กำหนดปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนและการรบกวน คุณสมบัติคลื่นของแสง

คำนิยาม

การรบกวนเรียกการเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นฟลักซ์พลังงานเฉลี่ยที่เกิดจากการทับซ้อนของคลื่น

หรือแตกต่างออกไปเล็กน้อย: การรบกวนคือการเพิ่มคลื่นในอวกาศ ซึ่งส่งผลให้เกิดการกระจายแอมพลิจูดของการแกว่งทั้งหมดซึ่งคงที่เมื่อเวลาผ่านไป

การรบกวนของคลื่นแสงคือการเพิ่มคลื่น ซึ่งเราสามารถสังเกตรูปแบบการทำให้แรงขึ้นหรือลดลงของการสั่นของแสงทั้งหมดที่จุดอวกาศต่างๆ ตามเวลาที่กำหนดได้ คำว่าการแทรกแซงถูกนำมาใช้ในวิทยาศาสตร์โดย T. Jung

เงื่อนไขในการรบกวน

เพื่อให้รูปแบบการรบกวนมีความเสถียรเกิดขึ้นเมื่อคลื่นถูกซ้อนทับ แหล่งกำเนิดคลื่นจำเป็นต้องมีความถี่เท่ากันและมีความต่างเฟสคงที่ แหล่งที่มาดังกล่าวเรียกว่าสอดคล้องกัน (สอดคล้องกัน) คลื่นที่ถูกสร้างขึ้นโดยแหล่งที่เชื่อมโยงกันเรียกว่าคลื่นที่ต่อเนื่องกัน

ดังนั้นเมื่อมีการซ้อนทับคลื่นที่สอดคล้องกันเท่านั้น รูปแบบการรบกวนที่เสถียรจึงเกิดขึ้น

ในด้านทัศนศาสตร์ เพื่อสร้างรูปแบบการรบกวน คลื่นที่ต่อเนื่องกันถูกสร้างขึ้นโดย:

1. การแบ่งความกว้างของคลื่น
2. การแบ่งหน้าคลื่น

เงื่อนไขสำหรับการรบกวนขั้นต่ำ

แอมพลิจูดของการแกว่งของคลื่นรบกวน ณ จุดที่พิจารณาจะน้อยที่สุด หากความแตกต่างของเส้นทาง () ของคลื่น ณ จุดนี้มีจำนวนคี่ของความยาวครึ่งคลื่น ():

สมมติว่าส่วนนั้นพอดี จากนั้นปรากฎว่าคลื่นลูกหนึ่งล่าช้ากว่าอีกคลื่นหนึ่งประมาณครึ่งหนึ่ง ผลต่างเฟสของคลื่นเหล่านี้มีค่าเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าการแกว่งจะเกิดขึ้นในแอนติเฟส เมื่อเพิ่มการสั่นดังกล่าว แอมพลิจูดของคลื่นทั้งหมดจะเท่ากับศูนย์

สภาวะสูงสุดของการรบกวน

แอมพลิจูดของการแกว่งของคลื่นรบกวน ณ จุดที่พิจารณาจะเป็นค่าสูงสุดหากความแตกต่างของเส้นทาง () ของคลื่น ณ จุดนี้มีจำนวนความยาวคลื่นเป็นจำนวนเต็ม ():

ความหมายของการเลี้ยวเบน

คำนิยาม

การเบี่ยงเบนของคลื่นจากการแพร่กระจายเป็นเส้นตรงเรียกว่าคลื่นโค้งงอรอบสิ่งกีดขวาง การเลี้ยวเบน.

คำว่า diffraction มาจากภาษาลาติน แปลว่าแตกหัก

ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนอธิบายโดยใช้หลักการของไฮเกนส์ คลื่นทุติยภูมิซึ่งปล่อยออกมาจากส่วนของสสาร (ตัวกลาง) จะตกลงไปเกินขอบของสิ่งกีดขวางซึ่งอยู่ในเส้นทางของคลื่น ตามทฤษฎีของเฟรสเนล พื้นผิวของคลื่น ณ ช่วงเวลาใดก็ได้ตามอำเภอใจไม่ได้เป็นเพียงเปลือกของคลื่นทุติยภูมิเท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากการรบกวนด้วย

สภาวะที่เกิดการเลี้ยวเบน

การเลี้ยวเบนจะเด่นชัดเป็นพิเศษเมื่อขนาดของสิ่งกีดขวางมีขนาดเล็กลงหรือเทียบได้กับความยาวคลื่น

คลื่นในลักษณะใดก็ตามสามารถหักเหและรบกวนได้

เงื่อนไขสำหรับความเข้มขั้นต่ำ

เมื่อคลื่นแสงเกิดการเลี้ยวเบนหนึ่งช่องโดยมีอัตราการเกิดรังสีปกติ เงื่อนไขสำหรับความเข้มต่ำสุดจะถูกเขียนเป็น:

โดยที่ a คือความกว้างของช่อง - มุมการเลี้ยวเบน; k - จำนวนขั้นต่ำ; - ความยาวคลื่น

เงื่อนไขสำหรับความเข้มข้นสูงสุด

เมื่อคลื่นแสงเกิดการเลี้ยวเบนหนึ่งช่องโดยมีอัตราการเกิดรังสีปกติ เงื่อนไขสำหรับความเข้มสูงสุดจะถูกเขียนเป็น:

โดยที่ค่าโดยประมาณของมุมการเลี้ยวเบนคือ

เงื่อนไขสำหรับความเข้มสูงสุดระหว่างการเลี้ยวเบนด้วยตะแกรงเลี้ยวเบน

เงื่อนไขสำหรับความเข้มสูงสุดของการเลี้ยวเบนของแสงบนตะแกรงการเลี้ยวเบนที่อุบัติการณ์ของรังสีปกติถูกเขียนไว้:

โดยที่ d คือคาบขัดแตะ (ค่าคงที่) k คือจำนวนค่าสูงสุดหลัก - มุมระหว่างเส้นปกติกับระนาบตะแกรงและทิศทางของคลื่นที่เลี้ยวเบน

ค่าการเลี้ยวเบน

การเลี้ยวเบนไม่ได้ทำให้ได้ภาพวัตถุขนาดเล็กที่ชัดเจน เนื่องจากเป็นไปไม่ได้เสมอไปที่จะสรุปได้ว่าแสงเดินทางเป็นเส้นตรงอย่างเคร่งครัด ส่งผลให้ภาพเบลอ และการขยายไม่ได้ช่วยให้เห็นรายละเอียดของวัตถุได้ หากขนาดของวัตถุเทียบได้กับความยาวคลื่นของแสง ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนทำให้เกิดข้อจำกัดในการบังคับใช้กฎของเลนส์เชิงเรขาคณิต และกำหนดขีดจำกัดของกำลังการแยกส่วนของเครื่องมือทางแสง

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ออกกำลังกาย

เหตุใดเราไม่สามารถสังเกตปรากฏการณ์การรบกวนโดยใช้หลอดไฟสองดวงได้

สารละลาย

หากคุณเปิดหลอดไฟฟ้าหลอดหนึ่งแล้วเพิ่มอีกหลอดหนึ่ง ไฟส่องสว่างจะเพิ่มขึ้น แต่แถบสีเข้มและสีอ่อนจะไม่มีการสลับกัน (ขั้นต่ำและสูงสุดของการส่องสว่าง) สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากคลื่นแสงที่ปล่อยออกมาจากหลอดไฟไม่สอดคล้องกัน (ไม่สอดคล้องกัน) เพื่อให้ได้รูปแบบการรบกวนที่มีความเสถียรตามเวลา คลื่นแสงจะต้องมีความถี่ (ความยาวคลื่น) เท่ากัน และมีความต่างเฟสที่คงที่ตลอดเวลา อะตอมของแหล่งกำเนิดแสง เช่น โคมไฟ จะปล่อยคลื่นอย่างเป็นอิสระจากกันในขบวนที่แยกจากกัน รถไฟจากแหล่งต่างๆ ซ้อนทับกัน แอมพลิจูดของการแกว่งที่จุดใดก็ได้ในอวกาศเปลี่ยนแปลงอย่างวุ่นวายตามเวลา ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของเฟสของขบวนคลื่น ไม่สามารถมองเห็นการกระจายเสียงสูงและต่ำได้อย่างมั่นคง

ตัวอย่างที่ 2

ออกกำลังกาย	ลำแสงสีเอกรงค์ที่มีความยาวคลื่น m ตกกระทบบนตะแกรงเลี้ยวเบนที่ตั้งฉากกับพื้นผิว จำนวนเส้นต่อมิลลิเมตรของตะแกรงคือ 500 ลำดับสูงสุดของสเปกตรัมคือข้อใด
สารละลาย	มาวาดรูปกันเถอะ

การรบกวนของแสงเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นการเพิ่มคลื่นแสง ซึ่งส่งผลให้เกิดรูปแบบการขยายและการลดทอนที่เสถียร เพื่อให้เกิดการรบกวนของแสง จะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขบางประการ

การเลี้ยวเบนของแสงเป็นปรากฏการณ์ของการเบี่ยงเบนของแสงจากการแพร่กระจายเชิงเส้นในตัวกลางที่มีความไม่สม่ำเสมอที่คมชัด ความเป็นไปได้ของการสังเกตการเลี้ยวเบนขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความยาวคลื่นและขนาดของความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ด้วยข้อตกลงในระดับหนึ่ง ความแตกต่างเกิดขึ้นระหว่างการเลี้ยวเบนของคลื่นทรงกลม (การเลี้ยวเบนเฟรสเนล) และการเลี้ยวเบนของคลื่นระนาบ-ขนาน (การเลี้ยวเบนของฟราน์ฮอเฟอร์) คำอธิบายรูปแบบการเลี้ยวเบนสามารถทำได้โดยคำนึงถึงการรบกวนของคลื่นทุติยภูมิ

บทนี้กล่าวถึงโฮโลแกรมเป็นวิธีการที่มีพื้นฐานจากการรบกวนและการเลี้ยวเบน

24.1. แหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน เงื่อนไขสำหรับการเสริมกำลังและความอ่อนแรงที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของคลื่น

การเพิ่มคลื่นที่แพร่กระจายในตัวกลางถูกกำหนดโดยการเพิ่มการแกว่งที่สอดคล้องกัน กรณีที่ง่ายที่สุดของการเพิ่มคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะสังเกตได้เมื่อความถี่เท่ากันและทิศทางของเวกเตอร์ไฟฟ้าตรงกัน ในกรณีนี้ สามารถหาแอมพลิจูดของคลื่นผลลัพธ์ได้โดยใช้สูตร (7.20) ซึ่งเป็นค่าความเข้ม สนามไฟฟ้ามาเขียนมันในรูปแบบ:

ผลลัพธ์ของการเพิ่มคลื่นอาจแตกต่างกันโดยพื้นฐานขึ้นอยู่กับประเภทของแหล่งกำเนิดแสง

อันดับแรก ลองพิจารณาการเพิ่มคลื่นที่มาจากแหล่งกำเนิดแสงธรรมดา (โคมไฟ เปลวไฟ ดวงอาทิตย์ ฯลฯ) แต่ละแหล่งดังกล่าวแสดงถึงกลุ่มของอะตอมที่เปล่งออกมาจำนวนมาก จาก-

อะตอมเดี่ยวปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณ 10 -8 วินาที และการแผ่รังสีเป็นเหตุการณ์สุ่ม ดังนั้นผลต่างเฟส Δ φ ในสูตร (24.1) จึงใช้ค่าสุ่ม ในกรณีนี้คือค่าเฉลี่ยส่วนการแผ่รังสีของอะตอมทั้งหมด คอสΔφเท่ากับศูนย์ แทนที่จะเป็น (24.1) เราได้รับความเท่าเทียมกันโดยเฉลี่ยสำหรับจุดเหล่านั้นในอวกาศซึ่งมีการเพิ่มคลื่นสองลูกที่มาจากแหล่งกำเนิดแสงธรรมดาสองแหล่ง:

= + . (24.2)

เนื่องจากความเข้มของคลื่นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูด ดังนั้นจาก (24.2) เรามีเงื่อนไขในการบวกความเข้ม / 1 และ / 2 คลื่น:

ฉัน= /1+ /2 . (24.3)

ซึ่งหมายความว่าสำหรับความเข้มของรังสีที่เล็ดลอดออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงธรรมดาสองแหล่ง (หรือมากกว่า) จะต้องปฏิบัติตามกฎการบวกที่ค่อนข้างง่าย: ความเข้มของรังสีทั้งหมดเท่ากับผลรวมของความเข้มของคลื่นส่วนประกอบ สิ่งนี้สังเกตได้ในชีวิตประจำวัน: การส่องสว่างจากหลอดไฟสองดวงจะเท่ากับผลรวมของการส่องสว่างที่สร้างโดยแต่ละหลอดแยกจากกัน

หาก Δφ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง การรบกวนของแสงจะเกิดขึ้น ความเข้มของคลื่นที่เกิดขึ้นจะใช้ค่าจากต่ำสุดถึงสูงสุดที่แน่นอน ณ จุดต่างๆ ในอวกาศ

การรบกวนของแสงเกิดขึ้นจากการจับคู่สอดคล้องกันแหล่งที่มาที่ให้ความแตกต่างของเฟสคงที่ตลอดเวลาΔ φ ส่วนประกอบของคลื่น ณ จุดต่างๆ คลื่นที่ตรงตามเงื่อนไขนี้เรียกว่าสอดคล้องกัน

การรบกวนสามารถทำได้จากคลื่นไซน์สองคลื่นที่มีความถี่เท่ากัน แต่ในทางปฏิบัติแล้วเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างคลื่นแสงดังกล่าว ดังนั้นคลื่นที่ต่อเนื่องกันจึงได้มาโดยการแยกคลื่นแสงที่มาจากแหล่งกำเนิด

วิธีการนี้ใช้ใน วิธีการของจุงบนเส้นทางของคลื่นทรงกลมที่มาจากแหล่งกำเนิด ส,มีการติดตั้งสิ่งกีดขวางทึบแสงที่มีสองช่อง (รูปที่ 24.1) จุดบนพื้นผิวคลื่นที่ไปถึงสิ่งกีดขวางจะกลายเป็นจุดศูนย์กลางของคลื่นทุติยภูมิที่ต่อเนื่องกัน ดังนั้นรอยกรีดจึงถือเป็นแหล่งกำเนิดที่เชื่อมโยงกัน บนหน้าจอ อีมีการสังเกตการรบกวน

อีกวิธีหนึ่งคือการได้รับภาพเสมือน เอส"แหล่งที่มา ส(รูปที่ 24.2) โดยใช้กระจกชั้นเดียวพิเศษ

(กระจกของลอยด์).แหล่งที่มา สและ S" มีความสอดคล้องกัน สร้างเงื่อนไขสำหรับการรบกวนของคลื่น รูปนี้แสดงลำแสงรบกวนสองอันกระทบจุดหนึ่ง กหน้าจอ อี.

เนื่องจากเวลา τ ของการแผ่รังสีของแต่ละอะตอมมีจำกัด ผลต่างของเส้นทาง δ ของรังสี 1 และ 2 การรบกวนต้องไม่ใหญ่เกินไป มิฉะนั้นจะตรงจุด กคลื่นที่แตกต่างกันและไม่ต่อเนื่องกันก็จะมาบรรจบกัน มูลค่าสูงสุดδ สำหรับการรบกวนนั้นพิจารณาจากความเร็วแสงและเวลาการปล่อยของอะตอม:

δ = กับτ = 3? 108. 10-8 = 3 ม. (24.4)

รูปแบบการรบกวนสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร (24.1) หากทราบความต่างเฟสของคลื่นรบกวนและแอมพลิจูด

กรณีพิเศษที่เป็นประโยชน์ในทางปฏิบัติ: การขยายคลื่นที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือความเข้มสูงสุด (สูงสุด)การลดทอนที่ยิ่งใหญ่ที่สุด - ความเข้มขั้นต่ำ (นาที).

โปรดทราบว่าเงื่อนไขของ maxima และ mini-

จะสะดวกกว่าที่จะแสดงความเข้มข้นของแม่ ไม่ใช่ผ่านความแตกต่างของเฟส แต่ผ่านความแตกต่างของเส้นทาง เนื่องจากโดยปกติแล้วจะทราบเส้นทางที่ตัดผ่านโดยคลื่นที่สอดคล้องกันระหว่างการรบกวน ให้เราสาธิตสิ่งนี้โดยใช้ตัวอย่างการรบกวนของคลื่นระนาบ I, II ซึ่งเวกเตอร์ตั้งฉากกับระนาบของภาพวาด (รูปที่ 24.3)

การแกว่งของเวกเตอร์ และของคลื่นเหล่านี้ ณ จุด B จุดหนึ่ง ซึ่งอยู่ห่างออกไป x 1 และ x2

ตามลำดับจากแต่ละแหล่งเกิดขึ้นตามกฎฮาร์มอนิก ข้าว. 24.3

24.2. การรบกวนของแสงในแผ่นบาง (ฟิล์ม) การล้างเลนส์

การก่อตัวของคลื่นที่สอดคล้องกันและการรบกวนยังเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบกับแผ่นหรือฟิล์มโปร่งใสบาง ๆ ลำแสงตกลงบนแผ่นระนาบขนาน (รูปที่ 24.4) เรย์ 1 จากลำแสงนี้กระทบจุด เอ,สะท้อนบางส่วน (ray 2), หักเหบางส่วน (ray เช้า).รังสีหักเหจะสะท้อนไปที่ขอบล่างของแผ่น ณ จุดนั้น ม.รังสีสะท้อนหักเห ณ จุดหนึ่ง วีออกวันพุธแรก (ray 3). รังสี 2 และ 3 เกิดจากลำแสงเดียวกันจึงเชื่อมโยงกันและจะรบกวนกัน ลองหาความแตกต่างทางแสงในเส้นทางของรังสีกัน 2 และ 3. การทำเช่นนี้จากจุด วีมาวาดแบบปกติกันดีกว่า ดวงอาทิตย์ถึงรังสี จากทางตรง ดวงอาทิตย์ก่อนที่รังสีจะมาบรรจบกัน ความแตกต่างของเส้นทางแสงจะไม่เปลี่ยนแปลง เลนส์หรือตาจะไม่ทำให้เกิดความแตกต่างของเฟสเพิ่มเติม

ก่อนจะเกิดความแตกแยก ณ จุดหนึ่ง กรังสีเหล่านี้ร่วมกับรังสีอื่นๆ ที่ไม่ได้แสดงไว้ในรูปที่ 1 24.4 เกิดเป็นลำแสง 1 และด้วยเหตุนั้นย่อมมีระยะเดียวกันโดยธรรมชาติ เรย์ 3 เดินเป็นระยะทาง \เช้า\+ |เอ็มวี| ในจานที่มีดัชนีการหักเหของแสง n, ray 2 - ระยะทาง \AC| ในอากาศ ดังนั้นความแตกต่างของเส้นทางแสงจึงเป็น:

ข้าว. 24.4

1 สำหรับกระบวนการแบบวนรอบ ไม่สำคัญว่าเฟสจะลดลงหรือเพิ่มขึ้น π ดังนั้น จึงเทียบเท่ากับการพูดถึงไม่เกี่ยวกับการสูญเสีย แต่เกี่ยวกับการได้มาของคลื่นครึ่งหนึ่ง แต่ไม่ได้ใช้คำศัพท์ดังกล่าว

จาก (24.22) เห็นได้ชัดว่าคลื่นที่มีแอมพลิจูดต่างกันอย่างมีนัยสำคัญรบกวนแสงที่ส่ง ดังนั้นค่าสูงสุดและค่าต่ำสุดจึงแตกต่างกันเล็กน้อยและการรบกวนจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเล็กน้อย

ให้เราวิเคราะห์การพึ่งพา (24.17) และ (24.18) หากลำแสงรังสีเอกซ์คู่ขนานตกลงบนแผ่นระนาบบาง ๆ - แผ่นขนานที่มุมหนึ่ง ตามสูตรเหล่านี้ แผ่นรังสีจะปรากฏสว่างหรือมืดในแสงสะท้อน

เมื่อจานสว่างด้วยแสงสีขาว เงื่อนไขสูงสุดและต่ำสุดเป็นไปตามความยาวคลื่นแต่ละรายการ จานจะกลายเป็นสี และสีในแสงสะท้อนและแสงที่ส่องผ่านจะเสริมซึ่งกันและกันเป็นสีขาว

ในสภาวะจริง ลำแสงตกกระทบจะไม่ขนานกันอย่างเคร่งครัด และไม่มีมุมตกกระทบเฉพาะเจาะจงเพียงมุมเดียว ฉัน.การแพร่กระจายเล็กน้อย ฉันด้วยความหนาของแผ่นเพลทอย่างมาก ลอาจทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญทางด้านซ้ายมือในสูตร (24.17) และ (24.18) และจะไม่ตรงตามเงื่อนไขสูงสุดและต่ำสุดสำหรับรังสีทุกดวงของลำแสง นี่เป็นหนึ่งในข้อควรพิจารณาที่อธิบายว่าทำไมการรบกวนจึงสามารถสังเกตได้ในแผ่นบางและฟิล์มเท่านั้น

เมื่อแสงเอกรงค์ตกบนแผ่นที่มีความหนาต่างกัน แต่ละค่า ลสอดคล้องกับสภาวะการรบกวน ดังนั้น แผ่นจึงมีเส้นแสงและเส้นสีเข้มตัดกัน (แถบ) - เส้นที่มีความหนาเท่ากันดังนั้น ในลิ่ม นี่คือระบบ เส้นขนาน(รูปที่ 24.6) มีวงแหวนอยู่ในช่องว่างอากาศระหว่างเลนส์กับแผ่น (วงแหวนของนิวตัน).

เมื่อแผ่นที่มีความหนาแปรผันถูกส่องสว่างด้วยแสงสีขาว จะได้จุดและเส้นหลากสี: ฟิล์มสบู่สี

ข้าว. 24.6

แผ่นฟิล์มน้ำมันและน้ำมันบนผิวน้ำ สีรุ้งของปีกของแมลงและนกบางชนิด ในกรณีเหล่านี้ ไม่จำเป็นต้องมีความโปร่งใสของฟิล์ม

การรบกวนในฟิล์มบางมีความสนใจในทางปฏิบัติโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับการสร้างอุปกรณ์ที่ลดสัดส่วนของพลังงานแสงที่สะท้อนโดยระบบออปติกและเพิ่ม

ดังนั้นพลังงานที่จ่ายให้กับระบบบันทึก เช่น แผ่นถ่ายภาพ ตา ฯลฯ เพื่อจุดประสงค์นี้ พื้นผิวของระบบออพติคัลถูกเคลือบด้วยชั้นบาง ๆ ของโลหะออกไซด์ ดังนั้นสำหรับความยาวคลื่นเฉลี่ยสำหรับขอบเขตที่กำหนดของสเปกตรัม จะมีการรบกวนน้อยที่สุดในแสงสะท้อน ส่งผลให้สัดส่วนของแสงที่ส่องผ่านจะเพิ่มขึ้น การเคลือบพื้นผิวแสงด้วยฟิล์มพิเศษเรียกว่าการเคลือบด้วยแสงและเรียกว่าผลิตภัณฑ์ออปติคัลด้วยการเคลือบดังกล่าว เลนส์เคลือบ

หากใช้ชุดชั้นที่เลือกมาเป็นพิเศษบนพื้นผิวกระจก ก็สามารถสร้างตัวกรองแสงสะท้อนได้ ซึ่งจะส่งหรือสะท้อนช่วงความยาวคลื่นบางช่วงเนื่องจากการรบกวน

24.3. อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์และการใช้งาน แนวคิดของกล้องจุลทรรศน์รบกวน

การรบกวนของแสงถูกใช้ในอุปกรณ์พิเศษ - อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์- สำหรับการวัดด้วยความยาวคลื่นที่มีความแม่นยำสูง ระยะทางสั้น ดัชนีการหักเหของสาร และการกำหนดคุณภาพของพื้นผิวแสง

ในรูป แสดงเป็น 24.7 แผนภูมิวงจรรวม อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของมิเชลสัน,ซึ่งเป็นของกลุ่มลำแสงสองอันเนื่องจากคลื่นแสงในนั้นแยกออกเป็นสองส่วน 1 และทั้งสองส่วนของมันเมื่อผ่านเส้นทางที่แตกต่างกันก็รบกวน

เรย์ 1 แสงสีเดียวจากแหล่งกำเนิด สตกทำมุม 45° ลงบนแผ่นกระจกระนาบขนาน เอ,พื้นผิวด้านหลังโปร่งแสงเนื่องจากมีชั้นเงินบางมากปกคลุมอยู่ ตรงจุด เกี่ยวกับลำแสงนี้แยกออกเป็นสองลำแสง 2 และ 3 ซึ่งมีความเข้มข้นใกล้เคียงกันโดยประมาณ เรย์ 2 ไปถึงกระจก I, สะท้อน, หักเหในจาน กและออกจากแผ่นบางส่วน - ลำแสง 2". เรย์ 3 จากจุด เกี่ยวกับไปที่กระจก II สะท้อนกลับคืนสู่จาน เอ,โดยที่มันสะท้อนบางส่วน - ลำแสง 3" . รังสี 2" และ 3" การเข้าสู่ดวงตาของผู้สังเกตการณ์มีความสอดคล้องกัน สามารถบันทึกการรบกวนได้

โดยปกติแล้วกระจก I และ II จะอยู่ในตำแหน่งเพื่อให้รังสี 2 และ 3 จากความแตกต่างไปสู่การพบกัน เส้นทางที่ยาวเท่ากันก็ผ่านไป เพื่อให้แสงนั้น

1 พูดอย่างเคร่งครัด เนื่องจากการสะท้อนหลายครั้ง จึงสามารถสร้างลำแสงได้มากกว่า 2 ลำ แต่ความเข้มของลำแสงนั้นไม่มีนัยสำคัญ

1 เนื่องจากมุมที่แตกต่างกันของการตกกระทบของรังสีจากส ไปที่จาน ก หรือตั้งฉากแบบไม่เข้มงวดของกระจก I และ 11 รูปแบบการรบกวนจะแสดงด้วยแถบเกือบทุกครั้ง (แถบที่มีความเอียงเท่ากันหรือมีความหนาเท่ากัน ตามลำดับ) ปัญหานี้ไม่ได้กล่าวถึงโดยละเอียด

ตามที่เห็น, เครื่องวัดการรบกวน(อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ที่ดัดแปลงเพื่อวัดดัชนีการหักเหของแสง) สามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเหของแสงในทศนิยมตำแหน่งที่หก

เครื่องวัดการหักเหของแสงถูกใช้เพื่อวัตถุประสงค์ด้านสุขอนามัยและสุขอนามัยเพื่อระบุปริมาณก๊าซที่เป็นอันตรายโดยเฉพาะ

มิเชลสันพิสูจน์ความเป็นอิสระของความเร็วแสงจากการเคลื่อนที่ของโลกโดยใช้อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ใช้ในการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

การรวมกันของอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แบบสองลำแสงและกล้องจุลทรรศน์ที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์รบกวนถูกนำมาใช้ในชีววิทยาเพื่อวัดดัชนีการหักเหของแสง ความเข้มข้นของวัตถุแห้ง และความหนาของวัตถุขนาดเล็กที่โปร่งใส

แผนผังของกล้องจุลทรรศน์รบกวนจะแสดงในรูปที่ 1 24.8. ลำแสงที่จุดหนึ่งเหมือนในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ กแยกไปสองทางลำแสงหนึ่งผ่านวัตถุไมโครโปร่งใส M และอีกอัน - อยู่ด้านนอก ตรงจุด ดีรังสีเชื่อมต่อและรบกวน ผลลัพธ์ของการรบกวนจะใช้ในการตัดสินพารามิเตอร์ที่กำลังวัด

24.4. หลักการของฮิวเกนส์-เฟรเนล

การคำนวณและการอธิบายการเลี้ยวเบนของแสงสามารถทำได้โดยประมาณโดยใช้ หลักการฮอยเกนส์-เฟรสเนล.

จากข้อมูลของไฮเกนส์ แต่ละจุดบนพื้นผิวคลื่นเข้าไปถึงด้านใน ช่วงเวลานี้คลื่น, เป็นศูนย์กลางของคลื่นทุติยภูมิเบื้องต้นเปลือกนอกของมันจะเป็นพื้นผิวคลื่นในช่วงเวลาต่อมา (รูปที่ 24.9; S 1 และ S 2 เป็นพื้นผิวคลื่นตามลำดับ ณ ช่วงเวลาหนึ่ง) เสื้อ 1และ เสื้อ 2 ; เสื้อ 2 > เสื้อ 1)

เฟรสเนลเสริมตำแหน่งนี้ของไฮเกนส์ด้วยการแนะนำแนวคิดของ การเชื่อมโยงกันรอง คลื่นและการรบกวนของมัน

ในรูปแบบทั่วไปนี้ แนวคิดเหล่านี้เรียกว่า หลักการฮอยเกนส์-เฟรสเนล.

เพื่อที่จะหาผลลัพธ์ของการเลี้ยวเบนที่จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศ จำเป็นต้องคำนวณตามหลักการของไฮเกนส์

ข้าว. 24.9

เฟรสเนล การรบกวนของคลื่นทุติยภูมิที่มาถึงจุดนี้จากพื้นผิวคลื่น สำหรับพื้นผิวคลื่นที่มีรูปร่างตามอำเภอใจ การคำนวณดังกล่าวค่อนข้างซับซ้อน แต่ในบางกรณี (พื้นผิวคลื่นทรงกลมหรือแบน ตำแหน่งสมมาตรของจุดที่สัมพันธ์กับพื้นผิวคลื่นและสิ่งกีดขวางทึบแสง) การคำนวณนั้นค่อนข้างง่าย พื้นผิวคลื่นแบ่งออกเป็นส่วนต่างๆ (โซนเฟรสเนล)จัดเรียงในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง ซึ่งทำให้การดำเนินการทางคณิตศาสตร์ง่ายขึ้น

24.5. การหักเหโดยรอยแยกในรังสีคู่ขนาน

ไปจนถึงกรีดยาวแคบที่ตั้งอยู่ในแนวกั้นทึบแสงแบน มินนิโซตาลำแสงระนาบขนานของแสงสีเดียวตกลงตามปกติ (รูปที่ 24.10; \AB | = ก- ความกว้างของช่อง; ล-เลนส์ที่มาบรรจบกันซึ่งมีหน้าจออยู่ในระนาบโฟกัส อีเพื่อสังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบน)

ถ้าไม่มีการเลี้ยวเบน รังสีแสงที่ลอดผ่านช่องจะถูกโฟกัสที่จุดใดจุดหนึ่ง เกี่ยวกับ,วางอยู่บนแกนลำแสงหลักของเลนส์ การเลี้ยวเบนของแสงด้วยกรีดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปรากฏการณ์อย่างมาก

เราจะถือว่ารังสีทั้งหมดของลำแสงมาจากแหล่งกำเนิดที่อยู่ห่างไกลแหล่งเดียว 1 และด้วยเหตุนี้จึงมีความสอดคล้องกัน เอบีเป็นส่วนหนึ่งของพื้นผิวคลื่น โดยแต่ละจุดเป็นจุดศูนย์กลางของคลื่นทุติยภูมิที่แพร่กระจายไปด้านหลังรอยกรีดในทุกทิศทางที่เป็นไปได้ เป็นไปไม่ได้ที่จะพรรณนาถึงคลื่นทุติยภูมิเหล่านี้ทั้งหมด ดังนั้นในรูปที่ 1 รูปที่ 24.10 แสดงเฉพาะคลื่นทุติยภูมิที่แพร่กระจายในมุม α ไปยังทิศทางของลำแสงที่ตกกระทบและตะแกรงตั้งฉาก เลนส์จะรวบรวมคลื่นเหล่านี้ ณ จุดหนึ่ง เกี่ยวกับ"หน้าจอที่จะสังเกตการรบกวนของพวกเขา (ตำแหน่งจุด เกี่ยวกับ"ได้มาจากจุดตัดกับระนาบโฟกัสของแกนทุติยภูมิ CO ของเลนส์ที่วาดที่มุม α)

หากต้องการทราบผลลัพธ์ของการรบกวนของคลื่นทุติยภูมิ เราจะสร้างโครงสร้างดังต่อไปนี้ ลองวาดเส้นตั้งฉากกัน ค.ศไปสู่ทิศทาง

1 สามารถวางแหล่งกำเนิดเกือบจุดที่โฟกัสของเลนส์ซึ่งไม่แสดงในรูปที่ 1 24.10 ดังนั้น ลำแสงคู่ขนานของคลื่นต่อเนื่องกันจะกระจายออกจากเลนส์

ข้าว. 24.10

ลำแสงทุติยภูมิ เส้นทางของคลื่นทุติยภูมิทั้งหมดมาจาก ค.ศก่อน เกี่ยวกับ"จะเป็นเทา-โทโครนัส เลนส์จะไม่สร้างความแตกต่างเฟสเพิ่มเติมระหว่างกัน ดังนั้น ความแตกต่างของเส้นทางที่เกิดขึ้นในคลื่นทุติยภูมิ ถึงโฆษณาจะถูกบันทึกไว้ตรงจุด เกี่ยวกับ".

มาทำลายมันกัน บีดีออกเป็นส่วนๆ เท่ากับ แล /2 ในกรณีที่แสดงในรูปที่. ในวันที่ 24.10 ได้รับสามส่วนดังกล่าว: \ВВ 2\ = \บี 2 บี 1\ = \B 1 ง\ = แล /2. การวาดภาพจากจุด ที่ 2และ ใน 1ตรง, ขนาน อ.มาแบ่งกัน เอบีเพื่อให้เท่ากับโซน Fresnel: \AA 1\ = | เอเอ 2 | = |เอ 2 บี\. คลื่นทุติยภูมิใดๆ ที่มาจากจุดใดๆ ในโซนเฟรสเนลหนึ่งสามารถค้นหาคลื่นทุติยภูมิที่สอดคล้องกันในโซนข้างเคียง โดยที่ความแตกต่างของเส้นทางระหว่างคลื่นทั้งสองจะเป็น แล /2

ตัวอย่างเช่น คลื่นรองที่มาจากจุดหนึ่ง เอ 2ในทิศทางที่เลือกเดินทางไปยังจุด O "เป็นระยะทาง แลมบ์ดา / 2 มากกว่าคลื่นที่มาจากจุด A 1 เป็นต้น ดังนั้น คลื่นทุติยภูมิที่มาจากโซนเฟรสเนลสองโซนที่อยู่ติดกันจะหักล้างกัน เนื่องจากต่างกันที่เฟสบน π

จำนวนโซนที่พอดีกับรอยกรีดจะขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น แล และมุม α ถ้าเกิดช่องว่าง เอบีเมื่อสร้าง ให้แบ่งออกเป็นโซนเฟรสจำนวนคี่ ก บีดี- ด้วยจำนวนคี่ของเซ็กเมนต์เท่ากับ แล /2 จากนั้นที่จุด O" ก็มี ความเข้มสูงสุดสเวต้า:

ทิศทางที่สอดคล้องกับมุม α = 0 ก็สอดคล้องกับค่าสูงสุดเช่นกัน เนื่องจากคลื่นทุติยภูมิทั้งหมดจะมาถึง เกี่ยวกับในระยะเดียวกัน

ถ้าเกิดช่องว่าง เอบีแบ่งออกเป็นโซนเฟรสจำนวนเลขคู่ จากนั้นเราจะสังเกต ความเข้มขั้นต่ำสเวต้า:

ข้าว. 24.11

ดังนั้นบนหน้าจอ เอ่อจะได้ระบบแถบแสง (สูงสุด) และแถบสีเข้ม (ขั้นต่ำ) ซึ่งจุดศูนย์กลางสอดคล้องกับเงื่อนไข (24.26) หรือ (24.27) ซึ่งอยู่ทางซ้ายและขวาของส่วนกลางอย่างสมมาตร (α = 0) สว่างที่สุด ลายทาง ความเข้ม ฉันของจุดสูงสุดที่เหลือจะลดลงตามระยะห่างจากจุดศูนย์กลางสูงสุด (รูปที่ 24.11)

หากช่องนั้นสว่างด้วยแสงสีขาวแสดงว่าอยู่บนหน้าจอ เอ่อ[ซม. (24.26), (24.27)] ระบบของแถบสีถูกสร้างขึ้น เฉพาะค่าสูงสุดตรงกลางเท่านั้นที่จะคงสีของแสงที่ตกกระทบไว้ เนื่องจากที่ α = 0 ความยาวคลื่นของแสงทั้งหมดจะถูกขยาย

การเลี้ยวเบนของแสง เช่นเดียวกับการรบกวน สัมพันธ์กับการกระจายพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศ ในแง่นี้ ช่องในฉากทึบแสงไม่ได้เป็นเพียงระบบที่จำกัดการใช้ฟลักซ์แสง แต่ยังเป็นตัวกระจายฟลักซ์นี้ในอวกาศอีกด้วย

เพื่อให้เข้าใจถึงอิทธิพลของความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของสลิทและความยาวคลื่นที่มีต่อความสามารถในการสังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบน ให้พิจารณากรณีพิเศษบางกรณี:

24.6. ตะแกรงการเลี้ยวเบน สเปกตรัมการเลี้ยวเบน

ตะแกรงเลี้ยวเบน- อุปกรณ์ออพติคอลที่รวบรวมช่องสัญญาณขนานจำนวนมาก โดยมักจะมีระยะห่างเท่ากัน

ตะแกรงเลี้ยวเบนสามารถทำได้โดยการใช้รอยขีดข่วนทึบแสง (แถบ) บนแผ่นกระจก สถานที่ที่ไม่มีรอยขีดข่วน - รอยแตก - จะทำให้แสงผ่านได้ จังหวะที่สอดคล้องกับช่องว่างระหว่างรอยกรีดจะกระจายและไม่ส่งผ่านแสง ภาพตัดขวางของตะแกรงเลี้ยวเบน (a) และสัญลักษณ์ (b) จะแสดงอยู่ในนั้น

ข้าว. 24.12.

ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของช่องที่อยู่ติดกันเรียกว่าค่าคงที่หรือคาบของตะแกรงการเลี้ยวเบน:

ที่ไหน ก- ความกว้างของช่อง; ข- ความกว้างของช่องว่างระหว่างช่อง

ถ้าลำแสงคลื่นต่อเนื่องตกลงบนตะแกรง คลื่นทุติยภูมิที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะรบกวน ทำให้เกิดรูปแบบการเลี้ยวเบน

ปล่อยให้ลำคลื่นที่เชื่อมโยงระนาบขนานกันตกลงบนตะแกรงตามปกติ (รูปที่ 24.13) ให้เราเลือกทิศทางที่แน่นอนของคลื่นทุติยภูมิที่มุม α สัมพันธ์กับแนวปกติกับตะแกรง รังสีที่มาจากจุดสูงสุดของรอยแยกสองรอยที่อยู่ติดกันมีความแตกต่างของเส้นทาง δ = \A"B"\ ความแตกต่างของเส้นทางเดียวกันจะเป็นสำหรับคลื่นทุติยภูมิที่มาจากคู่ของจุดที่อยู่ติดกันซึ่งอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน หากความแตกต่างของเส้นทางนี้เป็นจำนวนเท่าของความยาวคลื่นจำนวนเต็ม การรบกวนจะทำให้เกิดการรบกวน จุดสูงสุดหลัก เป็นที่พอใจตามเงื่อนไข

ที่ไหน เค= 0, 1, 2 - ลำดับสูงสุดหลักตั้งอยู่อย่างสมมาตรสัมพันธ์กับศูนย์กลาง (เค= 0, α = 0) ความเท่าเทียมกัน (24.29) คือ สูตรพื้นฐานของตะแกรงเลี้ยวเบน

ระหว่างจุดสูงสุดหลักจะมีการสร้างจุดต่ำสุด (เพิ่มเติม) ซึ่งจำนวนนั้นขึ้นอยู่กับจำนวนช่องขัดแตะทั้งหมด ให้เราได้รับเงื่อนไขสำหรับค่าขั้นต่ำเพิ่มเติม ปล่อยให้ความแตกต่างในเส้นทางของคลื่นทุติยภูมิเคลื่อนที่เป็นมุม α จากจุดที่สอดคล้องกันของรอยแยกข้างเคียงจะเท่ากับ แล/N กล่าวคือ:

ที่ไหน เอ็น- จำนวนรอยกรีดของตะแกรงเลี้ยวเบน ความแตกต่างของเส้นทางนี้ δ [ดู (24.9)] สอดคล้องกับผลต่างเฟส Δφ = 2π /น.

ถ้าเราสมมุติว่าคลื่นทุติยภูมิจากสลิตแรกมีเฟสเป็นศูนย์ในขณะที่บวกกับคลื่นอื่นๆ แล้วเฟสของคลื่นจากสลิตที่สองคือ 2π/N จากคลื่นที่สาม - 4π/N จากคลื่นที่สี่ - 6π/นิวตัน เป็นต้น ผลลัพธ์ของการเพิ่มคลื่นเหล่านี้โดยคำนึงถึงความแตกต่างของเฟสนั้นทำได้สะดวกโดยใช้แผนภาพเวกเตอร์: ผลรวม เอ็นเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า (หรือแม่เหล็ก) ที่เหมือนกัน มุมระหว่างเวกเตอร์ที่อยู่ใกล้เคียงคือ 2π/N เท่ากับศูนย์ ซึ่งหมายความว่าเงื่อนไข (24.30) สอดคล้องกับขั้นต่ำ หากความต่างของเส้นทางของคลื่นทุติยภูมิจากสลิตข้างเคียงคือ δ = 2(γ/N) หรือความต่างของเฟสคือ Δφ = 2(2π/N) การรบกวนขั้นต่ำของคลื่นทุติยภูมิที่มาจากสลิตทั้งหมดก็จะได้รับเช่นกัน เป็นต้น

ดังภาพประกอบในรูป. รูปที่ 24.14 แสดงแผนภาพเวกเตอร์ที่สอดคล้องกับตะแกรงเลี้ยวเบนที่ประกอบด้วยช่องหกช่อง: จ 1, จ 2 และฯลฯ - เวกเตอร์ความเข้มของส่วนประกอบไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งแต่ครั้งแรกวินาที ฯลฯ กรีด TH

ค่าต่ำสุดเพิ่มเติมอีกห้าค่าที่เกิดขึ้นในระหว่างการรบกวน (ผลรวมของเวกเตอร์เป็นศูนย์) จะสังเกตได้เมื่อความต่างเฟสของคลื่นที่มาจากกรีดข้างเคียงคือ 60° (a), 120° (b), 180° (c), 240° (d ) และ 300° (ง)

ดังนั้นเราจึงสามารถตรวจสอบได้ว่าระหว่างจุดศูนย์กลางและจุดสูงสุดหลักอันแรกแต่ละจุดนั้นมีอยู่ Ν - ขั้นต่ำเพิ่มเติม 1 รายการตรงตามเงื่อนไข:

ข้าว. 24.15

เมื่อแสงสีขาวหรือแสงที่ไม่ใช่สีเดียวตกบนตะแกรงการเลี้ยวเบน ค่าสูงสุดหลักแต่ละค่า ยกเว้นแสงที่อยู่ตรงกลาง จะถูกสลายออกเป็นสเปกตรัม [ดู (24.29)]. ในกรณีนี้ เคบ่งชี้ ลำดับสเปกตรัม

24.7. พื้นฐานของการวิเคราะห์โครงสร้างเอ็กซ์เรย์

สูตรพื้นฐาน (24.29) ของเกรตติ้งการเลี้ยวเบนสามารถนำมาใช้ไม่เพียงแต่ในการกำหนดความยาวคลื่นเท่านั้น แต่ยังใช้ในการแก้ปัญหาผกผันด้วย โดยการค้นหาค่าคงที่ของเกรตติ้งการเลี้ยวเบนจากความยาวคลื่นที่ทราบ งานเล็กๆ น้อยๆ ที่เกี่ยวข้องกับตะแกรงเลี้ยวเบนแบบธรรมดาดังกล่าวนำไปสู่การปฏิบัติได้จริง ปัญหาสำคัญ- การวัดพารามิเตอร์โครงตาข่ายคริสตัลโดยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ซึ่งเป็นเนื้อหาของการวิเคราะห์โครงสร้างรังสีเอกซ์

ให้ตะแกรงการเลี้ยวเบนสองอันมารวมกัน โดยมีเส้นตั้งฉากกัน สำหรับโปรยนั้นตรงตามเงื่อนไขของค่าสูงสุดหลัก:

มุม α 1 และ α 2 วัดกันในทิศทางตั้งฉากกัน ในกรณีนี้ ระบบจุดจะปรากฏขึ้นบนหน้าจอ ซึ่งแต่ละจุดจะสอดคล้องกับค่าคู่หนึ่ง เค 1และ เค 2หรือ α 1 และ α 2 ดังนั้นคุณจะพบได้ที่นี่ จาก 1และ จาก 2โดยตำแหน่งของจุดเลี้ยวเบน

โครงสร้างคาบเชิงปริมาตรตามธรรมชาติ ได้แก่ ผลึก โมเลกุลขนาดใหญ่ เป็นต้น คลื่นทุติยภูมิในคริสตัลเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากอันตรกิริยาของรังสีปฐมภูมิกับอิเล็กตรอนของอะตอม

เพื่อให้สังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบนได้อย่างชัดเจน ความสัมพันธ์บางอย่างต้องเป็นไปตามความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและพารามิเตอร์โครงสร้างคาบ (ดู 24.5) เงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดสอดคล้องกับลำดับเดียวกันของค่าเหล่านี้โดยประมาณ เมื่อพิจารณาว่าระยะห่างระหว่างจุดกระเจิง (อะตอม) ในผลึก (~10 -10 ม.) จะเท่ากับความยาวคลื่นของการแผ่รังสีเอกซ์โดยประมาณ

ในรูป ในรูปที่ 24.19 เส้นประแสดงระนาบผลึกศาสตร์สองระนาบที่อยู่ติดกัน ปฏิสัมพันธ์ การฉายรังสีเอกซ์กับอะตอมและการเกิดขึ้นของทุติยภูมิ

คลื่นเหล่านี้ถือได้ว่าเป็นภาพสะท้อนจากระนาบในลักษณะที่เรียบง่าย

ปล่อยให้รังสีเอกซ์ตกบนคริสตัลในมุมแทะเล็ม θ 1 และ 2; 1" และ 2" - รังสีสะท้อน (รอง) เอส และ ซีเอฟ - ตั้งฉากกับเหตุการณ์และรังสีสะท้อนตามลำดับ ความแตกต่างของเส้นทางของรังสีสะท้อน 1" และ 2":

ที่ไหน ล - ระยะห่างระหว่างระนาบ

ค่าสูงสุดของการรบกวนระหว่างการสะท้อนเกิดขึ้นเมื่อความแตกต่างของเส้นทางเท่ากับจำนวนเต็มของความยาวคลื่น:

นี้ สูตรวูล์ฟ-แบรกก์

เมื่อรังสีเอกซ์สีเดียวตกกระทบกับคริสตัลในมุมที่ต่างกัน การสะท้อนที่ยิ่งใหญ่ที่สุด (สูงสุด) จะเป็นมุมที่ตรงตามเงื่อนไข (24.42) เมื่อสังเกตลำแสงรังสีเอกซ์ด้วยสเปกตรัมต่อเนื่องที่มุมแทะเล็มที่แน่นอน การเลี้ยวเบนสูงสุดจะเกิดขึ้นสำหรับความยาวคลื่นที่เป็นไปตามเงื่อนไขวูล์ฟ-แบรกก์

P. Debye และ P. Scherrer เสนอวิธีการวิเคราะห์โครงสร้างของรังสีเอกซ์โดยอาศัยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบเอกรงค์ในตัววัตถุโพลีคริสตัลไลน์ (โดยปกติจะเป็นผงที่ถูกบีบอัด) ในบรรดาผลึกจำนวนมากนั้นมักจะมีผลึกที่ /, θ และ k เหมือนกันเสมอ และค่าเหล่านี้สอดคล้องกับสูตร Wulff-Bragg เรย์เสียหาย 2 (สูงสุด) จะเป็นมุม 2 θ กับพ่อ-

ให้เอ็กซเรย์ ล (รูปที่ 24.20 ก) เนื่องจากสภาพ (24.42) จะเหมือนกันสำหรับคริสตัลจำนวนมาก รังสีเอกซ์ที่มีการเลี้ยวเบนซึ่งมีทิศทางที่แตกต่างกันจึงก่อตัวเป็นกรวยในอวกาศ จุดยอดนั้นอยู่ในวัตถุที่กำลังศึกษา และมุมเปิดคือ 4θ (รูปที่ 24.20, b) ปริมาณอีกชุดครับ ลิตร θ และ k ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่น่าพอใจ (24.42) จะสอดคล้องกับเงื่อนไขอื่น

กรวย goy บนฟิล์มถ่ายภาพ รังสีเอกซ์จะสร้างภาพเอ็กซ์เรย์ (Debyegram) ในรูปของวงกลม (รูปที่ 24.21) หรือส่วนโค้ง

การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ยังสังเกตได้เมื่อมีการกระเจิงโดยของแข็ง ของเหลว และก๊าซที่ไม่มีรูปร่าง ในกรณีนี้ ภาพเอ็กซ์เรย์จะทำให้เกิดวงแหวนที่กว้างและเบลอ

ในปัจจุบัน การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของโมเลกุลและระบบทางชีววิทยาถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย: ในรูป. รูปที่ 24.22 แสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของโปรตีน ด้วยการใช้วิธีนี้ เจ. วัตสันและเอฟ. คริกได้สร้างโครงสร้างของดีเอ็นเอและได้รับรางวัล รางวัลโนเบล(1962) การใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์จากคริสตัลเพื่อศึกษาองค์ประกอบสเปกตรัมเป็นของสาขาเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปี

24.8. แนวคิดของโฮโลแกรมและการประยุกต์ที่เป็นไปได้ในการแพทย์

โฮโลแกรม 1- วิธีการบันทึกและสร้างภาพใหม่โดยอาศัยการรบกวนและการเลี้ยวเบนของคลื่น

แนวคิดเรื่องโฮโลแกรมแสดงออกมาครั้งแรกโดย D. Gabor ในปี 1948 แต่การใช้งานจริงนั้นเกิดขึ้นได้หลังจากการถือกำเนิดของเลเซอร์

1 โฮโลแกรม (เกรน.) - วิธีการบันทึกแบบเต็ม

เป็นการเหมาะสมที่จะเริ่มการนำเสนอโฮโลแกรมโดยเปรียบเทียบกับภาพถ่าย เมื่อถ่ายภาพ ความเข้มของคลื่นแสงที่สะท้อนจากวัตถุจะถูกบันทึกลงบนแผ่นฟิล์ม ภาพในกรณีนี้คือชุดของจุดมืดและจุดสว่าง เฟสของคลื่นที่กระจัดกระจายจะไม่ได้รับการบันทึก ดังนั้นข้อมูลส่วนสำคัญของวัตถุจึงสูญหายไป

ภาพสามมิติทำให้คุณสามารถบันทึกและสร้างข้อมูลที่ครบถ้วนมากขึ้นเกี่ยวกับวัตถุ โดยคำนึงถึงแอมพลิจูดและระยะของคลื่นที่กระจัดกระจายโดยวัตถุ สามารถลงทะเบียนเฟสได้เนื่องจากการรบกวนของคลื่น เพื่อจุดประสงค์นี้ คลื่นที่สอดคล้องกันสองคลื่นจะถูกส่งไปยังพื้นผิวยึดแสง ได้แก่ คลื่นอ้างอิงที่มาจากแหล่งกำเนิดแสงหรือกระจกโดยตรงที่ใช้เป็นอุปกรณ์เสริม และคลื่นสัญญาณซึ่งจะปรากฏขึ้นเมื่อส่วนหนึ่งของคลื่นอ้างอิงกระจัดกระจาย (สะท้อน) โดยวัตถุและมีข้อมูลที่เกี่ยวข้องเกี่ยวกับวัตถุนั้น

รูปแบบการรบกวนที่เกิดขึ้นจากการเพิ่มสัญญาณและคลื่นอ้างอิงและบันทึกไว้บนแผ่นไวต่อแสงเรียกว่าโฮโลแกรมหากต้องการคืนค่ารูปภาพ โฮโลแกรมจะส่องสว่างด้วยคลื่นอ้างอิงเดียวกัน

ให้เราแสดงตัวอย่างวิธีการรับโฮโลแกรมและภาพกลับคืนมา

โฮโลแกรมคลื่นเครื่องบิน

ในกรณีนี้ คลื่นสัญญาณระนาบ / ที่เกิดขึ้นที่มุม α 1 บนแผ่นถ่ายภาพจะถูกบันทึกลงบนโฮโลแกรม ฉ(รูปที่ 24.23)

คลื่นอ้างอิง II ตกตามปกติ ดังนั้นเฟสของมันจะเท่ากันที่ทุกจุดของแผ่นถ่ายภาพพร้อมกัน เฟสของคลื่นสัญญาณเนื่องจากการอุบัติการณ์แบบเอียงจะแตกต่างกันที่จุดต่างๆ ของชั้นไวแสง จากนี้ไปความแตกต่างของเฟสระหว่างรังสีอ้างอิงและคลื่นสัญญาณขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่รังสีเหล่านี้มาบรรจบกันบนแผ่นถ่ายภาพ และตามเงื่อนไขของการรบกวนสูงสุดและต่ำสุด โฮโลแกรมที่ได้จะประกอบด้วยความมืดและแสงสว่าง ลายทาง

อนุญาต แย่จัง(รูปที่ 24.23, b) สอดคล้องกับระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของขอบการรบกวนที่มืดหรือแสงที่ใกล้ที่สุด ซึ่งหมายความว่าขั้นตอนของจุด กและ วีในคลื่นสัญญาณต่างกัน 2π มีการสร้างตามปกติ เครื่องปรับอากาศไปจนถึงรังสีของมัน (หน้าคลื่น) จะเห็นได้ง่ายว่าระยะของจุดต่างๆ กและ กับเหมือนกัน. จุดต่างเฟส วีและ กับโดย 2π หมายความว่า \ВС\ = แล จากรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า เอวีเอสเรามี

ดังนั้นในตัวอย่างนี้ โฮโลแกรมจะคล้ายกับตะแกรงเลี้ยวเบน เนื่องจากพื้นที่ของการสั่นที่ได้รับการปรับปรุง (สูงสุด) และลดแรงลง (ขั้นต่ำ) จะถูกบันทึกไว้บนพื้นผิวที่ไวต่อแสง ระยะทาง แย่จังระหว่างนั้นถูกกำหนดโดยสูตร (24.43)

เนื่องจากคลื่นสัญญาณเกิดขึ้นเมื่อส่วนอ้างอิงสะท้อนจากวัตถุ จึงชัดเจนว่าในกรณีนี้วัตถุนั้นเป็นกระจกแบนหรือปริซึม กล่าวคือ อุปกรณ์ดังกล่าวที่แปลงคลื่นอ้างอิงแบบแบนให้เป็นคลื่นสัญญาณแบบแบน (รายละเอียดทางเทคนิคไม่แสดงในรูปที่ 24.23a)

โดยการส่งคลื่นอ้างอิงไปยังโฮโลแกรม ฉัน(รูปที่ 24.24) เรามาทำการเลี้ยวเบนกัน (ดู 24.6) จาก (24.29) ค่าสูงสุดหลักอันแรก (k = 1) สอดคล้องกับทิศทาง

จาก (24.46) จะเห็นได้ว่าทิศทางของคลื่น ฉัน"(รูปที่ 24.24) ซึ่งเลี้ยวเบนที่มุม 1 สอดคล้องกับสัญญาณสัญญาณ: นี่คือวิธีที่คลื่นสะท้อน (กระจัดกระจาย) จากวัตถุกลับคืนมา คลื่น ฉัน""และคลื่นของจุดสูงสุดหลักที่เหลืออยู่ (ไม่แสดงในรูป) ก็สร้างข้อมูลที่บันทึกไว้ในโฮโลแกรมด้วย

โฮโลแกรมของจุด

ส่วนหนึ่งของคลื่นอ้างอิง II กระทบกับวัตถุจุด ก(รูปที่ 24.25, a) และกระจายออกไปในรูปของคลื่นสัญญาณทรงกลม ฉัน,อีกส่วนเป็นกระจกแบน ซีมุ่งตรงไปยังแผ่นถ่ายภาพ F ซึ่งคลื่นเหล่านี้รบกวน แหล่งกำเนิดรังสีคือเลเซอร์ ล.ในรูป ในตารางที่ 24.25, b แสดงภาพโฮโลแกรมผลลัพธ์ตามแผนผัง

แม้ว่าใน ในตัวอย่างนี้คลื่นสัญญาณมีลักษณะเป็นทรงกลม เราสามารถใช้สูตร (24.45) ที่มีการประมาณค่าและสังเกตว่าเมื่อมุม α 1 เพิ่มขึ้น (ดูรูปที่ 24.23, a) ระยะห่างจะลดลง เอบีระหว่างแถบที่อยู่ติดกัน ส่วนโค้งด้านล่างในโฮโลแกรม (รูปที่ 24.25, b) ตั้งอยู่ใกล้กันมากขึ้น

หากคุณตัดแถบแคบๆ ออกจากโฮโลแกรม ดังแสดงด้วยเส้นประในรูปที่ 1 24.25, b จากนั้นมันจะคล้ายกับตะแกรงการเลี้ยวเบนแคบ ซึ่งค่าคงที่จะลดลงในทิศทางของแกน เอ็กซ์บนโครงตาข่ายดังกล่าว ค่าเบี่ยงเบนของคลื่นทุติยภูมิที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดหลักแรกจะเพิ่มขึ้นเมื่อพิกัดเพิ่มขึ้น เอ็กซ์รอยแตก [ดู (24.41)]: กับเล็กลง | ซินา| - มากกว่า.

ดังนั้น เมื่อสร้างภาพขึ้นมาใหม่โดยใช้คลื่นอ้างอิงระนาบ คลื่นที่เลี้ยวเบนจะไม่เป็นระนาบอีกต่อไป ในรูป 24.26 น. แสดงคลื่น ฉัน",ทำให้เกิดภาพเสมือน เอ"จุด A และคลื่นที่สร้างภาพ A ที่แท้จริง"

เนื่องจากคลื่นที่กระจัดกระจายโดยวัตถุมาถึงพร้อมกับคลื่นอ้างอิงที่ทุกจุดของโฮโลแกรม ทุกส่วนของคลื่นจึงมีข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุ และไม่จำเป็นต้องใช้โฮโลแกรมทั้งหมดเพื่อคืนค่าภาพ อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่า

ว่าภาพที่สร้างขึ้นใหม่นั้นแย่กว่านั้นจึงมีการใช้ส่วนเล็ก ๆ ของโฮโลแกรมสำหรับสิ่งนี้ จากรูป 24.26 จะเห็นได้ว่าภาพเสมือนจริงและภาพจริงก็เกิดขึ้นเช่นกัน หากทำการสร้างใหม่ เช่น โดยครึ่งล่างของโฮโลแกรม (เส้นประ) แต่ภาพนั้นเกิดจากรังสีจำนวนน้อยกว่า

วัตถุใดๆ ก็ตามคือกลุ่มของคะแนน ดังนั้นการให้เหตุผลสำหรับจุดหนึ่งจึงสามารถสรุปเป็นภาพรวมของโฮโลแกรมของวัตถุใดๆ ได้ ภาพโฮโลแกรมเป็นแบบสามมิติและ การรับรู้ภาพไม่แตกต่างจากการรับรู้ของวัตถุที่สอดคล้องกัน 1: การมองเห็นที่ชัดเจนของจุดต่าง ๆ ของภาพนั้นดำเนินการผ่านการปรับตัวของตา (ดู 26.4) เมื่อมุมมองเปลี่ยน มุมมองก็เปลี่ยน รายละเอียดบางอย่างของภาพอาจบดบังสิ่งอื่นได้

เมื่อกู้คืนรูปภาพ คุณสามารถเปลี่ยนความยาวของคลื่นอ้างอิงได้ ตัวอย่างเช่น โฮโลแกรมที่เกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองไม่เห็น (อัลตราไวโอเลต อินฟราเรด และรังสีเอกซ์) สามารถคืนสภาพได้ด้วยแสงที่มองเห็นได้ เนื่องจากเงื่อนไขในการสะท้อนและการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามวัตถุนั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นเป็นพิเศษ คุณลักษณะของโฮโลแกรมนี้จึงทำให้สามารถใช้เป็นวิธีการได้ การสอดใส่, หรือ วิปัสสนา 2

โอกาสที่น่าสนใจและสำคัญเป็นพิเศษกำลังเปิดขึ้นจากการเชื่อมต่อกับโฮโลแกรมล้ำเสียง เมื่อได้รับโฮโลแกรมในคลื่นกลอุลตร้าโซนิคแล้ว ก็สามารถคืนสภาพได้ด้วยแสงที่มองเห็นได้ ในอนาคต อัลตราโซนิกโฮโลแกรมสามารถนำไปใช้ในทางการแพทย์เพื่อตรวจอวัยวะภายในของมนุษย์ได้ วัตถุประสงค์ในการวินิจฉัย, กำหนดเพศของเด็กในครรภ์ เป็นต้น เมื่อพิจารณาถึงเนื้อหาข้อมูลที่มากขึ้นของวิธีนี้และอันตรายจากอัลตราซาวนด์ที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับรังสีเอกซ์ เราจึงสามารถคาดหวังได้

1 ความแตกต่างบางประการเกิดจากภาพที่มีสีเดียว ซึ่งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อบันทึกและฟื้นฟูคลื่นสีเดียว

2 บทนำ (lat.)- ข้างในและ สโคเปโอ (lat.)- ฉันเฝ้ามอง. การสังเกตวัตถุ ปรากฏการณ์ และกระบวนการด้วยสายตาในตัววัตถุและสื่อที่ทึบแสง รวมถึงในสภาวะที่ทัศนวิสัยไม่ดี

แนะนำว่าในอนาคตการตรวจเอกซเรย์โฮโลกราฟิกด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจะเข้ามาแทนที่การวินิจฉัยด้วยรังสีเอกซ์แบบเดิม

การประยุกต์ใช้โฮโลแกรมทางชีวการแพทย์อีกประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับกล้องจุลทรรศน์โฮโลแกรม อุปกรณ์นี้ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าภาพของวัตถุถูกขยายให้ใหญ่ขึ้น หากโฮโลแกรมที่บันทึกด้วยคลื่นอ้างอิงระนาบได้รับแสงจากคลื่นทรงกลมที่แยกออกจากกัน

นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Yu.N. ผู้ได้รับรางวัลเลนินมีส่วนในการพัฒนาโฮโลแกรม เดนิสยุค ผู้พัฒนาวิธีการโฮโลแกรมสี

ลักษณะคลื่นของแสงในศตวรรษที่ 17 คริสเตียน ไฮเกนส์ นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ได้แสดงความคิดที่ว่าแสงมีลักษณะเป็นคลื่น หากขนาดของวัตถุเทียบได้กับความยาวคลื่น แสงจะดูเหมือนวิ่งเข้าสู่บริเวณเงาและขอบเขตเงาจะเบลอ ปรากฏการณ์เหล่านี้ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง แนวคิดนี้ขัดแย้งกับคำกล่าวของ I. Newton ที่ว่าแสงคือกระแสของอนุภาค แต่ธรรมชาติของคลื่นของแสงได้รับการยืนยันจากการทดลองในปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การรบกวนและการเลี้ยวเบน

ปรากฏการณ์คลื่นเหล่านี้สามารถอธิบายได้โดยใช้สองแนวคิด: หลักการของฮอยเกนส์ และการเชื่อมโยงกันของแสง

หลักการของฮอยเกนส์หลักการของฮอยเกนส์เป็นดังนี้: จุดใดๆ บนหน้าคลื่นถือได้ว่าเป็นแหล่งทุติยภูมิของคลื่นเบื้องต้นที่แพร่กระจายไปในทิศทางเดิมด้วยความเร็วของคลื่นปฐมภูมิดังนั้นคลื่นปฐมภูมิจึงถือได้ว่าเป็นผลรวมของคลื่นประถมศึกษาทุติยภูมิ ตามหลักการของ Huygens ตำแหน่งใหม่ของหน้าคลื่นของคลื่นปฐมภูมิเกิดขึ้นพร้อมกับเส้นโค้งซองจดหมายจากคลื่นทุติยภูมิเบื้องต้น (รูปที่ 11.20)

ข้าว. 11.20. หลักการของฮอยเกนส์

การเชื่อมโยงกันเพื่อให้การเลี้ยวเบนและการรบกวนเกิดขึ้น จะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขความคงที่ของความต่างเฟสของคลื่นแสงจากแหล่งกำเนิดแสงที่แตกต่างกัน:

คลื่นที่มีความต่างเฟสคงที่เรียกว่า สอดคล้องกัน

เฟสคลื่นเป็นฟังก์ชันของระยะทางและเวลา:

เงื่อนไขหลักในการเชื่อมโยงกันคือความสม่ำเสมอของความถี่ของแสง อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงแล้ว แสงไม่ได้มีสีเดียวอย่างเคร่งครัด ดังนั้นความถี่และผลที่ตามมาคือความแตกต่างของเฟสของแสงอาจไม่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่ง (เวลาหรือระยะทาง) หากความถี่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา จะเรียกว่าการเชื่อมโยงกัน ชั่วคราวและเมื่อมันไม่ขึ้นอยู่กับระยะทาง – เชิงพื้นที่. ในทางปฏิบัติ ดูเหมือนว่ารูปแบบการรบกวนหรือการเลี้ยวเบนบนหน้าจอจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป (ด้วยความสอดคล้องกันของเวลา) หรือจะยังคงอยู่เมื่อหน้าจอเคลื่อนที่ไปในอวกาศ (ด้วยความเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่)

การรบกวนของแสงในปี ค.ศ. 1801 นักฟิสิกส์ แพทย์ และนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ที. ยัง (ค.ศ. 1773 - 1829) ได้รับการยืนยันอย่างน่าเชื่อถือเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่นของแสง และวัดความยาวคลื่นของแสง แผนภาพการทดลองของ Young แสดงไว้ในรูปที่ 11.21 แทนที่จะเห็นเส้นสองเส้นที่คาดไว้หากแสงเป็นอนุภาค เขาเห็นแถบสลับกันเป็นชุด นี้สามารถอธิบายได้โดยสมมติว่าแสงเป็นคลื่น

การรบกวนของแสงเรียกว่าปรากฏการณ์การทับซ้อนของคลื่น การรบกวนของแสงนั้นมีลักษณะเฉพาะโดยการก่อตัวของรูปแบบการรบกวนที่นิ่ง (คงที่เวลา) - การสลับปกติในพื้นที่ของพื้นที่ที่มีความเข้มของแสงเพิ่มขึ้นและลดลง ซึ่งเป็นผลมาจากการซ้อนทับของคลื่นแสงที่สอดคล้องกัน เช่น คลื่นความถี่เดียวกันที่มีความต่างเฟสคงที่

แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุผลต่างเฟสคงที่ระหว่างคลื่นจากแหล่งอิสระ ดังนั้นวิธีการต่อไปนี้จึงมักใช้เพื่อให้ได้คลื่นแสงที่สอดคล้องกัน แสงจากแหล่งหนึ่งถูกแบ่งออกเป็นสองลำหรือมากกว่านั้น และเมื่อส่งพวกมันไปตามเส้นทางที่ต่างกัน พวกมันก็ถูกนำมารวมกัน รูปแบบการรบกวนที่สังเกตได้บนหน้าจอขึ้นอยู่กับความแตกต่างในเส้นทางของคลื่นเหล่านี้

เงื่อนไขของการรบกวนสูงสุดและต่ำสุดการซ้อนทับของคลื่นสองลูกที่มีความถี่เท่ากันและความแตกต่างของเฟสคงที่ทำให้เกิดลักษณะที่ปรากฏบนหน้าจอ ตัวอย่างเช่น เมื่อแสงตกกระทบสองช่อง รูปแบบการรบกวน - แถบแสงสลับและแถบสีเข้มบนหน้าจอ สาเหตุของการปรากฏตัวของแถบแสงคือการซ้อนทับกันของคลื่นสองลูกในลักษณะที่มีการเพิ่มจุดสูงสุดสองจุด ณ จุดที่กำหนด เมื่อค่าสูงสุดและต่ำสุดของคลื่นทับซ้อนกันที่จุดที่กำหนด คลื่นจะชดเชยซึ่งกันและกันและแถบสีเข้มจะปรากฏขึ้น รูปที่ 11.22a และรูปที่ 11.22b แสดงเงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของความเข้มแสงต่ำสุดและสูงสุดบนหน้าจอ เพื่ออธิบายข้อเท็จจริงเหล่านี้ในระดับเชิงปริมาณ เราแนะนำสัญลักษณ์ต่อไปนี้: Δ – ผลต่างของเส้นทาง, d – ระยะห่างระหว่างสองช่อง – ความยาวคลื่นแสง ในกรณีนี้ สภาวะสูงสุดดังแสดงในรูปที่ 11.22b แสดงถึงผลคูณของความแตกต่างระหว่างเส้นทางและความยาวคลื่นของแสง:

สิ่งนี้จะเกิดขึ้นหากการแกว่งที่จุด M โดยคลื่นทั้งสองเกิดขึ้นในเฟสเดียวกันและความแตกต่างของเฟสคือ:

โดยที่ ม=1, 2, 3, ….

เงื่อนไขสำหรับการปรากฏตัวของมินิมาบนหน้าจอคือหลายหลากของแสงครึ่งคลื่น:

(11.4.5)

ในกรณีนี้ การแกว่งของคลื่นแสงที่ถูกกระตุ้นด้วยคลื่นที่สอดคล้องกันทั้งสองที่จุด M ในรูปที่ 11.22a จะเกิดขึ้นในแอนติเฟสโดยมีความต่างเฟส:

(11.4.6)

ข้าว. 11.21. เงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของค่าต่ำสุดและสูงสุดของรูปแบบการรบกวน

ตัวอย่างของการรบกวนคือการรบกวนในฟิล์มบาง เป็นที่ทราบกันดีว่าหากหยดน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันลงในน้ำจะมองเห็นคราบสีได้ เนื่องจากน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันก่อให้เกิดฟิล์มบางๆ บนน้ำ แสงส่วนหนึ่งสะท้อนจากพื้นผิวด้านบน และอีกส่วนหนึ่งสะท้อนจากพื้นผิวด้านล่าง - ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง คลื่นเหล่านี้มีความสอดคล้องกัน รังสีที่สะท้อนจากพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของฟิล์ม (รูปที่ 11.22) เข้ามารบกวนทำให้เกิดค่าสูงสุดและค่าต่ำสุด ดังนั้นรูปแบบการรบกวนจึงปรากฏบนฟิล์มบาง การเปลี่ยนแปลงความหนาของชั้นฟิล์มของน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันบนผิวน้ำทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความแตกต่างของเส้นทางสำหรับคลื่นที่มีความยาวต่างกัน และด้วยเหตุนี้ สีของแถบจึงเปลี่ยนไป

ข้าว. 11.22 การรบกวนในฟิล์มบาง

ความสำเร็จที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในการใช้สัญญาณรบกวนคือการสร้างอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสูงเป็นพิเศษสำหรับการวัดระยะทาง - อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของมิเชลสัน(รูปที่ 11.24) แสงสีเอกรงค์ตกกระทบบนกระจกโปร่งแสงที่อยู่ตรงกลางรูปแบบ ซึ่งแยกลำแสงออกจากกัน ลำแสงหนึ่งสะท้อนจากกระจกคงที่ซึ่งอยู่ที่ด้านบนของรูปที่ 11.23 ส่วนลำแสงที่สองจากกระจกที่สามารถเคลื่อนย้ายได้ซึ่งอยู่ทางด้านขวาในรูปที่ 11.23 ลำแสงทั้งสองกลับไปที่จุดสังเกตการณ์ โดยรบกวนซึ่งกันและกันบนเครื่องบันทึกการรบกวนคลื่นแสง การเปลี่ยนกระจกที่ขยับได้หนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นส่งผลให้มีแถบแสงมาแทนที่แถบสีเข้ม ความแม่นยำในการวัดระยะทางที่ทำได้ในกรณีนี้คือ 10 -4 มม. นี่เป็นหนึ่งในวิธีการที่แม่นยำที่สุดในการวัดขนาดของปริมาณที่มองด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งช่วยให้คุณวัดระยะทางได้อย่างแม่นยำเทียบได้กับความยาวคลื่นของแสง

การติดตั้งเทคโนโลยีขั้นสูงสมัยใหม่ เช่น องค์ประกอบของ Large Hadron Collider ที่ CERN ได้รับการปรับแต่งอย่างแม่นยำจนถึงความยาวคลื่นของแสง

ข้าว. 11.23. อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของมิเชลสัน

การเลี้ยวเบน. การค้นพบเชิงทดลองของปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนเป็นอีกการยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีคลื่นของแสง

ที่ Paris Academy of Sciences ในปี 1819 A. Fresnel นำเสนอทฤษฎีคลื่นของแสง ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนและการรบกวน ตามทฤษฎีคลื่น การเลี้ยวเบนของแสงบนดิสก์ทึบแสงควรทำให้เกิดจุดสว่างตรงกลางดิสก์ เนื่องจากความแตกต่างในเส้นทางของรังสีที่อยู่ตรงกลางดิสก์นั้นเป็นศูนย์ การทดลองยืนยันสมมติฐานนี้ (รูปที่ 11.24) ตามทฤษฎีของไฮเกนส์ จุดบนขอบจานเป็นแหล่งของคลื่นแสงทุติยภูมิ และพวกมันเชื่อมโยงซึ่งกันและกัน ดังนั้นแสงจึงเข้าสู่บริเวณด้านหลังดิสก์

การเลี้ยวเบนเรียกว่าปรากฏการณ์คลื่นโค้งรอบสิ่งกีดขวาง หากความยาวคลื่นยาว แสดงว่าคลื่นไม่สังเกตเห็นสิ่งกีดขวาง หากความยาวคลื่นเทียบได้กับขนาดของสิ่งกีดขวาง ขอบเงาของสิ่งกีดขวางบนหน้าจอจะเบลอ

ข้าว. 11.24. การเลี้ยวเบนจากดิสก์ทึบแสง

การเลี้ยวเบนของแสงด้วยช่องเดียวส่งผลให้เกิดแสงสลับและแถบสีเข้ม นอกจากนี้ เงื่อนไขสำหรับขั้นต่ำแรกมีแบบฟอร์ม (รูปที่ 11.25):

ความยาวคลื่นอยู่ที่ไหน d คือขนาดกรีด

รูปเดียวกันนี้แสดงการพึ่งพาความเข้มของแสงกับมุมเบี่ยงเบน θ จากทิศทางตรง

ข้าว. 11.25. เงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของสูงสุดที่ 1

ตัวอย่างง่ายๆ ของการเลี้ยวเบนสามารถสังเกตได้ด้วยตนเอง: ถ้าเรามองหลอดไฟในห้องผ่านช่องเล็กๆ บนฝ่ามือหรือผ่านรูเข็ม เราจะสังเกตเห็นวงกลมหลากสีที่มีศูนย์กลางร่วมกันรอบๆ แหล่งกำเนิดแสง

โดยอาศัยการใช้ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนของงาน สเปกโตรสโคป- อุปกรณ์สำหรับการวัดความยาวคลื่นที่แม่นยำมากโดยใช้ตะแกรงเลี้ยวเบน (รูปที่ 11.26)

ข้าว. 11.26. สเปกโตรสโคป

สเปกโตรสโคปถูกคิดค้นโดยโจเซฟ ฟรอนโฮเฟอร์ในปี ค.ศ ต้น XIXศตวรรษ. ในนั้น แสงที่ส่องผ่านรอยกรีดและเลนส์ปรับแนวกลับกลายเป็นลำแสงบางๆ ของรังสีคู่ขนาน แสงจากแหล่งกำเนิดจะเข้าสู่คอลลิเมเตอร์ผ่านช่องแคบๆ รอยกรีดอยู่ในระนาบโฟกัส กล้องโทรทรรศน์จะตรวจสอบตะแกรงการเลี้ยวเบน หากมุมเอียงของท่อตรงกับมุมที่พุ่งไปสูงสุด (โดยปกติจะเป็นมุมแรก) ผู้สังเกตจะเห็นแถบสว่าง ความยาวคลื่นถูกกำหนดโดยมุม θ ของตำแหน่งสูงสุดแรกบนหน้าจอ โดยพื้นฐานแล้วอุปกรณ์นี้ใช้หลักการดังแสดงในรูปที่ 11.25

เพื่อให้ได้ความเข้มของแสงขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น (การพึ่งพานี้เรียกว่าสเปกตรัม) แสงจึงถูกส่งผ่านปริซึม ที่ทางออกจากนั้น แสงจึงถูกแยกออกเป็นส่วนประกอบซึ่งเป็นผลมาจากการกระจายตัว คุณสามารถวัดสเปกตรัมรังสีได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ หลังจากการประดิษฐ์ฟิล์มถ่ายภาพ เครื่องมือที่มีความแม่นยำมากขึ้นได้ถูกสร้างขึ้น: สเปกโตรกราฟ การทำงานบนหลักการเดียวกันกับสเปกโตรสโคป มีกล้องแทนหลอดสังเกตการณ์ ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 กล้องถูกแทนที่ด้วยหลอดอิเล็กตรอนโฟโตมัลติพลายเออร์ ซึ่งช่วยให้มีความแม่นยำและการวิเคราะห์แบบเรียลไทม์เพิ่มขึ้นอย่างมาก

การรบกวนคือการเพิ่มการสั่นสะเทือน ผลจากการรบกวน แอมพลิจูดของการแกว่งจะเพิ่มขึ้นที่จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศ และลดลงที่จุดอื่นๆ รูปแบบการรบกวนคงที่จะสังเกตได้ก็ต่อเมื่อความแตกต่างระหว่างการแกว่งที่เพิ่มเข้ามานั้นคงที่ (พวกเขา สอดคล้องกัน ). เห็นได้ชัดว่าการแกว่งของความถี่เดียวกันสามารถเชื่อมโยงกันได้ ดังนั้นจึงมักศึกษาการรบกวน สีเดียว ความลังเล

การเลี้ยวเบน- เรียกปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของคลื่นว่าโค้งงอรอบสิ่งกีดขวาง กล่าวคือ เบี่ยงเบนไปจากการแพร่กระจายเป็นเส้นตรง

ภาพด้านขวาแสดงให้เห็นว่าคลื่นเสียงเปลี่ยนทิศทางอย่างไรหลังจากผ่านรูในผนัง ตามหลักการของไฮเกนส์ บริเวณที่ 1-5 จะกลายเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นเสียงทรงกลมรอง จะเห็นได้ว่าแหล่งทุติยภูมิในพื้นที่ 1 และ 5 ทำให้เกิดการโค้งงอของคลื่นรอบสิ่งกีดขวาง

คำถามที่ 30.1

คลื่นนิ่ง. สมการคลื่นนิ่ง

หากคลื่นหลายคลื่นแพร่กระจายในตัวกลาง การแกว่งของอนุภาคในตัวกลางจะกลายเป็นผลรวมทางเรขาคณิตของการแกว่งที่อนุภาคจะเกิดขึ้นหากคลื่นแต่ละคลื่นแพร่กระจายแยกกัน คลื่นทับซ้อนกัน กันและกัน,โดยไม่รบกวน(โดยไม่บิดเบือนกัน). นั่นคือสิ่งที่มันเป็น หลักการซ้อนทับของคลื่น

หากคลื่นสองลูกมาถึงจุดใดๆ ในอวกาศมีความต่างเฟสคงที่ คลื่นดังกล่าวจะถูกเรียก สอดคล้องกันเมื่อเพิ่มคลื่นที่สอดคล้องกันแล้ว ก ปรากฏการณ์การรบกวน

กรณีที่สำคัญมากของการรบกวนจะเกิดขึ้นเมื่อมีการซ้อนทับคลื่นระนาบตอบโต้ที่มีแอมพลิจูดเท่ากันสองอัน กระบวนการออสซิลเลชันที่เกิดขึ้นนั้นเรียกว่า คลื่นยืน . คลื่นนิ่งเกือบจะเกิดขึ้นเมื่อสะท้อนจากสิ่งกีดขวาง

ให้เราเขียนสมการของคลื่นระนาบสองอันที่แพร่กระจายไปในทิศทางตรงกันข้าม (เฟสเริ่มต้น):

นิพจน์สำหรับเฟสไม่รวมพิกัด ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนได้:

จุดของตัวกลางที่อยู่ที่โหนดจะไม่แกว่งไปมา

การก่อตัวของคลื่นนิ่งจะสังเกตได้ในระหว่างการรบกวนการเดินทางและคลื่นสะท้อน ที่ขอบเขตที่สะท้อนคลื่นจะได้รับแอนติโนดหากตัวกลางที่เกิดการสะท้อนนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่า (รูปที่ 5.5, ก) และปม - ถ้าหนาแน่นกว่า (รูปที่ 5.5, ข).

ถ้าเราพิจารณา คลื่นการเดินทาง แล้วไปในทิศทางของการขยายพันธุ์ พลังงานที่ถูกถ่ายโอน การเคลื่อนไหวแบบสั่น. เมื่อไร เดียวกัน ไม่มีคลื่นนิ่งของการถ่ายโอนพลังงาน , เพราะ คลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนที่มีแอมพลิจูดเท่ากันจะพาพลังงานเดียวกันไปในทิศทางตรงกันข้าม

คำถามที่ 32

คลื่นเสียง.

เสียง(หรือ อะคูสติก) คลื่นเรียกว่าคลื่นยืดหยุ่นที่แพร่กระจายในตัวกลางที่มีความถี่อยู่ในช่วง 16-20,000 เฮิรตซ์ คลื่นความถี่เหล่านี้ซึ่งส่งผลต่อระบบการได้ยินของมนุษย์ทำให้เกิดความรู้สึกถึงเสียง คลื่นด้วย n< 16 Гц (อินฟราเรด) และ n> 20 กิโลเฮิร์ตซ์ ( อัลตราโซนิก) ไม่ถูกรับรู้โดยอวัยวะการได้ยินของมนุษย์

คลื่นเสียงในก๊าซและของเหลวสามารถอยู่ในแนวยาวได้เท่านั้น เนื่องจากตัวกลางเหล่านี้มีความยืดหยุ่นเฉพาะในส่วนที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนรูปของการบีบอัด (แรงดึง) เท่านั้น ในของแข็ง คลื่นเสียงสามารถเป็นได้ทั้งแนวยาวและแนวขวางตั้งแต่นั้นมา ของแข็งมีความยืดหยุ่นในเรื่องแรงอัด (แรงดึง) และการเสียรูปของแรงเฉือน

ความเข้มของเสียง(หรือ พลังแห่งเสียง) คือปริมาณที่กำหนดโดยพลังงานเฉลี่ยเวลาที่ถูกถ่ายโอนโดยคลื่นเสียงต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นที่หน่วยที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น:

หน่วย SI ของความเข้มเสียง - วัตต์ต่อเมตรยกกำลังสอง(วัตต์/ตร.ม.)

ความไวของหูของมนุษย์จะแตกต่างกันไปตามความถี่ที่ต่างกัน คลื่นจะต้องมีความเข้มขั้นต่ำที่แน่นอน แต่หากความเข้มนี้เกินขีดจำกัดที่กำหนด คลื่นจะไม่ได้ยินและทำให้เกิดความรู้สึกเจ็บปวดเท่านั้น ดังนั้นความถี่การสั่นแต่ละครั้งจึงมีค่าต่ำสุด (เกณฑ์การได้ยิน)และยิ่งใหญ่ที่สุด (เกณฑ์ความเจ็บปวด)ความเข้มของเสียงที่สามารถทำให้เกิดการรับรู้ทางเสียงได้ ในรูป 223 แสดงการพึ่งพาเกณฑ์การได้ยินและความเจ็บปวดกับความถี่ของเสียง พื้นที่ที่อยู่ระหว่างเส้นโค้งทั้งสองนี้คือ พื้นที่การได้ยิน

หากความเข้มของเสียงเป็นปริมาณที่กำหนดลักษณะเฉพาะของกระบวนการคลื่นอย่างเป็นกลาง ลักษณะเฉพาะของเสียงที่เกี่ยวข้องกับความเข้มของเสียงก็คือ ระดับเสียงขึ้นอยู่กับความถี่ ตามกฎหมายของเวเบอร์-เฟคเนอร์ทางสรีรวิทยา เมื่อความเข้มของเสียงเพิ่มขึ้น ความดังจะเพิ่มขึ้นแบบลอการิทึม บนพื้นฐานนี้ การประเมินตามวัตถุประสงค์ของระดับเสียงจะถูกนำมาใช้ตามค่าที่วัดได้ของความเข้ม:

ที่ไหน ฉัน 0 - ความเข้มของเสียงที่เกณฑ์การได้ยิน ซึ่งถือว่าเสียงทั้งหมดอยู่ที่ 10–12 W/m2 ขนาด ลเรียกว่า ระดับความเข้มของเสียงและแสดงเป็น bel (เพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้ประดิษฐ์โทรศัพท์ Bell) โดยปกติแล้วพวกเขาจะใช้หน่วยที่เล็กกว่า 10 เท่า - เดซิเบล(เดซิเบล)

ลักษณะทางสรีรวิทยาของเสียงคือ ระดับเสียงซึ่งแสดงไว้ใน พื้นหลัง(พื้นหลัง). ระดับเสียงที่ 1,000 เฮิรตซ์ (ความถี่ของโทนเสียงบริสุทธิ์มาตรฐาน) จะเท่ากับ 1 เสียง หากระดับความเข้มของเสียงคือ 1 เดซิเบล ตัวอย่างเช่น เสียงรบกวนในรถรถไฟใต้ดินที่ความเร็วสูงสอดคล้องกับ »90 วอน และเสียงกระซิบที่ระยะ 1 เมตรสอดคล้องกับ »20 วอน

เสียงจริงคือการซ้อนทับของการสั่นแบบฮาร์มอนิกด้วยชุดความถี่ขนาดใหญ่เช่น เสียงมี สเปกตรัมเสียงซึ่งอาจจะเป็น แข็ง(ในช่วงหนึ่งมีการแกว่งของความถี่ทั้งหมด) และ ปกครอง(มีการสั่นสะเทือนของความถี่บางความถี่แยกจากกัน)

นอกจากระดับเสียงแล้ว เสียงยังมีลักษณะระดับเสียงสูงและต่ำอีกด้วย ขว้าง- คุณภาพเสียง กำหนดโดยบุคคลด้วยหูและขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียง เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ระดับเสียงจะเพิ่มขึ้น กล่าวคือ เสียงจะ "สูงขึ้น" ธรรมชาติของสเปกตรัมเสียงและการกระจายพลังงานระหว่างความถี่ที่กำหนดจะกำหนดลักษณะเฉพาะของความรู้สึกเสียง ที่เรียกว่า เสียงต่ำดังนั้น นักร้องแต่ละคนที่เล่นโน้ตตัวเดียวกันจึงมีสเปกตรัมเสียงที่แตกต่างกัน กล่าวคือ เสียงของพวกเขามีเสียงต่ำที่แตกต่างกัน

แหล่งกำเนิดเสียงอาจเป็นร่างกายใดก็ตามที่สั่นในตัวกลางที่ยืดหยุ่นด้วย ความถี่เสียง(ตัวอย่างเช่น ในเครื่องสาย แหล่งกำเนิดเสียงคือสายที่เชื่อมต่อกับตัวเครื่องดนตรี)

โดยการสั่น ร่างกายจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของอนุภาคที่อยู่ติดกันของตัวกลางที่มีความถี่เท่ากัน สถานะของการเคลื่อนที่แบบสั่นจะถูกส่งอย่างต่อเนื่องไปยังอนุภาคของตัวกลางที่อยู่ห่างจากร่างกายมากขึ้นเรื่อย ๆ เช่น คลื่นแพร่กระจายในตัวกลางที่มีความถี่การสั่นเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิด และด้วยความเร็วที่แน่นอนขึ้นอยู่กับความหนาแน่น และคุณสมบัติยืดหยุ่นของตัวกลาง ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นเสียงในก๊าซคำนวณโดยสูตร

ที่ไหน ร-ค่าคงที่ของก๊าซกราม เอ็ม -มวลกราม ก.=С р/С V -อัตราส่วนของความจุความร้อนกรามของก๊าซที่ความดันและปริมาตรคงที่ ที -อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ จากสูตร (158.1) จะได้ว่าความเร็วเสียงในแก๊สไม่ขึ้นอยู่กับความดัน รก๊าซแต่จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ยิ่งมวลโมลของก๊าซมาก ความเร็วของเสียงก็จะยิ่งต่ำลง เช่น เมื่อใด ต=273 K ความเร็วเสียงในอากาศ ( ม=29×10 –3 กก./โมล) โวลต์=331 m/s มีหน่วยเป็นไฮโดรเจน ( ม=2×10 –3 กก./โมล) โวลต์= 1260 ม./วินาที นิพจน์ (158.1) สอดคล้องกับข้อมูลการทดลอง

เมื่อแพร่กระจายเสียงในบรรยากาศจำเป็นต้องคำนึงถึงปัจจัยหลายประการ: ความเร็วและทิศทางลม, ความชื้นในอากาศ, โครงสร้างโมเลกุลของตัวกลางที่เป็นก๊าซ, ปรากฏการณ์การหักเหและการสะท้อนของเสียงที่ขอบเขตของสื่อทั้งสอง นอกจากนี้ สื่อจริงใดๆ ก็มีความหนืด ดังนั้นจึงสังเกตได้ว่าการลดทอนเสียง กล่าวคือ แอมพลิจูดลดลง และผลที่ตามมาคือความเข้มของคลื่นเสียงในขณะที่มันแพร่กระจาย การลดทอนของเสียงส่วนใหญ่เกิดจากการดูดซับในตัวกลาง ซึ่งสัมพันธ์กับการเปลี่ยนผ่านของพลังงานเสียงไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (ส่วนใหญ่เป็นความร้อน)

สำหรับอะคูสติกในห้องนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เสียงก้องกังวาน- กระบวนการลดทอนเสียงอย่างค่อยเป็นค่อยไป ในอาคารหลังจากปิดแหล่งที่มาแล้ว หากห้องว่างเปล่า เสียงจะค่อยๆ จางลง และสร้าง “ความบูม” ของห้องขึ้นมา หากเสียงจางลงอย่างรวดเร็ว (เมื่อใช้วัสดุดูดซับเสียง) เสียงเหล่านั้นจะถูกมองว่าไม่ชัด เวลาก้องกังวาน- นี่คือช่วงเวลาที่ความเข้มของเสียงในห้องถูกลดทอนลงล้านเท่า และระดับของเสียงอยู่ที่ 60 เดซิเบล ห้องมีระบบเสียงที่ดีหากเวลาสะท้อนคือ 0.5-1.5 วินาที

คำถามที่ 32.1

ขว้าง
นอกจากระดับเสียงแล้ว เสียงยังมีลักษณะเฉพาะด้วยระดับเสียงสูงต่ำ ระดับเสียงจะถูกกำหนดโดยความถี่ของมัน: ยิ่งความถี่ของการสั่นในคลื่นเสียงสูงเท่าไร เสียงก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น การสั่นสะเทือนความถี่ต่ำสอดคล้องกับเสียงต่ำ การสั่นสะเทือนความถี่สูงสอดคล้องกับเสียงสูง

ตัวอย่างเช่น ผึ้งบัมเบิลบีจะกระพือปีกด้วยความถี่ต่ำกว่ายุง โดยสำหรับผึ้งบัมเบิลบีจะเต้น 220 ครั้งต่อวินาที และสำหรับยุงจะเต้น 500-600 ครั้งต่อวินาที ดังนั้นการบินของผึ้งจึงมาพร้อมกับเสียงต่ำ (หึ่ง) และการบินของยุงจะมาพร้อมกับเสียงสูง (เสียงแหลม)

คลื่นเสียงที่มีความถี่หนึ่งเรียกว่าโทนเสียงดนตรี ดังนั้นระดับเสียงสูงต่ำจึงมักเรียกว่าระดับเสียงสูงต่ำ

โทนเสียงพื้นฐานผสมกับการสั่นของความถี่อื่นๆ ทำให้เกิดเสียงดนตรี ตัวอย่างเช่น เสียงไวโอลินและเปียโนสามารถมีการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันได้ถึง 15-20 รูปแบบ องค์ประกอบของเสียงที่ซับซ้อนแต่ละเสียงจะเป็นตัวกำหนดน้ำเสียงของมัน

ความถี่ การสั่นสะเทือนฟรีเชือกขึ้นอยู่กับขนาดและความตึงของมัน ดังนั้นการตึงสายกีตาร์โดยใช้หมุดช่วยและกดเข้ากับคอกีตาร์เข้าไป สถานที่ที่แตกต่างกันเราเปลี่ยนความถี่ของพวกเขาเอง และด้วยเหตุนี้ระดับเสียงที่พวกเขาทำ

ธรรมชาติของการรับรู้เสียงส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับรูปแบบของห้องที่ได้ยินเสียงพูดหรือดนตรี สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่า ในพื้นที่ปิด ผู้ฟังยังรับรู้ถึงชุดการทำซ้ำอย่างรวดเร็วอย่างต่อเนื่องที่เกิดจากการสะท้อนหลายครั้งของเสียงจากวัตถุในห้อง ผนัง เพดาน และพื้น นอกเหนือจากเสียงโดยตรงแล้ว

คำถาม 32.2

พลังแห่งเสียง

พลังแห่งเสียง(ญาติ) - คำล้าสมัยที่อธิบายค่าที่คล้ายกัน แต่ไม่เหมือนกันกับความเข้มของเสียง เราสังเกตสถานการณ์เดียวกันโดยประมาณสำหรับความเข้มของการส่องสว่าง (หน่วย - แคนเดลา) - ค่าใกล้เคียงกับความเข้มของรังสี (หน่วย - วัตต์ต่อสเตอเรเดียน)

ความเข้มของเสียงวัดในระดับสัมพัทธ์จากค่าเกณฑ์ ซึ่งสอดคล้องกับความเข้มของเสียง 1 pW/m² ที่ความถี่สัญญาณไซน์ 1 kHz และความดันเสียง 20 μPa เปรียบเทียบคำจำกัดความนี้กับคำจำกัดความของหน่วยความเข้มของการส่องสว่าง: “แคนเดลาเท่ากับความเข้มของแสงที่ปล่อยออกมาในทิศทางที่กำหนดโดยแหล่งกำเนิดสีเดียว โดยมีความถี่การแผ่รังสี 540 THz และความเข้มของการแผ่รังสีในทิศทางนั้น 1/ 683 วัตต์/วินาที”

ปัจจุบันระยะ "พลังแห่งเสียง"เข้ามาแทนที่ด้วยคำว่า "ระดับเสียง"

ถ้าขว้างก้อนหิน มันก็จะบินตรงไป อาจชนกับสิ่งกีดขวางและกระเด็นออกไป หากกระทบกับเครื่องบินที่ทำมุมกับทิศทางการบิน มันจะกระเด้งไปด้านข้าง

แต่หินจะไม่สามารถผ่านสิ่งกีดขวางได้ไม่ว่าในกรณีใด ยกเว้นกรณีที่คุณช่วยเขา นั่นคือเขาจะไม่สามารถทำเองได้ การเคลื่อนไหวของวัตถุใดๆ และดังนั้น อนุภาคจึงอยู่ภายใต้กฎหมายนี้ พวกมันกระเด้งออกจากสิ่งกีดขวางหรือบินผ่าน แต่อย่าอ้อมไป

คลื่นมีพฤติกรรมแตกต่างออกไป ไม่ว่าคุณจะสังเกตเห็นสิ่งนี้หรือไม่ก็ตาม การตรวจสอบไม่ใช่เรื่องยาก: คลื่นที่ผ่านสิ่งกีดขวางจะโค้งงอเล็กน้อยไปรอบ ๆ ในขณะเดียวกันทิศทางของการขยายพันธุ์ก็เปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่น คลื่นน้ำที่ผ่านช่องแคบๆ จะขยายตัวออกไปทางด้านข้างเมื่อขยายออกไปอีก ปรากฎว่าเธอเดินไปรอบ ๆ สิ่งกีดขวางในรูปแบบของขอบเขตของช่องเปิด

การโก่งตัวของแสงและการเพิ่มคลื่นแสง

คลื่นทั้งหมดมีพฤติกรรมเช่นนี้ ไม่ว่าจะเป็นแบบกลไกหรือแบบแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากแสงสว่างนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเขาก็ประพฤติอย่างนั้นเหมือนกัน ปรากฏการณ์ของการเบี่ยงเบนของแสงจากการแพร่กระจายเชิงเส้นเมื่อปัดเศษสิ่งกีดขวางเรียกว่าการเลี้ยวเบนของแสง ตัวอย่างเช่น ขอบเงาที่พร่ามัวเป็นตัวอย่างของการเลี้ยวเบนของแสงที่ขอบของร่างกายซึ่งทำให้เกิดเงา

เนื่องจากการเลี้ยวเบนของแสง มีปรากฏการณ์อื่นที่เรียกว่าการรบกวนของแสง การรบกวนของแสงคือการเพิ่มความเข้มของคลื่นแสงตั้งแต่ 2 คลื่นขึ้นไป เป็นผลให้เกิดรูปแบบของความเข้มแสงสูงสุดและต่ำสุด

การรบกวนและการเลี้ยวเบนของแสงมีความสัมพันธ์กันในลักษณะที่ตรงและทันทีที่สุด ที่จริงแล้ว การรบกวนเป็นผลมาจากการเลี้ยวเบน สามารถทำการทดลองเพื่อสังเกตการรบกวนและการเลี้ยวเบนของแสงในสภาพห้องปฏิบัติการ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ลำแสงจะถูกส่งผ่านช่องแคบๆ ที่เป็นวัสดุทึบแสง ซึ่งด้านหลังซึ่งมีฉากกั้นอยู่

แถบแสงจะปรากฏขึ้นบนหน้าจอ ซึ่งจะกว้างกว่าขนาดของรอยกรีดอย่างเห็นได้ชัด สิ่งนี้อธิบายได้จากการเลี้ยวเบนของแสงซึ่งเมื่อผ่านช่องนั้น โค้งงอเล็กน้อยรอบๆ สิ่งกีดขวางทั้งสองในรูปแบบของขอบเขตของช่องนั้น และลำแสงก็กว้างขึ้น หากเราไม่ได้สร้างหนึ่งรายการ แต่มีสองช่องที่อยู่ใกล้ ๆ จากนั้นบนหน้าจอเราจะไม่เห็นแถบแสงสองแถบ แต่เป็นแถบแสงและเงาที่สลับกันทั้งชุด ในกรณีนี้จะมีแถบที่สว่างที่สุดหนึ่งแถบตรงกลาง

นี่เป็นผลมาจากการรบกวนของแสง และเราจะเห็นสิ่งที่เรียกว่า "รูปแบบการรบกวน" คำอธิบายภาพนี้จะง่าย: เนื่องจากการเลี้ยวเบนในแต่ละช่อง ลำแสงจะขยายออก และเมื่อผ่านไปอีก คลื่นสองลูกจะถูกรวมเข้าด้วยกัน

นอกจากนี้ แอมพลิจูดของคลื่นเหล่านี้ยังแตกต่างกันในทุกจุดในอวกาศ ดังนั้น แอมพลิจูดสุดท้ายของคลื่นทั้งหมดที่เกิดจากการบวกของคลื่นสองลูกจะขึ้นอยู่กับว่าแอมพลิจูดของคลื่นดั้งเดิมมีการกระจายในอวกาศอย่างไร

ในบริเวณที่แอมพลิจูดของคลื่นมีค่าสูงสุด จะสังเกตค่าสูงสุดของคลื่นทั้งหมด ในสถานที่อื่นๆ ที่แอมพลิจูดอยู่นอกเฟส แอมพลิจูดทั้งหมดจะเป็นศูนย์ สถานที่ที่เหลือจะอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านระหว่างสองกรณีนี้