تـــــداخل الضـــوء
المصطلحات العلمية
ظاهرة التداخل
هي الظاهرة التي تنشأ نتيجة التقاء قطارين من الموجات وتراكبهما معا مما ينتج مناطق تزداد فيها شدة الموجات ومناطق تنقص فيها الشدة أو
هي ظاهرة تقوية واضعاف الذبذبات في نقاط مختلفة من الوسط كنتيجة لتركيب موجات متلازمة
مناطق التداخل الهدام
هي المناطق التي تنقص فيها الشدة وينعدم الاضطراب فيما يشبه مناطق العقد في الموجات الموقوفة
مناطق التداخل البناء
هي المناطق التي تزداد فيها الشدة ويكون الاضطراب أكبر ما يمكن فيما يشبه مناطق البطون في الموجات الموقوفة
خط التداخل المركزي
هو الخط الذي ينصف المسافة بين المصدرين ويكون عموديا عليه
نمط التداخل
ترتيب خطوط التداخل يمين ويسار خط التداخل المركزي
خط التداخل البناء
هو ذلك الخط الذي يمر بجميع النقاط التي تبعد عن المصدرين مسافتين الفرق بينهما يساوي صفرا أو عددا صحيحا من الطول الموجي
خط التداخل الهدام
هو ذلك الخط الذي يمر بجميع النقاط التي تبعد عن المصدرين مسافتين الفرق بينهما يساوي عددا فرديا من نصف الطول الموجي هدب التداخل
مصطلح يطلق على خطوط التداخل البناء ( المضيئة ) وخطوط التداخل الهدام ( المعتمة ) في الضوء
شرط التداخل البناء
أن يكون الفرق بين مسلكي الموجات مساويا لعدد زوجي من أنصاف الموجات أو مساويا للصفر
أو
أن يكون فرق المسير بين الحركتين الموجيتين مساويا للصفر أو عددا صحيحا من الطول الموجي
شرط التداخل الهدام
ان يكون الفرق بين مسلكي الموجات مساويا لعدد فردي من انصاف الموجات
تجربة يونج
مقدمة
في التجربة الاصلية التي أجراها يونج سمح لضوء الشمس بالمرور خلال ثقب ضيق ثم خلال ثقبين ضيقين يقعان على بعد كبير من الثقب الأول وبالتالي تتداخل مجموعتا الموجات الكروية الخارجة من الثقبين كل مع الأخرى بحيث يتكون نمط متماثل متغير الشدة على الشاشة
في التجارب بعد ذلك استبدلت الثقوب بشقوق ضيقة واستخدم مصدر أحادي اللون وبذلك أصبح لدينا جبهات اسطوانية بدلا من الجبهات الموجية الكروية
استنتاج العلاقة
حيث
d المسافة بين الشقين
D المسافة بين الشاشة والشقين
Y المسافة بين هدبين متتاليين ـ الهدب المضيء الأول والهدب المركزي ـ
الطول الموجي للضوء المستخدم n رتبة التداخل
ملاحظات:
1.ظاهرة التداخل في الضوء من الظواهر التي لا يمكن تفسيرها بالنظرية الجسيمية لنيوتن مثلها مثل ظاهرتي الحيود والاستقطاب (وقد سبق الشرح عنهما) وعند دراسة التداخل أثبت فرينل الطبيعة الموجية للضوء وبرهن أن الشعاع الضوئي عبارة عن موجات عرضية
2. لا يحدث التداخل الا مع الموجات المتوافقة زمنيا وأظهرت التجارب أن الشعاع الصادر من مصدرين مختلفين للضوء لا يعطي تداخلا حتى اذا كان المصدران متطابقين ومن هنا نجد أن الاشعة لا تكون متوافقة زمنيا الا اذا كانت صادرة من نفس المصدر ولكي نحصل على تداخل في الضوء يجب أن تكون الأشعة آتية من مصدر ضوء واحد وفي اتجاهين مختلفين بعضها على البعض الآخر بواسطة جهاز ضوئي خاص
3.تكون صورة التداخل على الشاشة أكثر وضوحا عندما يصدر المصدر الضوئي اشعاعا وحيد اللون ويمكننا الحصول على هذا الشعاع بواسطة مرشحات ضوئية ــ زجاجات خاصة تسمج بمرور ضوء بلون واحد أي بتردد واحد وطول موجي معين
توضيح معني ظاهرة الحيود
من المعروف أن أشعة الضوء تسير في خطوط مستقيمه وعلى هذا الأساس فإذا سقط ضوء أحادى اللون على فتحة دائرية ضيقة من حاجز فتتكون بقعة دائرية مضيئة محددة على الحائل الموجودة خلف الثقب .
بدراسة البقعة المضيئة وجد أنها تتكون من هدب مضيئة وأخرى مظلمة كالتي حدثت عند حدوث التداخل لاحظ يظهر الحيود بوضوح إذا كان اتساع الفتحة صغير بمقارنته بالطول الموجي للضوء .
تفسير ظاهرة الحيود في الضوء
1- عندما تصطدم الموجة الضوئية بحافة أو تمر خلال الفتحة فإن كل نقطة من نقاط الفتحة أو الحافة تعمل كمصدر ضوئي مستقيم أو كمصدر ثانوي وتتكون موجات ثانوي مترابطة تنتشر في اتجاهات متعددة .
2- تتداخل الأمواج بعد نفاذها من الفتحة ويتكون نموذج الحيود على الحائل أي تظهر الهدب المضيئة وبينهما الهدب المظلمة .
3- يظهر الحيود بوضوح إذا كان الطول الموجي مقاربا لابعاد فتحة العائق .
الضوء حركة موجية
جـ- له الخصائص التالية:
1- ينتشر في خطوط مستقيمة .
2- ينعكس على السطح العاكس وينطبق عليه قانوني الانعكاس .
3- ينكسر عند انتقاله بين وسطين وينطبق عليه قانوني الانكسار .
4- يتداخل الضوء الصادر من مصادر مترابطة وينتج عن ذلك وجود مواضع يحدث فيها تقوية في شدة الضوء ( هدب مظلمة ) .
5- يحيد الضوء مساره الأصلي عندما يمر بالقرب من حافة جسم ينفذ من فتحة ضيقة حسب العلاقة كلما زادت هذه النسبة زاد الحيود وضوحا.
1- أن تكون الموجات لها تنفس التردد و الطول الموجي .
2- أن يكون فرق الطور بين الموجات ثابتا مع الزمن عند نقطة معينه .
3- أن تكون سعة الموجات متساوية أو قريبة من التساوي .
4- لابد أن تكون الموجتين تسيرين في اتجاه واحد أو يكون بينهما زاوية صغيرة جدا
علل : لا يمكن الحصول على هدب تداخل باستخدام مصدرين منفصلين؟
ج- لان أي مصدر ضوئي لا يعطي موجات بشكل طيف مستمر بل أنه يعاني من عددا كبيرا من التغيرات في الطور كل ثانيه وعندما يحدث هذا التغير تعاني مجموعة الهدب إزاحة عن موضعها وعند تكرار ذلك لعدد كبير من المرات فإن العين تصبح غير قادرة على تمييز الهدب ويظل الحائل مضيئا وعندما يكون التداخل صادرا عن مصدر واحد فإنه إذا تغير الطور بالنسبة لأحد الشقين فإنه يتغير بنفس اللحظة للشق الأخرو تظهر هدب التداخل مستقره وعندئذ يسمي هذان المصدران مترابطان .
ملحوظة :
1- الهدبة المركزية ( ¯S ) أمام الحاجز بين الفتحتين S1 ، S2 كصورة للمصدر S يعني انحناء الموجات الضوئية والانحناء خاصية للموجات وذلك يؤكد أن للضوء طبيعة موجيه
2- يتعين الطول الموجي من العلاقة
تطبيقات على انكسار الضوء الانعكاس الكلى والزاوية الحرجه
إذا انتقل شعاع ضوئي من وسط أكبر كثافة ضوئية لوسط أقل كثافة ضوئية فإنه ينكسر مبتعدا عن العمود ومقربا من السطح الفاصل .
كلما زادت زاوية السقوط زادت زاوية الانكسار فيقترب الشعاع من السطح الفاصل تدريجيا ( علل ) .
عندما تصل زاوية السقوط في الوسط الأكبر ضوئية إلى قيمة معينه فإن الشعاع يخرج منطبقا على السطح الفاصل و تكون زاوية الانكسار90o كما يحدث للشعاع م د وتسمي زاوية السقوط في هذه الحالة بالزاوية الحرجة بين الماء والهواء ويرمز لها بالرمز
الزاوية الحرجه
تعريفها : هي زاوية سقوط للضوء في وسط أكبر كثافة ضوئية تقابلها زاوية انكسار في وسط أقل كثافة ضوئية مقدارها 90o .
س/ ما معني أن الزاوية الحرجة للماء 50º
ج- معني ذلك أنه إذا سقط الضوء من الماء بزاوية سقوط 50º فإنه يخرج مماسا للسطح الفاصل بينه وبين الهواء أي تكون زاوية الانكسار 90º
الانعكاس الكلي
إذا سقط الضوء من وسط أكبر كثافة ضوئية بزاوية سقوط أكبر من الزاوية الحرجة فإنه لا ينفذ إلى الوسط الأقل كثافة ضوئية بل ينعكس في نفس الوسط بحيث زاوية السقوط = زاوية الانعكاس .
شروط حدوث الانعكاس الكلي
1- سقوط الضوء من وسط اكبر كثافة ضوئية علي سطح فاصل .
2- زاوية السقوط من الوسط الاكبر كثافة ضوئية > .
العلاقة بين الزاوية الحرجة ومعامل الانكسار بين وسطين :
الاستنتاج :- نفرض أن معامل انكسار الوسط الأكبر كثافة ضوئية n1 والأقل كثافة ضوئية n2 الزاوية الحرجة من الوسط الأكبر كثافة للأقل كثافة ، قانون سنل :
إذن معامل الانكسار النسبي من الوسط الأكبر كثافة إلى الوسط الأقل كثافة
= جيب الزاوية الحرجة =
العلاقة بين الزاوية الحرجة ومعامل الانكسار المطلق لوسط n :
عندما يكون (n2) هو الهواء :
أي أن : معامل الانكسار المطلق لوسط يتناسب تناسبا عكسيا مع زاويته الحرجة .
علل : الزاوية الحرجة للماس اقل من الزاوية الحرجة للزجاج .
جـ: لأن معامل انكسار الماس > معامل انكسار الزجاج .
أمثلة
1- إذا كان معامل الانكسار المطلق للزجاج = 1.5 فاحسب قيمة الزاوية الحرجة للزجاج بالنسبة للهواء
2- إذا كانت الزاوية الحرجة لوسط بالنسبة للهواء هي 45º فأحسب معامل الانكسار المطلق لهذا الوسط .
3- إذا كان معامل الانكسار للزجاج والماء هما على الترتيب 1.6 ، 1.33 فأحسب قيمة الزاوية الحرجة لنفاذ الضوء من الزجاج للماء
4- جسم نقطي موضوع في الماء فإذا كان الوسط الذي يعلو سطح الماء هو الهواء وانطلقت أشعه من الجسم فكانت زاويا سقوط بعضها على سطح الماء هو صفر ، ْ45، 45o, 48º ، ْ60 فهل تنكسر هذه الأشعة أم تنعكس أوجد زوايا انكسارها وانعكاسها علما بأن معامل الانكسار المطلق للماء 1.33 .
تطبيقات على الانعكاس الكلى
الألياف الضوئية البصرية
س : اشرح فكرة عمل الليفة الضوئية ؟
* فكرة عمل الليفة الضوئية *
تعتمد علي الانعكاس الكلي حيث اذا سقط الضوء علي احد طرفيها بزاوية اكبر من الزاوية الحرجة فإنه يعاني عدة انعكاسات متتالية حتي يخرج من الطرف الاخر في صورة حزمة رفيعة من الاشعة الضوئية .
التكوين : الليفة الضوئية هي أنبوبة رفيعة مصمتة من مادة مرنه شفافة ذات معامل انكسار كبير ( زجاج أو بلاستيك ) يصل قطرها حوالي 0.001 بوصة
طريقة العمل : تثني بكيفية معينه بحيث يدخل الضوء من أحد طرفيها بزاوية سقوط أكبر من الزاوية الحرجة فيحدث له انعكاسات كليه متتالية حتى يخرج من طرفها الأخر في صورة حزمة رفيعة من الأشعة الضوئية .
مميزاتها: لا يحدث فقد في الطاقة الضوئية عند الانتقال عبر مسافات كبيرة وبإستخدام حزمة مرنه منها وضوء قوى كأشعة الليزر يمكن نقل الضوء لمسافات بعيدة واستخدامها كمنظار للفحوص الطبية للتشخيص والتصوير .
س: اذكر استخدام الألياف الضوئية ؟
ج- 1- تستخدم مع أشعة الليزر في الفحوص الطبية (عمل المناظير الطبية) .
2- تستخدم مع أشعة الليزر في إجراء الجراحات الدقيقة .
3- يستخدم الليزر في الاتصالات الكهربية عن طريق تحميل الضوء لملايين الإشارات الكهربية في كابل من الألياف الضوئية كما تستخدم في نقل الضوء لمسافات بعيدة
كيف تعمل الألياف الضوئية ؟
إذا كان لدينا انبوبه مجوفة ونظرنا من أحد طرفيها لنري جسم مضيئا في الطرف الأخر فإنه يمكن رؤيته أما إذا حدث انثناء للأنبوب المجوفة فلا يمكن رؤية الجسم المضيء إلا عن طريق وضع مرايا عاكسه عند مواضع مسار الشعاع الضوئي
( عند نقطة الانثناء ) وبتالي يمكن استخدام الألياف الضوئية عند سقوط شعاع ضوئي بزاوية سقوط أكبر من الزاوية الحرجة فإنه يحدث انعكاسات كليه ليخرج الشعاع بكامل طاقته من الطرف الأخر رغم انثناء هذه الألياف .فيديوهات عن تداخل الضوء
