ظاهرة التداخل في الأغشية الرقيقة في ميكانيكا الكم

الألوان الزاهية التي تظهر في بقعة زيت تطفو على الماء أو في فقاعة صابون مضاءة بنور الشمس تكون ناتجة عن التداخل، حيث أن ألمع الألوان هي تلك التي تتدخل بشكل بناء، إذ يحدث هذا التداخل بين الضوء المنعكس من الأسطح المختلفة لطبقة رقيقة، وبالتالي يُعرف التأثير باسم تداخل الأغشية الرقيقة.

ظاهرة التداخل في الاغشية الرقيقة

تظهر تأثيرات التداخل بشكل بارز عندما يتفاعل الضوء مع شيء له حجم مشابه لطوله الموجي، حيث أن الغشاء الرقيق هو الذي يكون سمكه أصغر من بضعة أضعاف الطول الموجي للضوء (λ)، إذ أن اللون يرتبط بشكل غير مباشر مع (λ) ولأن كل التداخل يعتمد بطريقة ما على نسبة (λ) بالنسبة لحجم الكائن المعني، يجب أن نتوقع رؤية ألوان مختلفة لسماكات مختلفة للفيلم كم في الشكل:

في الشكل الأول الذي يوجد في فقاعات صابون يحدث انعكاس في واجهة لانتقال الضوء من وسيط مع مؤشر الانكسار ن1 إلى وسط مع معامل الانكسار ن2 و ن1<ن2، إذ يتسبب في تغيير طور الموجة π راديان، فإذا كان الفيلم عبارة عن فقاعة صابون، فإن تحول الطور λ / 2 يحدث للشعاع 1 ولكن ليس للشعاع 2.

وهكذا عندما يكون الفيلم رقيقًا جدًا ويكون اختلاف طول المسار بين الشعاعين ضئيلًا يكونان خارج الطور تمامًا، ويحدث التداخل المدمر في جميع الأطوال الموجية، وهكذا فإن فقاعة الصابون مظلمة هنا، حيث يعتبر سمك الفيلم بالنسبة للطول الموجي للضوء هو العامل الحاسم الآخر في تداخل الأغشية الرقيقة.

ينتقل الشعاع الثاني مسافة أكبر من الشعاع الأول ،وبالنسبة للضوء الساقط بشكل عمودي على السطح يقطع الشعاع الثاني مسافة تقارب 2 طن أبعد من الشعاع الأول، وعندما تكون هذه المسافة مضاعفًا لا يتجزأ أو نصف متكامل لطول الموجة في متوسط (λن= λ / ن ، حيث أن (λ) هو الطول الموجي في الفراغ و n هو مؤشر الانكسار، ويحدث التداخل البناء أو المدمر اعتمادًا أيضًا على ما إذا كان هناك تغيير في الطور في أي من الشعاعين.

نظرية تداخل الأغشية الرقيقة

وفي علم البصريات الغشاء الرقيق هو طبقة من مادة بسمك يتراوح من تحت نانومتر إلى نطاق ميكرون، فعندما يضرب الضوء سطح الفيلم، فإنه يذهب أو ينعكس على السطح العلوي، حيث يصل الضوء المنقول إلى السطح السفلي وقد ينتقل أو ينعكس مرة أخرى.

توفر معادلات فرينل وصفًا كميًا لمقدار الضوء الذي سينتقل أو ينعكس على الواجهة، حيث سوف يتداخل الضوء المنعكس من الأسطح العلوية والسفلية، إذ أن درجة التداخل البناء أو الهدَّامبين موجتين ضوئيتين يعتمد على الاختلاف في طورهما.

إن العوامل التي تؤثر على هذه هذا الاختلاف هي سمك طبقة الفيلم ومعامل انكسار الفيلم وزاوية وقوع الموجة الأصلية على الفيلم، بالإضافة إلى ذلك إن مرحلة التحول 180 درجة أو يمكن إدخال الراديان عند الانعكاس عند حد اعتمادًا على مؤشرات الانكسار للمواد على جانبي الحدود.

يحدث انزياح الطور هذا إذا كان معامل الانكسار للوسط الذي يمر الضوء خلاله أقل من معامل الانكسار للمادة التي يضربها، بمعنى آخر، إذا كانت ينتقل الضوء من المادة 1 إلى المادة 2، ثم يحدث انزياح الطور عند الانعكاس، ويمكن أن يظهر نمط الضوء الناتج عن هذا التداخل إما على شكل نطاقات فاتحة ومظلمة أو كأشرطة ملونة اعتمادًا على مصدر الضوء الساقط.

سبب تداخل الأغشية الرقيقة

يبين الشكل كيف يمكن للضوء المنعكس من الأسطح العلوية والسفلية للفيلم أن يتداخل، حيث ينعكس ضوء الحادث جزئيًا فقط من السطح العلوي للفيلم من خلال الشعاع الأول، ويدخل الجزء المتبقي الفيلم وينعكس في حد ذاته جزئيًا من السطح السفلي.

إن جزء من الضوء المنعكس من السطح السفلي يمكن أن ينبثق من الجزء العلوي للفيلم من خلال الشعاع الثاني ويتداخل مع الضوء المنعكس من الأعلى من خلال الشعاع الأول، وينتقل الشعاع الذي يدخل الفيلم مسافة أكبر، لذلك قد يكون داخل أو خارج الطور مع انعكاس الشعاع من الأعلى.

ما الذي يجعل فقاعات الصابون تتلون بلون قوس المطر

إن انعكاس الموجات الميكانيكية يمكن أن يشمل 180 درجة تغيير المرحلة، على سبيل المثال يتم عكس موجة متنقلة على سلسلة، على سبيل المثال a 180 درجة تغيير الطور عند الانعكاس عند حد يرتبط به خيط أثقل.

ومع ذلك إذا كانت السلسلة الثانية أخف أو بشكل أكثر دقة ذات كثافة خطية أقل، فلن يحدث انعكاس، وتنتج موجات الضوء نفس التأثير، لكن المعلمة الحاسمة للضوء هي مؤشر الانكسار، حيث أن موجات الضوء تخضع أ 180 درجة أو π حيث يتغير طور الراديان عند الانعكاس في واجهة يكون بعدها وسيطًا لمؤشر انكسار أعلى.

لا يحدث أي تغيير في الطور عند الانعكاس من وسط ذي معامل انكسار منخفض بسبب الطبيعة الدورية للموجات، فإن هذا الطور أو الانعكاس يعادل ± λ / 2 في المسافة المقطوعة، أو طول المسار، إذ يعد كل من طول المسار ومؤشرات الانكسار من العوامل المهمة في تداخل الأغشية الرقيقة.

أمثلة على تداخل الأغشية الرقيقة

تم العثور على تطبيق مهم لتداخل الأغشية الرقيقة في تصنيع الأدوات البصرية، حيث يمكن مقارنة العدسة أو المرآة بالسيد حيث يتم تأريضها، مما يسمح بتشكيلها بدقة أقل من الطول الموجي على سطحها بالكامل.

حيث تسمى هذه الظاهرة المسماة حلقات نيوتن، والذي يحدث عند وضع الأسطح المستوية لعدستين معًا، وتسمى العصابات الدائرية حلقات نيوتن لأن حلقات نيوتن وصفها واستخدامها بالتفصيل، إذ لم يكتشفها نيوتن، وإنما روبرت هوك ولم يعتقد نيوتن أنها كانت بسبب الطابع الموجي للضوء، وكل حلقة متتالية من a يشير اللون المعطى إلى زيادة نصف الطول الموجي فقط في المسافة بين العدسة والفراغ بحيث يمكن الحصول على دقة عالية بمجرد أن تصبح العدسة مثالية لا تظهر حلقات.

تطبيقات تداخل الأغشية الرقيقة

• يحتوي تداخل الأغشية الرقيقة على العديد من التطبيقات الأخرى، سواء في الطبيعة أو في التصنيع، حيث أن أجنحة بعض العث والفراشات لها ألوان قزحية تقريبًا بسبب تداخل الأغشية الرقيقة، بالإضافة إلى التصبغ إذ يتأثر لون الجناح بشكل كبير بالتداخل البناء لأطوال موجية معينة تنعكس من سطحه المغطى بالفيلم.

يقدم بعض مصنعي السيارات وظائف طلاء خاصة تستخدم تداخل الأغشية الرقيقة لإنتاج ألوان تتغير بزاوية، إذ يعتمد هذا الخيار المكلف على اختلاف اختلافات طول مسار الأغشية الرقيقة مع الزاوية، وتستخدم ميزات الأمان على بطاقات الائتمان والأوراق النقدية ورخص القيادة والعناصر المماثلة المعرضة للتزوير تداخل الأغشية الرقيقة أو حواجز الانعراج أو الصور المجسمة.

في وقت مبكر من عام 1998 كانت أستراليا في الصدارة مع فواتير الدولار المطبوعة على البوليمر مع ميزة أمان محزوز الحيود مما يجعل من الصعب تزوير العملة، وتستخدم دول أخرى مثل كندا ونيوزيلندا وتايوان تقنيات مماثلة، بينما تشتمل العملة الأمريكية على تأثير تداخل الأغشية الرقيقة.