Interferența luminii

    7&8. Prin ce se deosebeste figura de interferenta obtinuta cu dispozitivul Young de cea obtinuta cu lama cu fete plan-paralele si pana optica?

 Daca la dispozitivul Young, figura de interferenta este formata din franje rectilinii luminoase (benzi luminoase) ce alterneaza cu cele intunecoase (benzi intunecoase), paralele si echidistante, figura obtinuta cu lama cu fete plan-paralele este formata din franje de egala inclinare (cercuri concentrice, numite Inelele lui Heidinger), iar figura obtinuta cu pana optica este formata din franje de egala grosime, paralele cu muchia penei si intre ele, si echidistante.

      6. Ce sunt undele coerente?

Se numesc unde coerente undele care au aceeasi frecventa si diferenta de faza constanta in timp.

      5. Ce este franja de interferenta?

 Franja de interferenta reprezinta curba care uneste punctele de maxim, respectiv punctele de minim.

Se deosebesc doua feluri de franje (nelocalizate si localizate).

 In cazul franjelor nelocalizate, se obtine o dedublare a unuia si aceluias izvor (sursa) sau utilizarea unui izvor impreuna cu o imagine a sa.

 Se pot obtine franje de interferenta localizate, fie la infinit (exemplu: franjele Haidinger, care sunt inele de inalta tensiune), fie pe o placa (in cazul lamei cu fete plan-paralele). Forma franjelor poate fi de inele (exemplu: inelele lui Newton) sau de linii paralele.

      4. Ce este interfranja?

Interfranja reprezinta distanta intre doua benzi luminoase, respectiv doua benzi intunecoase

 In anumite puncte din spatiu se vor forma zone cu aceeasi valoare a intensitatii rezultante numite franje de interferenta. Franjele pot fi de minim sau de maxim, în functie de valoarea amplitudinii rezultante. Alti factori de care depinde figura de interferenta sunt:

   • lungimea de unda (culoarea) a sursei de lumina;

   • intensitatea luminoasa a sursei de lumina;

   • distanta intre fante (in cazul dispozitivului Young);

   • distanta intre fante si ecran (in cazul dispozitivului Young);

   • distanta intre fante si sursa (in cazul dispozitivului Young).

      2. In ce conditii se obtine interferenta stationara?

 Pentru a obtine un fenomen de interferenta stationara, undele trebuie sa aiba aceeasi frecventa si sa fie coerente, adica sa aiba o diferenta de faza constanta in timp.

  Interferenta luminii este procesul care presupune suprapunerea a doua sau mai multe unde luminoase coerente.

     4. Ce înțelegem prin optica albastră?

 Daca ati fost atenti la obiectivele unor aparate de fotografiat de foarte buna calitate, ati putut sa sesizati ca acestea au o irizatie albastruie. Acest fenomen poarta denumirea de "optica albastra".

Img.9 - Evidentierea irizatiei de culoare albastra.

 Pentru a intelege rostul acestei tehnici, trebuie sa analizam trecerea luminii printr-un bloc paralelipipedic de lumina, lama plan-paralela reala (fenomen vizibil in Img.10). Pe langa imaginea fenomenelor de reflexie si de refractie se vede o scadere a intensitatii luminoase pe masura ce lumina sufera tot mai multe reflexii si refractii.

 Img.10

 Din cauza ca trebuie sa se conserve energia si pentru unda luminoasa din fascicul putem sa scriem ca suma intensitatilor undei reflectate (I_refl), refractate (I_refr), si absorbite de sticla (I_abs) este constanta si egala cu intensitatea undei incidente(I₀): 

  

Daca se impart ambii termeni din relatia de mai sus cu I₀, obtinem:

( Termenii R, T si A reprezinta coeficientul de reflexie, coeficientul de transmisie si respectiv coeficientul de absortie, valorile lor numerice fiind cuprinse intre 0 si 1)

 Aceasta relatie ne spune ca daca reflexia este mare, atunci transmisia este mica si reciproc. Pentru un aparat de fotografiat este important ca in aparat sa intre (prin obiectiv) cat mai multa lumina, deci ca lentila obiectiv sa fie cat mai transparenta. Dar aceasta transparenta depinde de indicii de refractie a aerului (n1) si a sticlei (n2), dupa o formula stabilita de Augustin Fresnel:

     3. Cum se explica culorile lamelor subtiri?

 Suntem captivați când vedem în natură ceva cu o multitudine de culori, sau atunci când culorile par a se schimba în funcție de punctul din care privim. Fie că privim o perlă sau o scoică, aripile transparente ale libelulelor, fluturi, sau pene de păuni suntem imediat atrași de culorile lor, de irizațiile produse de acestea (irizație provine din latinescul "Iris", adică curcubeu).

 Img.5

 Img.6

 Img.7

 Aceste irizații cât și culorile pe care le observăm pe baloanele de săpun sau, și mai cunoscut, pe un strat fin de ulei de pe un trotuar umed, sunt denumite culorile lamelor subțiri și reprezintă franje de interferență rezultate în urma interferenței luminii albe prin peliculele fine pe care le prezintă și care acționează precum o lamă subțire de sticlă.

     2. Cate metode de obtinere de unde coerente exista?

 Obtinerea undelor coerente pentru realizarea interferentei se face separand din fluxul luminos emis de o sursa monocromatica doua fascicule de lumina care ulterior se suprapun din nou in zona de interferenta. In acest scop se utilizeaza numeroase dispozitive, care se încadreaza în doua metode:

  - metoda divizarii frontului de unda (exemplu: dispozitivul lui Young);

  - metoda divizarii amplitudinii (exemplu: lama cu fete plan paralele).

  Metode de obtinere a undelor coerente cunoscute:

 Unul din procedeele de obtinere a undelor coerente este cel prin care radiatia emisa de un izvor punctiform este divizata in doua parti, iar cele doua parti se intalnesc din nou intr-un punct. In acest caz undele care interfera provin din aceeasi unda initiala. Acesta este procedeul de obtinere a undelor, prin divizarea frontului de unda.

 Izvoarele coerente prin divizarea frontului de unda se pot realiza in optica prin:

  - formarea a doua imagini ale aceluiasi izvor luminos;

  - intrebuintarea izvorului si a unei imagini a sa.

 In acest scop se concep si se folosesc diferite dispozitive experimentale.Doua dintre cele mai reprezentative dispozitive de acest tip sunt oglinzile Fresnel si bilentilele Billet.

Figurile de interferenta obtinute astfel sunt foarte fine numai daca izvoarele sunt punctiforme, franjele de interferenta fiind nelocalizate.

 Un fascicul de lumina poate fi, de asemenea, divizat cu una sau mai multe suprafete reflectatoare, de pe care o parte de lumina se reflecta, iar alta parte se transmite cu intensitatile corespunzatoare.

 Cum intensitatea luminii este o masura a patratului amplitudinii spunem ca undele coerente se obtin, in acest caz, prin divizarea amplitudinii.

 Aceste unde se pot obtine si de la izvoare mai intinse, iar efectele de interferenta pot fi chiar mai intense, decat in cazul undelor coerente, obtinute prin divizarea frontului de unda. De altfel, in practica se folosesc izvoare mai mult sau mai putin intinse.

 Interferenta undelor electromagnetice din domeniul vizibil, ca si in cazul undelor mecanice, consta in suprapunerea a doua sau mai multe unde intr-o zona spatiala.

 Insa, in cazul undelor mecanice, rezultatul interferentei se apreciaza in functie de amplitudinea undei rezultante in acel punct, iar in cazul luminii, rezultatul interferentei se apreciaza dupa intensitatea luminoasa in punctul respectiv.

 Interferenta obtinuta cu dispozitivul lui Young este una nelocalizata,in care sursa de lumina este de dimensiuni mici,franjele nu se observa intr-un anumit punct ,ci sunt raspandite in tot spatiul.

 Dispozitivul cu doua deschideri al lui Young este cel mai vechi dispozitiv experimental pentru observarea interferentei luminii. Lumina emisa de sursa punctiforma S cade pe ecranul A, ce prezinta doua deschideri mici, circulare – fantele F1 si F2 – egal departate de S. Potrivit principiului lui Huygens, deschiderile F1 si F2 constituie doua surse de lumina secundare. Deoarece radiatiile emise de F1 si F2 provin de la aceeasi sursa, ele sunt radiatii coerente.

 Radiatiile se suprapun in zona hasurata din figura:

  Schema dispozitivului Young:

 Deoarece distantele x si l sunt de ordinul fractiunilor de milimetru, iar distanta D, de ordinul mai multor sute de milimetri, se poate considera ca r1 + r2 = 2D.

(6), diferenta de drum dintre cele doua unde

 Deci in vecinatatea punctului O apar benzi luminoase ce alterneaza cu benzi intunecoase, echidistante, paralele intre ele, numite franje de interferenta.

Interfranja este distanta dintre doua maxime, respectiv doua minime consecutive.

In cazul nostru,

 Daca fasciculul de lumina incidenta este de lumina alba fenomenul este mai complicat. In punctul central O, diferenta de drum este egala cu O pentru toate lungimile de unda, in O se produce o franja luminoasa de lumina alba. Primele franje dupa franja centrala au marginea dintre franja centrala colorata in violet, iar cealalta margine, colorata in rosu. La un ordin de interferenta mai mare de zece, in acelasi loc se suprapun maxime pentru mai multe lungimi de unda si franjele apar estompate, iar la diferente de drum δ > 3*10-6 m, da ochiului impresia de alb si se numeste alb de ordin superior.

 Lama cu fete plan-paralele este un paralelipiped semitransparent cu fetele opuse perfect paralele cu ajutorul caruia se obtin franje de interferenta,de egala inclinare,in reflexive sau in transmisie.

 Franjele de interferenta sunt simetrice fata de normala la suprafata lamei ,ce trece prin punctual in care se afla sursa, au forma unor inele concentrice ,alternative luminoase si intunecate si se numesc “inelel lui Haindinger ”.Franjele se pot vizualiza pe un ecran dispus in planul focal al lentilei convergente .Daca observatia se face in lumina alba,in locul inelelor intunecate si luminoase,ce alterneaza intre ele ,se obtin inele ce contin culorile spectrului. Daca lama este groasa,nu obtinem franje de interferenta.

Franjele de interferenta obtinute cu lama cu fete plan-paralele se numesc franje de egala inclinare deoarece acestea depind de diferenta de drum,care,la randul ei depinde de unghiul de incidenta.

 Pana optica este o pelicula de grosime variabila, delimitata de cele doua fete plane care fac un unghi α foarte mic(mai mic de 5°)>prelungirile razelor coerente care provind din aceeasi raza incidenta si s-au reflectat pe cele doua fete ale lamei formeaza franje de interferenta virtuale,localizate intr-un plan virtual ,perpendicular pe planul de incidenta.

In dispozitivul interferential numit Oglina Lloyd,interferenta se obtine din undele care provin de la sursa(care poate fi o dioda laser sau o fanta luminoasa) si imaginea acesteia in oglinda plana.Raza directa si raza reflectata parcurg durmuri diferite ,deci ajung in puctul P de pe ecran cu un defazaj ∆φ.Schema dispozitivului este asemanatoare cu cea a dispozitivului Young.Franje frumoase sunt usor de obtinut cu fasciculul unei diode laser tinute in apropierea unei oglinzi plane.

R este raza sferei din care face parte lentila;
k este ordinul maximului de interferenta; 

 Pentru a obtine raza inelelor minime se pune conditia de minim diferentei de drum optic de unde rezulta rk² = k Rλ (13) , sau R = rk² / k λ (14) 

Se aşază pe patul moale cu faţa în sus, privindu-se în oglindă. Cearcănele i se afundaseră din ce în ce mai mult din cauza oboselii acumulate în ultimele zile. Cursurile de fizică pe care le preda la universitate l-au extenuat ca niciodată.

- Ce este frigul? se adresă acesta studenţilor.

La auzul acestei întrebări toată sala pufneşte în râs.Toţi erau obişnuiţi cu întrebările grele ale domnului Nicuşor.

- Opusul căldurii, răspunse arogantul din prima bancă

- Mă aşteptam la un asemenea răspuns din partea ta, Dantes. Ei bine, nu! Frigul reprezintă absenţa căldurii. Există puţină căldură, mai multă căldură, megacăldură, dar nu frig .Frigul apare abia de la -458F. Numai atunci putem spune că există frigul cu adevărat. Am însă altă întrebare pentru tine Dantes. Ce reprezintă întunericul?

- Opusul luminii, spuse acesta dintr-o răsuflare sprijinindu-se cu coatele pe bancă.

- Un răspuns demn de tine, dar și aici ai greșit. Întunericul reprezintă absenţa luminii. Poate exista lumină scăzută, lumină normală, lumină strălucitoare, lumină intermitentă, dar dacă nu există lumină constantă atunci nu există nimic, iar acest nimic se numește întuneric.

Acest curs îl face să-și aducă aminte de întrebările care îi invadează mintea încă din copilărie. Aceleași întrebări își fac apariţia încetul cu încetul, parcă având aceeași ordine:”Cum ar fi viaţa fără lumină? Exista universuri fară lumină? Cum s-ar desfășura viaţa acolo?”.

Cu fiecare întrebare pe care și-o pune se simte mai aproape de univers. Privește cosmosul. E liniște și toate lucrurile își urmează cursul. Nu e ca de obicei. Se simte ușor și parcă plutește.

Se ridică din pat, continuând sa să se uite in oglindă. Cu cât se apropie de ea cu atât aceasta se face mai neagră. Crede că este o iluzie optică. Ajunge in dreptul ei și o atinge cu mâna. Ar putea jura că nu a simţit nimic solid, în schimb, mana parca îi ingheţase. Uimit, scoate mâna si se duce să aprindă lumina. Oglinda a rămas la fel de neagră. Niciodată nu a mai vazut ceva atât de ciudat.

Curios, decide să intre în oglinda, care acum părea o gaură. Tremurând se apropie ușor de aceasta și fără să se gândească sare dincolo de ea. Un val de ger cumplit se năpustește asupra lui tăindu-i respiraţia. Totul era cufundat in beznă. Se întoarce incet privindu-și camera ce se îndepartează. Nemaiputând respira din cauza frigului sare înapoi,în cameră.”Ce înseamnă asta? O fi oare un portal? Daca da, unde duce acesta?”. Se duce în debara să-și ia o haine care să-i ţină de cald si o lanternă.

Își ia avânt și intră in oglindă. Cu toate că faţa îi este acoperită de fular, protecţia acestuia pălește în faţa aerului rece care ii invadeaza nările.

Aprinde lanterna si cerceteaza totul în amanunt. Nu exista pământ, ci numai blocuri de rocă foarte înalte, iar din loc in loc mici ridicături de cristal. Nici urmă de faună pământească. Se apropie de primul cristal, unde găsește niște plante asemănătoare algelor marine. Simte un miros puternic ca de sânge.

În departare se aude un șuierat slab și un curent puternic se apropie de el. Nu vede nimic deci nu se poate apăra, nu știe din ce direcţie sa se fereasca sau unde să se poată ascunde așa că se lasă la pământ și își acoperă capul. Solul vibreză puternic ca și când o turma numeroasa de cai galopând se apropie de el, urmând să-l strivească. Cutremurul mișcării il doboară la pământ, lanterna îi scapă și rămane cufundat în beznă. Totul se mișcă cu o viteza amețitoare, rapiditatea cu care creaturile roiesc în jurul lui îl fac să își schimbe poziția involuntar la intervale sacadate de timp. Simte în ceafă o rasuflare arzătoare, a carei presiune îl imobilizează. O labă blănoasă și caldă îi acoperă capul în timp ce in talpă simte mici furnicături ca și când creatura încearcă să îl adulmece.” E clar că e vorba de niște animale gigant, dar oare sunt pașnice?”. Se simte ca o marioneta în labele puternice ale uneia dintre creaturi, care incearcă să îl ridice si să îl pună în mișcare.

Își caută disperat lanterna și când ,în sfârșit, o gasește, reușește s-o aprindă, iar creaturile misterioase se retrag și scot un țipăt asurzitor care îi fulgeră corpul lui Nicușor, făcându-l să se înspăimânte. Se aud apoi urlete și frânturi de replici disperate ce par a veni din direcția creaturilor.

Năucit de cele întâmplate ,constată cu stupoare, ca înțelege tot ceea ce spun ei. Aceste făpturi vorbesc limba marineana, o limbă veche folosită acum 3000 de ani, care pe Nicușor îl fascinează încă de când era student. Atent la spusele creaturilor, reușește să înțeleagă că acestea sunt afectate de lumină. Stinge apoi lanterna și încearcă o conversație cu aceste creaturi numite Yaki:

-Oma ema mie Nicosie emi eu come munde luminae ave cisnape paure.(Numele meu este Nicușor și vin din lumea luminii cu ganduri pașnice)

-Come tepum roape tie?(Cum putem avea incredere în tine?).

-Nicem mie seum come mega ice, meum regavem voes(Nici eu nu stiu cum de am ajuns aici, dar vreau sa cunosc mai multe despre voi).

Înabușit de la bezna care îl înconjoara, decide să aprinda lanterna în speranța că va distinge măcar cu ce fel de ființe ia contact. Lumina puternică a lanternei a inundat întregul loc, iar țipătul creaturilor a fost si mai puternic decât prima dată.

- Come set fa mag! Estam trufe mal. (Parcă spuneai că ne vrei binele! Lucrul acela ne face rău).

Nicușor opri lanterna și își dădu seama că pentru aceste ființe lumina este un factor dăunător, că nu sunt adaptați la ea și ca va fi foarte greu să coopereze cu ei. Insă credea ca îi poate ajuta să se adapteze la traiul in lumină și astfel societatea lor să poată prospera.

Încercă să le explice că se va întoarce acasă pentru a le aduce dovezi care să îi facă să aibă incredere în el, însă cand se intoarse nici urma de portal sau de vechea lui casă. Un fior rece i se așterne pe șira spinării și incepe să fugă. S-a oprit abia după ce nu a mai putut respira și s-a întins cu prudență. „Dar oare lumina nu este şi o sursă de distrugere? Așa cum pentru unii este viață si vitalitate, la fel de bine poate însemna pentru alții moarte, suferintă sau eșec. Cred că așa cum îmi este mie dificil să supraviețuiesc aici la fel se simt și ei la vederea luminii. Lucrurile nu se pot îmbina, așadar trebuie să găsesc neapărat drumul spre casă.”

Se ridică și alergă așa la nesfârșit până ce nu mai are aer. Epuizat si deshidratat, totul devine negru și in mintea lui.

 Lumina inseamna viata si totodata distrugere. Nu exista lumina fara de intuneric, cum nu exista intuneric fara de lumina .