نوار تداخلی: نقوش روشن و تاریک امواج
موج چیست و چگونه رفتار میکند؟
برای درک نوار تداخلی، ابتدا باید با مفهوم موج آشنا شویم. موج روشی برای انتقال انرژی بدون جابجایی ماده است. تصور کنید سنگی را در آب آرام یک برکه میاندازید. دایرههایی از نقطه برخورد سنگ به بیرون گسترش مییابند. این دایرهها موج هستند. هر موج را میتوان با چند ویژگی توصیف کرد:
| ویژگی | تعریف | نماد/واحد |
|---|---|---|
| طول موج6 | فاصله بین دو قله (یا دو قعر) متوالی یک موج. | λ (لامبدا)، متر (m) |
| دامنه7 | حداکثر فاصله نوسان از حالت تعادل (بلندی موج). | A، متر (m) |
| فرکانس8 | تعداد نوسانات کامل در یک ثانیه. | f، هرتز (Hz) |
نور نیز رفتاری موجی دارد. نور مرئی فقط بخش کوچکی از طیف وسیع امواج الکترومغناطیس9 است که از امواج رادیویی تا پرتوهای گاما را شامل میشود. رنگهای مختلف نور، طولموجهای مختلفی دارند؛ مثلاً نور قرمز طولموج بلندتر و نور بنفش طولموج کوتاهتری دارد.
اصل برهمنهی: وقتی موجها به هم میرسند
وقتی دو موج در یک محیط با هم برخورد میکنند، چه میشود؟ آنها یکدیگر را نابود نمیکنند، بلکه با هم ترکیب میشوند. اصل برهمنهی میگوید: «جابجایی حاصل در هر نقطه، برابر جمع جبری جابجاییهای هر موج به تنهایی در آن نقطه است.»
به زبان ساده: اگر دو موج قلههایشان همراستا باشد (همفاز10)، با هم جمع شده و موجی قویتر (با دامنه بزرگتر) ایجاد میکنند. این حالت را تداخل سازنده11 مینامند. اگر قله یک موج با قعر موج دیگر همراستا باشد (اختلاف فاز$180^\circ$)، یکدیگر را تضعیف یا حتی خنثی میکنند. این حالت را تداخل ویرانگر12 مینامند.
چگونه نوار تداخلی شکل میگیرد؟
برای تشکیل یک الگوی تداخلی پایدار و واضح (نوار تداخلی)، به دو منبع موج همدوس نیاز داریم. یعنی امواج آنها باید فرکانس یکسان و اختلاف فاز ثابت داشته باشند. در آزمایش معروف یانگ13، نور تکرنگ (مثلاً نور لیزر) به یک صفحه با دو شکاف باریک موازی میتابد. این دو شکاف مانند دو منبع نور همدوس جدید عمل میکنند.
نور از این دو شکاف خارج شده و در فضای پشت صفحه با هم تداخل میکنند. روی یک پرده در پشت آن، الگویی از نوارهای روشن و تاریک دیده میشود. نوارهای روشن جایی هستند که نور از دو شکاف با اختلاف راهی به اندازه $0, \lambda, 2\lambda, ...$ میرسد (یعنی همفاز هستند) و تداخل سازنده رخ میدهد. نوارهای تاریک جایی هستند که اختلاف راه $\frac{\lambda}{2}, \frac{3\lambda}{2}, ...$ است (یعنی دقیقاً در مقابل فاز هستند) و تداخل ویرانگر اتفاق میافتد.
نور سفید و نوارهای رنگارنگ تداخلی
اگر به جای نور لیزر تکرنگ، از نور سفید (ترکیبی از همه رنگها) در آزمایش یانگ استفاده کنیم، چه اتفاقی میافتد؟ هر رنگ طولموج خاص خود را دارد. بنابراین، مکان نوارهای روشن و تاریک برای هر رنگ کمی با بقیه تفاوت خواهد داشت. نتیجه یک الگوی رنگارنگ و زیبا است که در وسط آن یک نوار سفید (چون همه رنگها در آنجا تداخل سازنده دارند) و سپس نوارهای رنگی با ترتیب مشخص (بنفش نزدیکتر به مرکز، سپس آبی، سبز، زرد و قرمز) تشکیل میشود. این پدیده در حباب صابون یا لکههای روغن روی آب نیز دیده میشود.
کاربردهای شگفتانگیز نوارهای تداخلی در فناوری
نوار تداخلی فقط یک پدیده آزمایشگاهی زیبا نیست، بلکه پایه بسیاری از فناوریهای پیشرفته است.
| حوزه کاربرد | توضیح | مثال |
|---|---|---|
| اندازهگیریهای فوقدقیق | با شمارش جابجایی نوارهای تداخلی، میتوان طولهایی در حد کسری از طولموج نور را اندازه گرفت. | کنترل کیفیت سطح لنزها، اندازهگیری انبساط حرارتی مواد. |
| تداخلسنجی14 | دستگاههایی که از اصل تداخل نور برای آنالیز سطوح، جو زمین و حتی کشف امواج گرانشی استفاده میکنند. | تداخلسنج مایکلسون15، لایگو16 (کشف امواج گرانشی). |
| هولوگرافی | تصویر سهبعدی که با ثبت الگوی تداخلی بین نور بازتابیده از شیء و یک پرتو مرجع روی فیلم ایجاد میشود. | تصاویر سهبعدی روی کارتهای اعتباری، نمایش آثار هنری. |
| طیفبینی17 | برخی طیفسنجها با تحلیل الگوی تداخل، طولموجهای تشکیلدهنده نور یک منبع را تعیین میکنند. | شناسایی مواد شیمیایی در ستارهها، آنالیز نمونههای آزمایشگاهی. |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. هر نوع موجی که بتواند همدوس باشد میتواند الگوی تداخلی ایجاد کند. این پدیده برای امواج آب، امواج صوتی (ایجاد نقاط بیصدا و پرسصدا) و حتی امواج ماده در مکانیک کوانتوم نیز مشاهده شده است.
پاسخ: زیرا نور ساطع شده از رشتههای دو لامپ مجزا همدوس نیست. اتمهای داغ در رشتهها به طور مستقل و تصادفی نور گسیل میکنند، بنابراین اختلاف فاز بین نور آنها ثابت نمیماند و الگوی تداخلی به سرعت تغییر کرده و با چشم دیده نمیشود. دو شکاف در آزمایش یانگ، نور را از یک منبع تک میگیرند و آن را به دو بسته موج همدوس تقسیم میکنند.
پاسخ: الگوی حاصل از یک شکاف پهن، «تفرق18» نام دارد نه تداخل. در آنجا فقط یک موجfront با قسمتهای مختلف خودش تداخل میکند و الگوی پیچیدهتری با یک نوار مرکزی پهن و روشن و نوارهای فرعی باریکتر در دو طرف ایجاد میکند. نوار تداخلی آزمایش یانگ حاصل تداخل دو موج مجزا از دو شکاف باریک است که الگویی از نوارهای یکنواخت و همفاصله میسازد.
پاورقی
1 نوار تداخلی (Interference fringe)
2 همدوس (Coherent)
3 هولوگرام (Hologram)
4 برهمنهی (Superposition)
5 اختلاف راه (Path difference)
6 طول موج (Wavelength)
7 دامنه (Amplitude)
8 فرکانس (Frequency)
9 امواج الکترومغناطیس (Electromagnetic waves)
10 همفاز (In phase)
11 تداخل سازنده (Constructive interference)
12 تداخل ویرانگر (Destructive interference)
13 یانگ (Young's double-slit experiment)
14 تداخلسنجی (Interferometry)
15 تداخلسنج مایکلسون (Michelson interferometer)
16 لایگو (LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)
17 طیفبینی (Spectroscopy)
18 تفرق (Diffraction)
