์อย่างระมัดระวัง (ควรผ่านแว่นขยาย) คุณจะพบจุดมืดที่จุดสัมผัสระหว่างเลนส์กับเพลตและชุดวงแหวนสีรุ้งเล็กๆ รอบๆ เลนส์ (ดูรูปที่ III, 1 บน แทรกสี) นี่คือวงแหวนของนิวตัน นิวตันสังเกตและศึกษาพวกมันไม่เพียงแต่ในแสงสีขาวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเมื่อเลนส์ถูกส่องสว่างด้วยลำแสงสีเดียว (สีเดียว) ปรากฎว่ารัศมีของวงแหวนเท่ากัน หมายเลขซีเรียลเพิ่มขึ้นด้วยการเปลี่ยนจากปลาย f-field ของสเปกตรัมไปเป็นสีแดง วงแหวนสีแดงมีรัศมีสูงสุด ระยะห่างระหว่างวงแหวนที่อยู่ติดกันจะลดลงเมื่อรัศมีเพิ่มขึ้น (ดูรูปที่ III, 2, 3 บนเม็ดมีดสี)

นิวตันไม่สามารถอธิบายได้อย่างน่าพอใจว่าทำไมวงแหวนจึงเกิดขึ้น จุงทำสำเร็จ ให้เป็นไปตามแนวทางการให้เหตุผลของเขา พวกเขาอยู่บนพื้นฐานของสมมติฐานที่ว่าแสงเป็นคลื่น พิจารณากรณีที่คลื่นที่มีความยาวคลื่นหนึ่งตกกระทบเกือบจะตั้งฉากกับเลนส์นูน-พลาโน (รูปที่ 8.49) คลื่น 1 ปรากฏขึ้นเนื่องจากการสะท้อนจากพื้นผิวนูนของเลนส์ที่ส่วนต่อประสานระหว่างกระจกกับอากาศ และคลื่นที่ 2 ซึ่งเป็นผลมาจากการสะท้อนจากจานที่ส่วนต่อประสานกระจกอากาศ คลื่นเหล่านี้มีความสอดคล้องกัน: มีความยาวคลื่นเท่ากันและมีความแตกต่างของเฟสคงที่ ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากคลื่น 2 เดินทางไกลกว่าคลื่น 1 หากคลื่นที่สองล้าหลังคลื่นแรกด้วยความยาวคลื่นจำนวนเต็ม ดังนั้น เพิ่มขึ้น คลื่นขยายซึ่งกันและกัน.

ในทางกลับกัน หากคลื่นลูกที่สองล้าหลังคลื่นลูกแรกด้วยจำนวนครึ่งคลื่นคี่ การสั่นที่เกิดจากคลื่นลูกที่สองจะเกิดขึ้นในเฟสตรงข้ามกัน และคลื่นจะหักล้างซึ่งกันและกัน

หากทราบรัศมีความโค้ง R ของพื้นผิวนูนของเลนส์ก็เป็นไปได้ที่จะคำนวณระยะห่างจากจุดสัมผัสเลนส์กับแผ่นกระจกว่าความแตกต่างของเส้นทางนั้นแตกต่างกันอย่างไร อื่นๆ. ระยะทางเหล่านี้เป็นรัศมีของวงแหวนมืดของนิวตัน ท้ายที่สุดแล้วเส้นที่มีความหนาคงที่ของช่องว่างอากาศนั้นเป็นวงกลม โดยการวัดรัศมีของวงแหวน สามารถคำนวณความยาวคลื่นได้

ความยาวของคลื่นแสง จากผลการวัดพบว่าสำหรับแสงสีแดง kp = 8 . 10 -7 ม. และสำหรับไวโอเล็ต - f \u003d 4 10 7 ม. ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับสีอื่นของสเปกตรัมใช้ค่ากลาง ความยาวคลื่นของแสงนั้นน้อยมากสำหรับสีใดๆ มาอธิบายเรื่องนี้ด้วยตัวอย่างง่ายๆ ลองนึกภาพคลื่นทะเลโดยเฉลี่ยที่มีความยาวไม่กี่เมตร ซึ่งเพิ่มขึ้นมากจนกินพื้นที่มหาสมุทรแอตแลนติกทั้งหมดตั้งแต่ชายฝั่งอเมริกาไปจนถึงยุโรป ความยาวคลื่นของแสงที่เพิ่มขึ้นในสัดส่วนเดียวกันจะเกินความกว้างของหน้านี้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ปรากฏการณ์ของการรบกวนไม่เพียงแต่พิสูจน์ว่าแสงมีคุณสมบัติของคลื่น แต่ยังช่วยให้คุณวัดความยาวคลื่นได้อีกด้วย เช่นเดียวกับที่ระดับเสียงกำหนดโดยความถี่ สีของแสงจะถูกกำหนดโดยความถี่หรือความยาวคลื่นของเสียงนั้น

ธรรมชาติไม่มีสี มีเพียงคลื่นที่มีความยาวคลื่นต่างกัน ตาเป็นอุปกรณ์ทางกายภาพที่ซับซ้อนซึ่งสามารถตรวจจับความแตกต่างของสีได้ ซึ่งสอดคล้องกับความแตกต่างเล็กน้อยมาก (ประมาณ 10 6 ซม.) ในความยาวคลื่นของคลื่นแสง ที่น่าสนใจคือสัตว์ส่วนใหญ่ไม่สามารถแยกแยะสีได้ พวกเขามักจะเห็นภาพขาวดำ คนตาบอดสีไม่แยกแยะสี - คนที่เป็นโรคตาบอดสี

เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง ความยาวคลื่นจะเปลี่ยนไป สามารถมองเห็นได้ ให้เราเติมช่องว่างอากาศระหว่างเลนส์กับจานด้วยน้ำหรือของเหลวใสอื่นที่มีดัชนีการหักเหของแสง รัศมีของวงแหวนรบกวนจะลดลง

ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? เรารู้ว่าเมื่อแสงผ่านจากสุญญากาศไปยังตัวกลาง ความเร็วของแสงจะลดลง n เท่า ตั้งแต่ \u003d v ดังนั้นความถี่ v หรือความยาวคลื่นควรลดลง n เท่า แต่รัศมีของวงแหวนขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ดังนั้นเมื่อแสงเข้าสู่ตัวกลาง ความยาวคลื่นจะเปลี่ยนแปลง n ครั้ง ไม่ใช่ความถี่

การรบกวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในการทดลองกับเครื่องกำเนิดไมโครเวฟ สามารถสังเกตการรบกวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นวิทยุ) ได้ (ดู § 54)

เครื่องกำเนิดและตัวรับวางตรงข้ามกัน (รูปที่ 8.50) จากนั้นนำแผ่นโลหะมาวางในแนวนอนจากด้านล่าง ค่อยๆ ยกจานขึ้น พบการลดทอนและขยายเสียงสลับกัน

อธิบายปรากฏการณ์ได้ดังนี้ ส่วนหนึ่งของคลื่นจากฮอร์นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าสู่ฮอร์นรับโดยตรง อีกส่วนหนึ่งสะท้อนจากแผ่นโลหะ โดยการเปลี่ยนตำแหน่งของเพลต เราเปลี่ยนเส้นทางความแตกต่างระหว่างคลื่นตรงและคลื่นสะท้อน ผลที่ได้คือ คลื่นจะเสริมกำลังหรืออ่อนตัวซึ่งกันและกัน ขึ้นอยู่กับว่าความแตกต่างของเส้นทางเท่ากับความยาวคลื่นจำนวนเต็มหรือครึ่งคลื่นเป็นเลขคี่

การสังเกตการแทรกสอดของแสงพิสูจน์ได้ว่าแสงแสดงคุณสมบัติของคลื่นเมื่อแผ่ขยาย การทดลองการรบกวนทำให้สามารถวัดความยาวคลื่นของแสงได้: มีขนาดเล็กมาก - จาก 4 10 -7 ถึง 8 10 -7 ม.

รบกวนรอบตัวเรา

ในบทเรียนนี้ เราได้เรียนรู้แล้วว่าการรบกวนของแสงคืออะไร มาสรุปบทเรียนของเรากัน ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าการรบกวนของแสงเรียกว่าการเติมความเข้มของคลื่นแสงตั้งแต่สองคลื่นขึ้นไปแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งสลับกันในอวกาศด้วยระดับความเข้มสูงสุดหรือต่ำสุด การกระจายนี้เรียกอีกอย่างว่ารูปแบบการรบกวน

ทีนี้มาลองจำว่าเราอยู่ที่ไหนกันบ้าง ชีวิตประจำวันมีปรากฏการณ์เช่นการรบกวนและตำแหน่งที่สามารถนำไปใช้ได้

พวกคุณทุกคนในวัยเด็กชอบทำฟองสบู่ จำไว้ว่าการเป่าฟองสบู่ออกมา มันค่อยๆ เคลื่อนไปในอวกาศ ส่องแสงระยิบระยับและเปลี่ยนสีของมัน นี่คือปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นกับฟองสบู่ในแสงที่เรียกว่าการรบกวนในฟิล์มบาง

นั่นคือรังสีที่ตกลงมาและสะท้อนจากขอบด้านในของฟิล์มเข้าไปรบกวน แต่เนื่องจากความหนาของฟิล์มไม่สามารถคงที่ได้ ดังนั้น สีของฟิล์มจึงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของความหนา กล่าวโดยย่อ ฟองสบู่สีรุ้งดังกล่าวจะออกมาเนื่องจากการรบกวนของคลื่นแสงและขึ้นอยู่กับความหนาของฟิล์ม

เนื่องจากเนื่องจากการระเหยของน้ำ ฟิล์มของฟองสบู่จึงบางลงและบางลง จึงทำให้สีของฟองสบู่เปลี่ยนไปด้วย แม้ว่าฟิล์มนี้จะยังคงหนา แต่องค์ประกอบสีแดงก็หายไปจากแสงสีขาว และสุดท้ายเราก็ได้ภาพสะท้อนสีเขียวอมฟ้า และยิ่งฟิล์มยิ่งบางลง ส่วนประกอบสีก็จะยิ่งหายไป หลังจากองค์ประกอบสีแดง เมื่อฟิล์มบางลง สีเหลืองจะหายไปและเหลือสีน้ำเงิน จากนั้นสีเขียวก็หายไปและสีม่วงแดงยังคงอยู่ และหลังจากที่องค์ประกอบสีน้ำเงินหายไป เราจะสังเกตเห็นสีเหลืองทอง และด้วยเหตุนี้ เราจึงไม่เห็นการสะท้อนกลับเลย และเมื่อฟองสบู่มาถึงระยะนี้ ก็มีแนวโน้มว่าฟองสบู่จะแตกในไม่ช้า

แน่นอนว่าสีของฟองสบู่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความหนาของฟิล์มเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับมุมที่ลำแสงชนกันด้วย ดังนั้น หากเราคิดว่าความหนาของฟิล์มจะเท่ากันทุกที่ เราก็จะสังเกตเห็นสีที่ต่างกันอันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของฟอง แต่เนื่องจากแรงโน้มถ่วง ความหนาของมันจึงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา โดยดึงของเหลวเข้าไปที่ส่วนล่าง จากนั้นเราสังเกตการเคลื่อนไหวของแถบหลากสีที่เคลื่อนจากบนลงล่าง

พวกคุณแต่ละคนคงอยู่บนชายฝั่งทะเล มองดูเปลือกหอย ขนนก ระยิบระยับด้วยสีรุ้ง หรือหลังเรือใบ ฟิล์มสียังคงอยู่บนผิวน้ำจากฟิล์มน้ำมัน ตัวอย่างทั้งหมดนี้ สามารถอธิบายได้ด้วยปรากฏการณ์การรบกวน

นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตอาการของการรบกวนของแสงได้โดยการตรวจสอบรูปแบบที่ผิดปกติบนปีกของผีเสื้อ หิ่งห้อย และแมลงอื่นๆ

ขนนกยูงตัวผู้ยังดึงดูดด้วยสีสันและสีสันสดใส ที่นี่คุณจะพบกับสีน้ำเงินเข้ม สีเขียวสดใส และสีทอง หากเราดูภาพด้านล่าง เราสามารถสังเกตเห็นผลกระทบเดียวกันในขนนกยูงที่ล้นเหมือนในฟองสบู่

แต่ในความเป็นจริง ขนนกหลากสีสันดังกล่าวเป็นเพียงภาพลวงตา เนื่องจากขนนกหลายเฉดที่เกิดจากปรากฏการณ์การรบกวนของแสง และอันที่จริงเนื่องจากเม็ดสีเมลานิน ขนของนกเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นสีน้ำตาล

ความจริงก็คือเมื่อเราดูขนนกยูงด้วยกล้องจุลทรรศน์ เราสามารถสังเกตได้ว่าขนแต่ละอันประกอบด้วยโครงสร้างผลึกสองมิติ ประกอบด้วยกิ่งก้านของเมลานินซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยโปรตีนที่เรียกว่าเคราติน และเนื่องจากทั้งจำนวนกิ่งและระยะห่างระหว่างกิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลง สิ่งนี้บิดเบือนการสะท้อนของคลื่นแสง และเมื่อมันกระทบขนนก เราจึงสังเกตเห็นการจลาจลของสีดังกล่าว

นอกจากตัวอย่างที่แสดงรายการแล้ว เรายังสังเกตเห็นการรบกวนในแผ่นบางๆ การรบกวนประเภทนี้ ได้แก่ มูนสโตน มาเธอร์ออฟเพิร์ล โอปอล หรือไข่มุก และมีตัวอย่างมากมาย

1. ได้คลื่นแสงที่เชื่อมโยงกันได้อย่างไร!
2. ปรากฏการณ์แสงรบกวนคืออะไร!
3. ลักษณะทางกายภาพของคลื่นแสงคือความแตกต่างของสีอย่างไร!
4. หลังจากกระแทกหินบนน้ำแข็งใส รอยแตกปรากฏขึ้น ส่องแสงด้วยสีรุ้งทั้งหมด ทำไม!
5. ความยาวคลื่นของแสงในน้ำลดลง n เท่า (n คือดัชนีการหักเหของแสงที่สัมพันธ์กับอากาศ) นี่หมายความว่านักประดาน้ำใต้น้ำไม่สามารถมองเห็นวัตถุรอบข้างด้วยแสงธรรมชาติได้!

Myakishev G. Ya. ฟิสิกส์ ชั้นประถมศึกษาปีที่ 11: ตำราเรียน เพื่อการศึกษาทั่วไป สถาบัน: พื้นฐานและโปรไฟล์ ระดับ / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; เอ็ด V.I. Nikolaev, N.A. Parfenteva. - ครั้งที่ 17 ปรับปรุงแก้ไข และเพิ่มเติม - ม.: การศึกษา, 2551. - 399 น.: ป่วย.