ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Μάκης Αγγελακέρης 010
Σκοπός της άσκησης Να μπορείτε να εξηγήσετε το φαινόμενο της Συμβολής και κάτω από ποιες προϋποθέσεις δύο δέσμες φωτός, μπορεί να συμβάλουν. Να μπορείτε να περιγράψετε τις συμβολομετρικές διατάξεις α)του κατόπτρου του Lloyd β) του συμβολομέτρου του Νεύτωνα γ) του συμβολομέτρου Michelson και πως με τις διατάξεις αυτές μετράμε το μ.κ. μιας ακτινοβολίας. Να μπορείτε να εξηγήσετε πώς μέσω του συμβολομέτρου του Μichelson, ελέγχουμε τη σχέση, μεταξύ του εύρους συχνοτήτων μιας πηγής (Δν) (ή μιας γραμμής) και του χρόνου εκπομπής των κυματοσυρμών της (Δt) και κατ επέκταση του μήκους των κυματοσυμών, δηλαδή του μήκους συμφωνίας l c =c Δt.
Εισαγωγή Φυσικά Φαινόμενα & Εφαρμογές Συμβολής Φαινόμενα στην καθημερινή μας εμπειρία Εφαρμογές υψηλής ακρίβειας Ολογραφία Συμβολομετρία
Εισαγωγή Φως + Φως = ; Πώς γίνεται να προσθέτουμε δύο όμοια πράγματα και να εξαφανίζονται; Γίνεται να προσθέσουμε κουκιά και να εξαφανιστούν ; Γίνεται να προσθέσουμε φως με φως και να εξαφανιστεί ; Τι είναι αυτό που όταν προστίθεται μας δίνει 1+1=0 αλλά λίγο μετά μας δίνει 1+1=4; + =
Mία σημειακή πηγή Δύο σημειακές πηγές ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Εισαγωγή Εμφανίζεται όταν συναντώνται δύο κύματα Συμβολή του Φωτός Συμβολή Δέσμης Ηλεκτρονίων Συμβολή Ηχητικών Κυμάτων Απαιτείται Συμφωνία Κυμάτων Εξαρτάται από τη Φάση = το εσωτερικό ρολόϊ του κύματος Μέτρο ηλεκτρικού πεδίου = το μέγεθος του κύματος Γραμμική Επαλληλία = προσθέτουμε πεδία, όχι εντάσεις
Εισαγωγή Χρειάζονται τουλάχιστο δύο πηγές... Mία σημειακή πηγή Δύο σημειακές πηγές Τρείς σημειακές πηγές
Σωματίδια Ευθύγραμμη διάδοση ΚΑΙ μετά από το εμπόδιο Πάντοτε μη μηδενική αλληλεπίδραση Αθροίζονται εντάσεις Εισαγωγή Όταν συναντάς εμπόδια... Κύματα Διάδοση προς όλες τις κατευθύνσεις μετά από εμπόδιο. Αρχή Huygens Στο πέτασμα αθροίζονται Ηλεκτρικά Πεδία Λόγω φάσης έχουμε και «Θετική» αλλά «Αρνητική» άθροιση Έτσι εμφανίζονται φωτεινοί και κροσσοί. σκοτεινοί και
Εισαγωγή Ηλεκτρικό πεδίο & Φωτεινή Ένταση Κυματική Αναπαράσταση του Φωτός, Ηλεκτρικό Πεδίο Ε = Ε 0 cos(ωt-k.r + Φ 1 ) Πλάτος, Συχνότητα, Κατάσταση Πόλωσης, Αρχική Φάση Φάση: Φ = (ωt-k.r + Φ 1 ) Χωρική και Χρονική Συμφωνία Διαφορά Φάσης: Δφ = (k -k 1 ).r + (Φ 1 -Φ ) Ένταση κύματος Ι 1 = <Ε 1 > Ε 1 / Συνιστώμενο κύμα: προκύπτει από άθροισμα των πεδίων σε κάθε σημείο & χρόνο Αρχή της Γραμμικής Επαλληλίας Ε = Ε 1 + Ε Ε = Ε 1 + Ε Ένταση συνιστώμενου κύματος I I1 I I1I cos Παράγοντας Συμβολής, διακύμανση έντασης I I 1 cos
Εισαγωγή Αλληλεπίδραση Φωτεινών Κυμάτων Μη κάθετα επίπεδα πόλωσης Διαφορετικό Πλάτος Διαφορετικό Μήκος Κύματος Μεταβαλλόμενη Φάση Σε κάθε σημείο προστίθενται τα πεδία Πλάτος και σχετική Φάση των πεδίων επηρεάζουν τη συνιστώσα
Εισαγωγή Ενισχυτική Συμβολή
Εισαγωγή Καταστροφική Συμβολή
Εισαγωγή Εξίσωση Συμβολής Ένταση : I c o E E * I I1 I I1I cos a cos Ορθογώνιες Πολώσεις Δεν συμβάλλουν! I I 1 I Παράλληλες Πολώσεις Παράγοντας Συμβολής I I1 I I1I I I 1 cos cos
Εισαγωγή Συμφωνία Κυμάτων Συμφωνία Εκφράζει πόσο συγχρονισμένο είναι ένα κύμα σε σχέση με ένα άλλο. Mπορεί να επιτευχθεί με διαχωρισμό δέσμης από μια πηγή. Μήκος Συμφωνίας Εκφράζει πόσο μπορούμε να περπατήσουμε και να εξακολουθούμε να έχουμε συμφωνία. Ì Þêï ò Óõì öùí ßáò z L coh ct coh 1/ v
Εισαγωγή Συμφωνία Κυμάτων Συμφωνία Εκφράζει πόσο συγχρονισμένο είναι ένα κύμα σε σχέση με ένα άλλο. Mπορεί να επιτευχθεί με διαχωρισμό δέσμης από μια πηγή. Χρόνος Συμφωνίας Εκφράζει πόσο χρόνο εκπομπής μπορούμε να περιμένουμε και να εξακολουθούμε να έχουμε συμφωνία. ñüí ï ò Óõì öùí ßáò t 1 T T 0 sin T dtcost cos T T coh
Βαθμός Συμφωνίας Εισαγωγή Συμφωνία Κυμάτων 1 T cos1t cost TA dtcos1t cost T 0 Συγκρίνουμε το ηλεκτρικό πεδίο σε μια χρονική στιγμή t με το πεδίο σε μια στιγμή λίγο αρχότερα, t +τ. Χωρική και Χρονική Συμφωνία: Χρονική Συμφωνία - Χωρική Ασυμφωνία Χωρική Συμφωνία; Χρονική Ασυμφωνία Χρονική και Χωρική Ασυμφωνία
Εισαγωγή Γενική Λύση Προβλήματος Συμβολής Σε κάθε σημείο παρατήρησης γίνεται γραμμική άθροιση ηλεκτρικών πεδίων από τις δύο πηγές Βρίσκουμε τη διαφορά οπτικού δρόμου Γεωμετρική διαφορά ο.δ. = m x λ Διαφορά φάσης = m x π
Πειραματικό Μέρος Πείραμα 1: Πείραμα : Πείραμα 3: Πείραμα 4: Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Lloyd) Μέτρηση της πράσινης γραμμής του Hg (Νewton) Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Michelson) Μέτρηση του μήκους χρονικής συμφωνίας του λευκού φωτός (Michelson)
Πείραμα 1 Διάταξη Young Σύμφωνη ακτινοβολία Ίδια πηγή Διαχωρισμός διαδρομής Αρχή Huygens Δευτερεύοντα σημεία εκπομπής Καταστροφική συμβολή Απόδειξη κυματικής φύσης Διαφορά Οπτικού Δρόμου λ Διαφορά Φάσης π Θετική συμβολή
Πείραμα 1 Διάταξη Young Διαφορά Οπτικού Δρόμου Φωτεινοί Κροσσοί Διαφορά Οπτ. Δρόμου ακ. πολλαπλάσιο Μήκους Κύματος d sin m S 1 r 1 m : 0, 1, τάξη συμβολής P d θ S r S 1 d θ θ r 1 r sin x D Δx Διαφορά Oπτικού Δρόμου d sin S x D D m d
Πείραμα 1 Young Επίδραση Μήκους Κύματος Απόσταση κροσσών: x D d Μικρότερο λ, πυκνότεροι κροσσοί
Πείραμα 1 Young Επίδραση Απόστασης Σχισμών Απόσταση κροσσών: x D d Μικρότερο d, πυκνότεροι κροσσοί Πείραμα Lloyd Μεταβάλλουμε την απόσταση πηγών d, μετράμε αλλαγή πυκνότητας κροσσών. Η σταθερά αναλογίας είναι λ D. Μετράμε το D & υπολογίζουμε το λ.
Πείραμα 1 Κάτοπτρο Lloyd Δημιουργεί δύο πηγές από μία o o Πραγματική και Φαινόμενη πηγή Μπορούμε να αλλάξουμε την απόσταση διαχωρισμού των πηγών. Οι πηγές είναι σύμφωνες o Διαίρεση πλάτους Οι πηγές θα συμβάλλουν o o Θεωρία πειράματος Young Βαθμός συμφωνίας πηγών εξαρτάται από το βαθμό συμφωνίας της αρχικής πηγής. ÐçãÞ d þñï ò Óõì âï ëþò Öáéí üì åí ç ÐçãÞ ÊÜôï ðôñï Lloyd
Πείραμα 1 Πειραματική Διάταξη Lloyd Απεικόνιση σημειακών πηγών o Σκοπός ο υπολογισμός των αποστάσεων Πηγών-πετάσματος D Διαχωρισμού σημειακών πηγών d Laser Κάτοπτρο Lloyd d Φακός f = 00 mm Πέτασμα d' S S' Υπολογίζουμε S, D, d D = S + S' Πρωτογενείς Μετρήσεις
Πείραμα 1 Πειραματική διάταξη
Πείραμα 1 Επεξεργασία Μετρήσεων Απόσταση Φακού- Πετάσματος Απόσταση Φακού-Πηγών Απόσταση Πηγών- Πετάσματος f 0 cm S' S D 1 S 1 S ` 1 f S S' f S' f D S S' d ' d S S' d' d Απόσταση Ειδώλων Πηγών Διαχωρισμός Σημειακών Πηγών
Πείραμα 1 Πειραματική Διάταξη Lloyd Μέτρηση αποστάσεων κροσσών συμβολής για κάθε διάταξη κηλίδων ξεχωριστά Σκοπός ο υπολογισμός του μήκους κύματος ακτινοβολίας Μετράμε απόσταση Ν ισαπέχοντων μεγίστων ή ελαχίστων Δx(N) για διάφορα Ν Εξάγουμε Μ.Ο. Δx (& σφάλμα) για κάθε διάταξη κηλίδων ξεχωριστά Laser Κάτοπτρο Lloyd d Πέτασμα Δx' Ν Φωτεινών D Πρωτογενής Μέτρηση
Δχ (cm) ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Πείραμα 1 Επεξεργασία Μετρήσεων D 1 x D d d y = ax + b 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,00 0,100 0,000 y = 0,03x + 0,034 1/d (cm -1 ) 0 5 10 15 0 5 30 35 κλίση α=λd υπολογίζουμε λ
Πειραματικό Μέρος Πείραμα 1: Πείραμα : Πείραμα 3: Πείραμα 4: Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Lloyd) Μέτρηση της πράσινης γραμμής του Hg (Νewton) Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Michelson) Μέτρηση του μήκους χρονικής συμφωνίας του λευκού φωτός (Michelson)
Πείραμα Συμβολή από λεπτά πλακίδια Διαφορά Οπτικού Δρόμου = n 0 x(aδ) nx(aβ+βγ) θ Α Δ Γ 1 n 0 n Διαφορά Φάσης : a n n0 4nd cos δ Β Ε d n n0 4nd cos Ζ θ 1' ' Μέγιστο : Διαφορά Φάσης: άρτιο πολλαπλάσιο π Ελάχιστο : Διαφορά Φάσης: περιττό Πολλαπλάσιο π m m 1
Πείραμα Συμβολή από λεπτά πλακίδια Πάχος Πλακιδίου Γωνία 4nd cos Μήκος Κύματος 4nd cos m nd cos m m : 0, 1, τάξη συμβολής
ρ, τ = συντελεστές ανάκλασης & διάθλασης από γυαλί στον αέρα 0 E e i 0 E 0 3 E e i E 0 0 E e i i n i i i n i i i t e E e e e E E e E e E e E E 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1... 1... Πολλαπλή Συμβολή από λεπτά πλακίδια Πείραμα
Πείραμα Πολλαπλή Συμβολή από λεπτά πλακίδια E 0t 1 t E0 1 r e i I T 1 I 0 F sin F 4r 1 r
Ακτίνα Καμπυλότητας 1 1, cos 4 n d Rd d R R r R r d 4 1) ( m R r ) ( m R r Μέγιστο (Φωτεινοί Κροσσοί) : Διαφορά Φάσης άρτιο πολλαπλάσιο π Ελάχιστο (Σκοτεινοί Κροσσοί) : Διαφορά Φάσης περιττό πολλαπλάσιο π m 0,1,... Δακτύλιοι του Νεύτωνα Πείραμα
Πείραμα Δακτύλιοι του Νεύτωνα Μεταβολή με το μήκος κύματος r R (m 1) r mr.m = τάξη συμβολής
Πείραμα Δακτύλιοι του Νεύτωνα Μεταβολή με την ακτίνα καμπυλότητας r R (m 1) r mr R= ακτίνα καμπυλότητας
Πείραμα Πειραματική Διαδικασία z Συνθήκη σκοτεινών κροσσών r r m mr ( m 0,1,,...) z Οι κροσσοί ΔΕΝ ισαπέχουν r mn ( m n) R r mn r m ( N) R z Σκοπός η μέτρηση Μήκους Κύματος Hg y y y Από φωτογράφηση δακτυλίων Na μετράμε ακτίνες Newton για αυξανόμενες τάξεις συμβολής r m, m = 1,, όσο επιτρέπει η φωτογραφημένη διάταξη. Είναι γνωστό λ Na = 0.589 μm Ετοιμάζουμε στήλη r m (Να) x Σχεδιάζουμε γράφημα r m vs. ΔΝ x Υπολογίζουμε την κλίση με ευθεία ελαχίστων τετραγώνων x Από την κλίση υπολογίζουμε την Ακτίνα Καμπυλότητας R = κλίση/λ Na
Πείραμα Πειραματική Διάταξη
r (N+ΔN)-r (N) ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Πείραμα Ανάλυση Μετρήσεων r ( n) R m 100 80 60 y = 13.951x + 1.0885 Υπολογίζουμε Ακτίνα Καμπυλότητας R = κλίση/λ Na λ Na = 0.589 μm 40 0 0 0 1 3 4 5 6 7 Παράδειγμα Υπολογισμού ΔΝ Μέσος όρος τιμών από πολλαπλές μετρήσεις. Τάξη Ακτίνα (mm) (Ακτίνα) mm Συμβολής m r m + σ(r m ) r m + σ(r m ) 1 3 4 5 6
Πείραμα Ανάλυση Μετρήσεων Με γνωστό το R r mn r m ( n) R Σκοπός η μέτρηση Μήκους Κύματος Hg Από φωτογράφηση δακτυλίων Hg μετράμε ακτίνες Newton για αυξανόμενες τάξεις συμβολής r m, m = 1,, όσο επιτρέπει η φωτογραφημένη διάταξη. Έχουμε υπολογίσει το R από τους δακτύλιους Νa Ετοιμάζουμε στήλη r m (Ηg) Σχεδιάζουμε γράφημα r m vs. ΔΝ Υπολογίζουμε την κλίση (= λr) με ευθεία ελαχίστων τετραγώνων Από την κλίση υπολογίζουμε το μήκος κύματος λ Ηg = κλίση/ R
Πειραματικό Μέρος Πείραμα 1: Πείραμα : Πείραμα 3: Πείραμα 4: Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Lloyd) Μέτρηση της πράσινης γραμμής του Hg (Νewton) Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Michelson) Μέτρηση του μήκους χρονικής συμφωνίας του λευκού φωτός (Michelson)
Πείραμα 3 Συμβολόμετρο Michelson Αρχική Δέσμη Διαδρομή Α Επαλληλία Κάτοπτρο που μπορούμε να μετατοπίσουμε Διαδρομή Β Ποιες είναι οι δύο συμβάλλουσες δέσμες ; Ποια είναι η διαφορά οπτικού δρόμου ανάμεσά τους ; Πώς μεταβάλλουμε τη διαφορά οπτικού δρόμου ;
Πείραμα 3 Συμβολόμετρο Michelson Τρόπος αλλαγής οπτικού δρόμου ( d d )cos 1 Μέγιστα: όταν η διαφορά οπτικού δρόμου είναι ακέραιο πολλαπλάσιο λ Παράλληλα κάτοπτρα Κάτοπτρα σε κλίση
Πείραμα 3 Μετατόπιση Κροσσών
Πείραμα 3 Πείραμα Michelson Σκοπός ο υπολογισμός του μήκους κύματος ακτινοβολίας Μετατοπίζουμε παράλληλα το ένα κάτοπτρο Μετράμε τον αριθμό (Ν-N ) κροσσών που εμφανίζονται Μετράμε τη μετατόπιση του κατόπτρου (d -d ) ( d ) ( d N N ) d d ) ( N N ( ) Γραμμική Σχέση. Κλίση = λ/
Πείραμα 3 Πειραματική Διάταξη
( d d ) ( N N ) y = ax + b Αρχική Ένδειξη Tελική Ένδειξη d - d Αριθμός Κροσσών (mm) (mm) (mm) ΔΝ 1.000 1.006 0.006 0 1.006 1.014 0.008 5 1.014 1.04 0.010 30 1.04 1.036 0.01 35 1.036 1.050 0.014 40 0.016 0.014 0.01 0.010 0.008 0.006 0.004 0.00 0.000 Πείραμα 3 Επεξεργασία Μετρήσεων Παράδειγμα Υπολογισμού D - D' (mm) y = 0.0003x Aριθμός Κροσσών ΔΝ 0 10 0 30 40 50 Υπολογίζουμε την κλίση με ευθεία Ελαχίστων τετραγώνων και Υπολογίζουμε Μήκος Κύματος κλίση a=λ/ υπολογίζουμε λ = κλίση
Πειραματικό Μέρος Πείραμα 1: Πείραμα : Πείραμα 3: Πείραμα 4: Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Lloyd) Μέτρηση της πράσινης γραμμής του Hg (Νewton) Μέτρηση μ.κ. ακτινοβολίας Laser (Michelson) Μέτρηση του μήκους χρονικής συμφωνίας του λευκού φωτός (Michelson)
Πείραμα 4 Μήκος Συμφωνίας Λευκού Φωτός Σκοπός η μέτρηση Μήκους Συμφωνίας Λευκού Φωτός Για να εμφανιστούν κροσσοί πρέπει η μετατόπιση του κατόπτρου να μην υπερβαίνει το μήκος συμφωνίας της πηγής Βρίσκουμε κροσσούς (με παράλληλα πλακίδια) με πηγή αερίου Hg Βρίσκουμε κροσσούς (με παράλληλα πλακίδια) με πηγή λευκού φωτός Υπολογίζουμε τη μετατόπιση του κατόπτρου Δλ ώστε να εξαφανιστούν οι κροσσοί Τάξη μεγέθους μήκους συμφωνίας : l c
Πείραμα 4 Πειραματική Διάταξη
Πείραμα 4 Λήψη μετρήσεων
Πείραμα 4 Υπάρχει Αιθέρας; Αρχική Υπόθεση ότι το φως, ως κύμα απαιτεί κάποιο μέσο για τη διάδοσή του, τον αιθέρα. Πείραμα Michelson-Morley (1887) Έλεγχος ύπαρξης αιθέρα (επηρεάζει το σύστημα αναφοράς) Ανάλογο με βάρκα στο ποτάμι. Μετράμε ταχύτητα του φωτός σχετικά με την κίνηση της Γης (// and ) με συμβολόμετρο. Αποτέλεσμα: Δεν υπάρχει αιθέρας Δεν ανιχνεύθηκε μετατόπιση κροσσών συμβολής Ένδειξη ότι η ταχύτητα του φωτός δεν εξαρτάται από τη διεύθυνση διάδοσης.