ما هو تداخل الضوء

من بين الخصائص المهمة لموجات الضوء هي قدرتها، في ظروف معينة، على التداخل مع بعضها البعض. يلاحظ معظم الناس نوعا من التداخل البصري يوميا، ولكنهم غالبا لا يدركون ما يحدث لإنتاج هذه الظاهرة. يتجلى أحد أفضل الأمثلة على التداخل في الضوء المنعكس من زيت يعوم على الماء. مثال آخر هو فقاعة الصابون التي تعكس مجموعة متنوعة من الألوان الجميلة عند إضاءتها بمصادر ضوء طبيعية أو اصطناعية.

تداخل الشق المزدوج

لنفترض أن لديك مؤشر ليزر. الليزر هو في الأساس مجرد مجموعة من موجات الضوء التي لها نفس الطول الموجي وجميعها تصطف مع بعضها البعض. لنفترض أنك وضعت بطاقة أمام شعاع الليزر بها شقين ، بحيث يمكن للموجات أن تمر من خلال نقطتين فقط. ثم تقوم بقياس مقدار الضوء الذي يضرب الجدار على الجانب الآخر من الغرفة في نقاط مختلفة.

لكي تعمل التجربة، يجب أن تكون الشقوق صغيرة بالمقارنة بالمسافة من البطاقة إلى الحائط، ولكن يجب أن تكون أكبر من طول موجة واحدة من الضوء. هذا يعني أنه إذا اخترنا بقعة على الحائط، فسوف تضربها موجتان ضوئيتان؛ واحدة من الشق العلوي والأخرى من الشق السفلي. عندما يقتربون من الجدار ويقتربون من بعضهم البعض، سيبدأون في التداخل. نعلم أن الموجتين كانتا متماثلتين تماما عند وصولهما إلى البطاقة، لكنهما لن يكونا بالضرورة نفس الشيء عند وصولهما إلى الحائط. لنختار بقعة على الحائط لقياس الموجتين، نقول فوق الشق العلوي.

يجب أن يكون الضوء القادم من الشق السفلي أبعد بكثير من الضوء القادم من الشق العلوي، لذلك ستكون هناك حاجة إلى المزيد من الأطوال الموجية لتنقل الضوء على مسافات أطول. إذا اخترنا نقطة مختلفة على الجدار، فسنحصل على عدد مختلف من الأطوال الموجية لكل مسار يسلكه الضوء من شقه إلى الجدار. المفتاح هو مقارنة عدد الأطوال الموجية التي تستغرقها كل موجة ضوئية للانتقال من الشق إلى الجدار. بالنسبة للتداخل البناء، سيكون الفرق في الأطوال الموجية عددا صحيحا من الأطوال الموجية الكاملة. بالنسبة للتداخل المدمر، سيكون الفرق عددا صحيحا من الأطوال الموجية الكاملة بالإضافة إلى نصف الطول الموجي.

فكر في النقطة الواقعة بين الشقين بدقة، حيث تسافر موجات الضوء بنفس المسافة وبنفس عدد أطوال الموجات، لذلك سيحدث تداخل بنائي دائمًا في تلك النقطة، مما يتسبب دائمًا في ظهور نقطة مضيئة على الحائط في المنتصف.

عندما تبتعد عن نقطة المركز ، ستصبح أطوال مسار الموجتين (أو المسافة الإجمالية المقطوعة من الليزر إلى الحائط) مختلفة أكثر فأكثر ، حتى نصل إلى نقطة يكون فيها نفس الطول بالإضافة إلى نصف طول الموجة. عند هذه النقطة ، ستضرب إحدى الموجات الجدار مع قمة عندما تضرب الأخرى بقاع ، لذلك ستلغي بعضها البعض بشكل فعال ، مما يؤدي إلى بقعة مظلمة هناك.

بينما نواصل الابتعاد عن المركز ، ستستمر أطوال المسار في الاختلاف ، حتى نصل إلى النقطة التي تكون فيها متساوية بالإضافة إلى الطول الموجي بالكامل ، لذلك سنحصل على تداخل بناء مرة أخرى ، لأن الموجتين ستلتقي في نفس الوقت بقعة في دورة الطول الموجي. سينتج عن ذلك نقطة مضيئة أخرى على الحائط.
سيستمر هذا النمط بالتناوب حتى نحصل على نمط من البقع الفاتحة و البقع الداكنة ، فوق وتحت النقطة المضيئة المركزية.

في حال كانت الشقوق بعيدة عن بعضها، فسيتم استقبال موجات الضوء من نقاط أبعد، وهذا يعني أن مساراتها ستكون بطولات مختلفة، مما يؤدي إلى ظهور نقاط مضيئة متباعدة بعضها عن بعض.

تداخل الشق الواحد

قد تعتقد أنه إذا كان هناك شق واحد فقط ، فلن يكون هناك أي تداخل في الموجة ، ولكن دعنا نقول أننا لكمنا المنطقة بأكملها بين الشقوق في بطاقتنا. لا يزال الشق صغيرًا ، ولكنه أكبر بكثير من الشقوق لدينا من تجربة الشق المزدوج. يمكننا التظاهر بتقسيم شقنا إلى قطع ومقارنة أطوال مسار الضوء القادم من هذه القطع إلى بعضها البعض لاكتشاف نوع نمط التداخل الذي سنحصل عليه عندما تتفاعل.

في حالة الباب المزدوج، يتم البدء في العملية من منتصف الجدار، وذلك بتحديد النقاط عند الحواف، حيث يكونون على بعد متساوٍ من مركز الباب. وهذا يعني أن أطوال مساراتهم للوصول إلى نقطة المركز على الحائط ستكون متساوية بالتأكيد، مما يضمن تدخلهم بشكل إيجابي مع بعضهم البعض.

إذا اخترنا نقطتين أبعد من ذلك، ولكنهما لا يزالان على نفس المسافة من منتصف الشق، فسيكون لديهما أيضًا أطوال مسار متساوية إلى النقطة المركزية على الحائط، وسوف يتداخلون بشكل بناء مع بعضهم البعض.

بالتالي ، يمكننا ملاحظة وجود عدد كبير من التدخلات الإيجابية التي تتم في هذا الموقع المركزي ، وبالفعل ، سوف يتم إنتاج نقطة مضيئة رئيسية بسبب هذا الأمر.

للعثور على بقعة مظلمة على الحائط، يجب أن نحدد مكان التداخل الأكثر تدميرًا بدلاً من اتخاذ نقاط متماثلة عبر الشق، وذلك عن طريق اختيار نقطتين، واحدة في الجزء العلوي من الحافة والأخرى في الجزء السفلي من الخط المتوسط مباشرة ثم مقارنتهما.

نظرا لأن جميع هذه الأزواج متساوية المسافة عبر الشق، إذا قمنا بقياس طول المسار من كل زوج إلى نفس المكان على الحائط، سيكون لكل زوج نفس الفرق في طول المسار. (تذكر، لن يكون للأزواج نفس طول المسار المطلق، فقط نفس الاختلاف في طول المسار، وهو ما يهمنا على أي حال.) إذا وجدنا النقطة على الحائط حيث يوجد زوج واحد بفارق نصف طول الموجة في طول المسار، ثم وجدنا النقطة التي يتواجد فيها جميع الأزواج، سيكون هناك الكثير من التداخل المدمر عند تلك النقطة من جميع الأزواج المختلفة، لذا سنرى بقعة مظلمة بشكل عام هنا.

إذا وجدنا نقطة في السطح تختلف فيها طول الموجة الكاملة لهذا الاقتران عن البقعة المظلمة، فسنحصل على نقطة مضيئة أخرى تمامًا كما في البقعة المظلمة.

عند مقارنة الشق المفرد بنمط التداخل المزدوج، تكون البقع أكبر بكثير وأكثر انتشارا في النمط المزدوج. بشكل خاص، تكون النقطة المضيئة المركزية أكبر بكثير مما ستكون عليه في الشقوق المزدوجة بنفس العرض. يمكننا رؤية الحيود كضوء ينتشر عندما يصل إلى حفرة أو حاجز آخر، ويحاول التفاف حول هذا الحاجز. في عملية الانتشار، يتداخل الضوء مع نفسه لخلق نمط من البقع الفاتحة والداكنة التي نسميها نمط الحيو.

تداخل الشق المزدوج مع الحيود

عندما تحدثنا عن تداخل الشق المزدوج ، تظاهرنا بأن موجة ضوئية واحدة فقط يمكن أن تمر عبر كل شق في المرة الواحدة. إذا أدركنا بدلاً من ذلك أن هناك بضع موجات ضوئية تسافر عبر كل من الشقين في وقت واحد ، فيمكننا أن نرى أنه سيكون هناك نمط حيود لكل شق فردي (بالإضافة إلى نمط التداخل ثنائي الشقين).

نظرا لتقارب الشقين ووجود أنماط واسعة للحيود الخاصة بهما، يمكننا دمج نمطي الحيود للحصول على نفس نمط الحيود الفردي الذي تم الحصول عليه لشق واحد. سيحافظ هذا النمط على نمط التداخل المزدوج الخاص بنا، مما يقلل من سطوع النقاط المضيئة في أي نقطة محددة على السطح.

إذا كانت لدينا بقعة مشرقة في نمط الحيود، فقد تكون البقع الساطعة للتداخل لدينا مشرقة كما نريد. ولكن، إذا كانت لدينا بقعة داكنة في نمط الحيود، فإن البقع المضيئة في نمط التداخل الخاص بنا لن تكون أكثر إشراقًا من البقعة الداكنة في نمط الحيود وستختفي تمامًا.

سيتم توليد نمط التداخل الضوئي من الشقوق المتفاعلة، وسيتم توليد نمط الانعكاس الضوئي من كل شق فردي يتفاعل مع نفسه.

اعتبارات هامة لتداخل الضوء

لنفترض سيناريو التدخل من إشارات جهاز اتصال لاسلكي، حيث يقع جهاز الاستقبال بين الشخص الذي يرسل إشارة جهاز الاتصال اللاسلكي وصخرةٍ صلبةٍ. ونعلم أن الطول الموجي لإشارة جهاز الاتصال اللاسلكي يبلغ 1 مترٍ.

الإشارة ستصل إلى جهاز الاستقبال، ولكن بعدها ستتجاوزها وترتد عنها. ستعود الإشارة بعد ذلك إلى جهاز الاستقبال. هذا يعني أن المسافة بين جهاز الاستقبال والمنحدر ستحدد تفاعل الموجات الواردة والمنعكسة. الفرق في المسافة هو المسافة التي تتجاوزها الموجة المرسلة وتعود إلى الموجة المستقبلة، بالإضافة إلى المسافة مرة أخرى.

نظرًا لأن الطول الموجي لإشارة جهاز الاتصال اللاسلكي هو متر واحد، فإن فرق المسار يجب أن يكون ضعف متر كامل للتدخل البنائي، ونصف متر للتدخل المدمر. يمكن لجهاز الاستقبالة محاولة الانتقال إلى موقع أقرب أو أبعد من الجرف لجعل تداخل الإشارة يعمل لصالحه.