Interferens, diffraktion og princippet om superposition

Interferens finder sted, når bølger interagerer med hinanden, mens diffraktion finder sted, når en bølge passerer gennem en blænde. Disse interaktioner styres af princippet om superposition. Interferens, diffraktion og superpositionprincippet er vigtige begreber til forståelse af flere anvendelser af bølger.

Når to bølger interagerer, siger principet om superposition, at det resulterende bølgefunktion er summen af ​​de to individuelle bølgefunktioner. Dette fænomen beskrives generelt som interferens.

Overvej et tilfælde, hvor vand drypper ned i et badekar med vand. Hvis der er en enkelt dråbe, der rammer vandet, vil det skabe en cirkulær bølge af krusninger over vandet. Hvis du imidlertid skulle begynde at dryppe vand på et andet punkt, ville det også begynde at lave lignende bølger. På de punkter, hvor disse bølger overlapper hinanden, ville den resulterende bølge være summen af ​​de to tidligere bølger.

Dette gælder kun for situationer, hvor bølgefunktionen er lineær, det er, hvor den afhænger af

Det kan være indlysende, men det er sandsynligvis godt at også være klar over dette princip involverer bølger af lignende type. Naturligvis vil bølger af vand ikke forstyrre elektromagnetiske bølger. Selv blandt lignende bølgetyper er effekten generelt begrænset til bølger med næsten (eller nøjagtigt) den samme bølgelængde. De fleste eksperimenter med at involvere interferens sikrer, at bølgerne er identiske i disse henseender.

Billedet til højre viser to bølger, og under dem, hvordan disse to bølger kombineres for at vise interferens.

Når kamberne overlapper hinanden, når superpositionbølgen en maksimal højde. Denne højde er summen af ​​deres amplituder (eller to gange deres amplitude, i det tilfælde, hvor de oprindelige bølger har samme amplitude). Det samme sker, når trugene overlapper hinanden, hvilket skaber et resulterende trug, der er summen af ​​de negative amplituder. Denne slags interferens kaldes konstruktiv interferens fordi det øger den samlede amplitude. Et andet ikke-animeret eksempel kan ses ved at klikke på billedet og gå videre til det andet billede.

Alternativt, når en bølgs kam overlapper med truget i en anden bølge, annullerer bølgerne hinanden ud i nogen grad. Hvis bølgerne er symmetriske (dvs. den samme bølgefunktion, men skiftes med en fase eller halvbølgelængde), annullerer de hinanden fuldstændigt. Denne slags interferens kaldes destruktiv interferens og kan ses på grafikken til højre eller ved at klikke på dette billede og gå videre til en anden repræsentation.

I det tidligere tilfælde af krusninger i et badekar med vand, vil du derfor se nogle punkter, hvor interferensbølger er større end hver af de enkelte bølger, og nogle punkter, hvor bølgerne annullerer hver andet ud.

Et specielt tilfælde af interferens er kendt som diffraktion og finder sted, når en bølge rammer barrieren for en blænde eller kant. I kanten af ​​forhindringen afskæres en bølge, og den skaber interferensvirkninger med den resterende del af bølgefronterne. Da næsten alle optiske fænomener involverer lys, der passerer gennem en blænde af en slags art - det være sig et øje, en sensor, en teleskop, eller hvad som helst - diffraktion finder sted i næsten alle af dem, selvom effekten i de fleste tilfælde er ubetydelig. Diffraktion skaber typisk en "uklar" kant, skønt i nogle tilfælde (som Youngs dobbeltsnitseksperiment, beskrevet nedenfor), kan diffraktion forårsage fænomener af interesse for sig selv.

Interferens er et spændende koncept og har nogle konsekvenser, der er værd at bemærke, specielt inden for lysområdet, hvor en sådan interferens er relativt let at observere.

I Thomas Youngs dobbeltslidseksperimentfor eksempel gør interferensmønstrene, der er resultatet af diffraktion af lysbølgen, det, så du kan skinne et ensartet lys og bryde den op i en række lyse og mørke bånd bare ved at sende den gennem to spalter, hvilket bestemt ikke er, hvad man kunne forvente. Endnu mere overraskende er det, at udførelse af dette eksperiment med partikler, såsom elektroner, resulterer i lignende bølgelignende egenskaber. Enhver form for bølge udviser denne opførsel med den rette opsætning.

Den måske mest fascinerende anvendelse af interferens er at skabe hologrammer. Dette gøres ved at reflektere en sammenhængende lyskilde, såsom en laser, fra et objekt på en speciel film. De interferensmønstre, der er skabt af det reflekterede lys, er det, der resulterer i det holografiske billede, som kan ses, når det igen placeres i den rigtige slags belysning.