Icon up Overzicht

Interferentie van licht

Onderwerp: Elektromagnetisch spectrum, Licht, Optica (licht en lenzen) (havo), Trilling en golf

Er zijn twee verschillende theorieën over het fenomeen licht. De eerste komt uit de quantummechanica. volgens de quantummechanica bestaat licht uit individuele fotonen, bijvoorbeeld in botsingen met elektronen (zoals in het foto-elektrisch effect). Volgens de tweede theorie, de golventheorie, gedraagt licht zich als een golf.
Welke theorie is nou waar?

Wat is licht nu precies?

Het was voor het eerst in de natuurkunde dat er twee verschillende theorieën nodig waren om één fenomeen te beschrijven. Het bleek dan ook dat beide theorieën waar zijn; licht beweegt zich voort als een golf en het geeft zijn energie af, of neemt energie op, alsof het een deeltje is.
Dit kan intuïtief heel raar aanvoelen. Zelfs Einstein, die in 1921 de Nobelprijs kreeg voor het verklaren van het foto-elektrisch effect met behulp van fotonen, heeft het idee dat licht zowel een deeltje als een golf is, tot aan zijn dood heel vreemd gevonden. Een belangrijk bewijs/gevolg van het golfkarakter van licht is dat licht interferentie vertoont.

Als twee golven elkaar tegenkomen vertonen deze golven interferentie. Dat betekent dat ze samen een nieuwe golf vormen waarbij de totale uitwijking de som is van de uitwijking van de twee golven afzonderlijk.
Hierbij hebben we bijzondere gevallen van interferentie:

  • Constructieve interferentie: beide golven hebben dezelfde fase waardoor er een grotere amplitude wordt gecreëerd.
  • Destructieve interferentie: er is een faseverschil van een halve fase waardoor de golf gedeeltelijk of zelfs volledig wordt uitgedoofd.

Figuur 1. Links zien we constructieve interferentie en rechts destructieve. We zien dat als er geen fase verschil is tussen de golven dat de amplitude dan twee keer zo groot is; is er een halve fase verschil tussen de twee golven dan zien we totale uitdoving

In figuur 1 is zowel constructieve als destructieve interferentie schematisch weergegeven.
Dit fenomeen is erg goed te zien in water. Als je twee steentjes in het water gooit zul je heel duidelijk zien dat op sommige plekken de golven dubbel zo groot zijn en op sommige plekken doven ze elkaar helemaal uit.

Interferentie van golven

In dit filmpje wordt getoond hoe twee golven met elkaar interfereren. Duidelijk te zien zijn de maxima en minima die ontstaan door de interferentie.

Interferentie is dus ook te zien bij licht.

Als we een monochromatische lichtbron nemen - dat is een lichtbron die slechts licht uitzendt van één kleur, dus van één golflengte - en hiervoor een dubbele spleet plaatsen, creëren we twee kleine lichtbronnen die beide licht uitzenden met dezelfde golflengte en met dezelfde fase. Vanuit deze lichtbronnen worden dus lichtgolven uitgezonden, die met elkaar kunnen interfereren.
Als we naar een willekeurig punt kijken en we willen weten of er sprake is van destructieve of constructieve interferentie kijken we naar de fase:

  • Is er geen faseverschil (bijvoorbeeld: beide golven hebben een top) dan is er sprake van constructieve interferentie
  • Is er een faseverschil van een halve trilling, dan is er sprake van destructieve interferentie

Figuur 2. Een voorbeeld van een interferentie patroon van licht. Duidelijk te zien zijn de maxima, waar constructieve interferentie optreedt, en de minima, hier treedt destructieve interferentie op.

In figuur 2 zien we een interferentie patroon. De felle witte gedeelten zijn punten van constructieve interferentie (maxima), de zwarte (uitgedoofde) gedeelten zijn punten waarin destructieve interferentie optreedt (minima).

De weglengte is de afstand vanaf een punt tot een lichtbron, het weglengteverschil is het verschil in afstand tussen de weglengte van de ene bron ten opzichte van de andere bron.
Dus als we weten dat de beide lichtbronnen in fase zijn en we noemen de golflengte λ dan kunnen we zeggen dat als het weglengteverschil een meervoud is van de golflengte ( = nλ waarin n = 0, 1, 2 enz.), dan is de fase van beide golven op dat punt gelijk en is er sprake van constructieve interferentie. Als het weglengte verschil voldoet aan nλ + ½ , dan is er sprake van een fase verschil van een halve trilling en kunnen we van destructieve interferentie spreken.

Figuur 3. Een plaatje van een opstelling zoals die ook werd gebruikt door dr. Young. De eerste spleet wordt niet weergegeven op de afbeelding.

Het is belangrijk om een monochromatische lichtbron te gebruiken. Als je een lichtbron gebruikt die licht uitzendt van verschillende golflengten zal dit licht op verschillende plaatsen constructieve en destructieve interferentie vertonen, hetgeen afhankelijk is van de golflengte.
Als op een bepaalde plaats bijvoorbeeld licht met een golflengte van 300 nm wordt uitgedoofd (minima) kan licht met een golflengte van bijvoorbeeld 310 nm juist wel een maximum hebben. Hier heeft de interferentie van licht dus geen invloed op de intensiteit van het licht en zullen er geen minima en maxima van lichtintensiteit te zien zijn.

In bovenstaande applet is een simulatie te zien van het dubbele spleet experiment van Young. Monochromatisch licht valt in op een zeer kleine opening in een scherm. De opening fungeert als puntbron en zendt bolvormige golven uit. Op een grote afstand van de puntbron bevindt zich een scherm voorzien van 2 kleine spleten. Op voldoende grote afstand L wordt op een scherm een interferentiepatroon waargenomen. Het interferentiepatroon bestaat uit donkere en lichte strepen. Probeer zelf uit hoe de interferentiestrepen variëren bij verandering van:

  • de golflengte Lamda (kleur) van het opvallend licht
  • de afstand d tussen de twee spleten
  • de afstand L tussen het waarnemingsscherm en het scherm waarin zich de twee spleten bevinden.

Waarom dit duidt op een golfkarakter van licht

licht Als we op een enkele spleet balletjes zouden afschieten krijgen we een intensiteitpatroon met een hoge intensiteit in het midden en een snelle afname van de intensiteit als we afwijken van het midden. Voegen we een tweede spleet toe krijgen we een intensiteit patroon dat de som is van twee enkele spleten, zoals te zien in figuur 4.

Figuur 4. Het dubbele spleet experiment uitgevoerd met deeltjes. We zien een sterkte concentratie van de intensiteit rond de middens van de spleten

Dit is totaal anders dan het interferentie patroon dat we krijgen bij een golf. Doordat we in het dubbele spleet experiment met licht een interferentie patroon als resultaat krijgen kunnen we daaruit concluderen dat licht zich als een golf gedraagt.

Een stukje geschiedenis over Interferentie

In 1805 was het Dr. Thomas Young die erin slaagde om een interferentie patroon van licht te laten zien met behulp van zonlicht. Eerdere pogingen van anderen, waaronder ook Grimaldi, mislukten omdat zij het zonlicht rechtstreeks op een dubbele spleet lieten vallen. Doordat de zon zo groot is zijn de 2 lichtbronnen, die zo worden gecreëerd, niet coherent. Dat betekent dat het licht dat uit de spleten komt niet gelijk is als we kijken naar de fase en golflengte. Wat Dr. Young hierop bedacht is dat hij eerst een enkele spleet gebuikte, zodat we een enkele lichtbron creëren en hiervoor vervolgens een dubbele spleet plaatsen zodat er wel twee coherente lichtbronnen ontstaan. Dit werkte inderdaad en Dr. Young zag een interferentie patroon.
De opstelling van Dr. Young zien we in figuur 3 en in de applet. In figuur 3 ontbreekt echter de eerste spleet die werd gebruikt om een coherente lichtbron te creëren.