Интерференция и дифракция

Когда свет проходит через две узкие щели, каждая щель испускает расходящиеся волны, перекрывающиеся на экране позади. Где гребень одной щели встречает гребень другой, они складываются в светлую полосу; где гребень встречает впадину — гасятся в тёмный провал. Светлые полосы появляются лишь на особых углах, где добавочный путь одной волны — целое число длин волн.

Формула

d · sin θ = m · λ

  • d — расстояние между щелями (m): расстояние между двумя щелями (или штрихами решётки)
  • θ — угол (°): угол от центра картины до светлой полосы
  • m — номер порядка (unitless): какая это светлая полоса, считая 0, 1, 2… от центра
  • λ — длина волны (m): длина одного полного цикла световой волны

Решённый пример

Свет с длиной волны 500 нанометров проходит через две щели с шагом 20 микрометров. Чему равен sin θ для второй яркой полосы (m = 2)?

  • d = 20 μm
  • λ = 500 nm
  • m = 2
  1. sin θ = m · λ / d
  2. sin θ = (2 × 500 nm) / 20 000 nm

sin θ = 0.05

Проверьте себя

Те же щели (d = 20 микрометров) и тот же свет (500 нанометров) — чему равен sin θ для первой яркой полосы, m = 1?
  • Правильный ответ: 0.025
  • 0.05
  • 0.1

Правильно! sin θ = m·λ/d = (1 × 500 нм) / 20 000 нм = 0.025 — половина ответа для m = 2.

Если раздвинуть щели дальше (увеличить d) при тех же длине волны и порядке, что происходит с шагом полос?
  • Шаг растёт
  • Правильный ответ: Шаг уменьшается
  • Шаг остаётся прежним

Верно! Раз sin θ = m·λ/d, большее d делает sin θ меньше, поэтому полосы сжимаются ближе.

Где вы это видите

Радужный перелив, скользящий по мыльному пузырю, и цвета, отражающиеся от дорожек старого CD, — это интерференция за работой: световые волны, отражающиеся от верхней и нижней границ тонкой плёнки, складываются или гасятся в зависимости от длины волны, раскладывая белый свет на полосы. Две узкие щели и экран делают то же самое сложение и гашение видимым в виде полос света и темноты.

Частые ошибки

Направление, в котором меняется шаг полос, сбивает почти всех: разведение щелей дальше друг от друга (больше d) сдвигает полосы БЛИЖЕ друг к другу — d стоит в знаменателе дроби в sin θ = m·λ/d, значит, больше знаменатель — меньше угол. И каждый порядок m — это свой собственный угол, а не повторное использование предыдущего: при d = 20 микрометров и свете 500 nm первая яркая полоса лежит при sin θ = 0.025.

Как это связано

Это точка, где модуль оптики сворачивает на волновую территорию, и опирается он на фундамент модуля волн: v = f · λ управляет светом, как и любой волной, и именно длина волны решает, куда ложатся полосы — именно так двухщелевые эксперименты в своё время и измерили длину волны света. Поляризация, идущая следом, завершает волновую картину, показывая, в какую сторону колеблется волна.

Попробовать интерактивную симуляцию

Связанные концепции