Interferența, difracția și principiul suprapoziției

Interferența are loc atunci când undele interacționează între ele, în timp ce difracția are loc atunci când o undă trece printr-o deschidere. Aceste interacțiuni sunt guvernate de principiul superpoziției. Interferența, difracția și principiul superpoziției sunt concepte importante pentru înțelegerea mai multor aplicații ale undelor.

Când două unde interacționează, principiul superpoziției spune că rezultatul funcția de undă este suma celor două funcții de undă individuale. Acest fenomen este în general descris ca fiind amestec.

Luați în considerare un caz în care apa picură într-o cadă cu apă. Dacă există o singură picătură care lovește apa, aceasta va crea un val circular de ondulări în toată apa. Dacă totuși, ar fi să începeți să picurați apa într-un alt punct, ar fi de asemenea începe să faci valuri similare. În punctele în care acele valuri se suprapun, unda rezultată ar fi suma celor două valuri anterioare.

Acest lucru este valabil doar pentru situațiile în care funcția de undă este liniară, de unde depinde

Poate fi evident, dar este bine să fie clar și acest principiu implică valuri de tip similar. Evident, undele de apă nu vor interfera cu undele electromagnetice. Chiar și în rândul unor tipuri de unde similare, efectul este în general limitat la unde de aproape (sau exact) aceeași lungime de undă. Majoritatea experimentelor care implică interferențe asigură că undele sunt identice în aceste privințe.

Imaginea din dreapta arată două valuri și, sub ele, cum sunt combinate acele două valuri pentru a arăta interferențe.

Când crestele se suprapun, valul de superpoziție atinge o înălțime maximă. Această înălțime este suma amplitudinilor lor (sau de două ori amplitudinea lor, în cazul în care undele inițiale au amplitudine egală). Același lucru se întâmplă atunci când jgheaburile se suprapun, creând un jgheab rezultat care este suma amplitudinilor negative. Acest tip de interferență se numește interferență constructivă deoarece crește amplitudinea generală. Un alt exemplu care nu este animat poate fi văzut făcând clic pe imagine și avansând la a doua imagine.

În mod alternativ, când creasta unei valuri se suprapune cu jgheabul unei alte valuri, undele se anulează reciproc într-un anumit grad. Dacă undele sunt simetrice (adică aceeași funcție de undă, dar deplasate de o fază sau jumătate de lungime de undă), se vor anula reciproc complet. Acest tip de interferență se numește interferențe distructive și poate fi vizualizat în graficul din dreapta sau făcând clic pe acea imagine și avansând la o altă reprezentare.

În cazurile anterioare ale ondulărilor într-o cadă cu apă, ar trebui, așadar, să vedeți câteva puncte în care undele de interferență sunt mai mari decât fiecare dintre undele individuale și unele puncte unde undele anulează fiecare alte afară.

Un caz special de interferență este cunoscut sub numele de difracţie și are loc atunci când o undă lovește bariera unei deschideri sau a unei margini. La marginea obstacolului, o undă este întreruptă și creează efecte de interferență cu porțiunea rămasă a fronturilor de undă. Întrucât aproape toate fenomenele optice implică trecerea luminii printr-o deschidere de un fel - fie că este un ochi, un senzor, un telescop sau orice altceva - difracția are loc în aproape toate, deși în majoritatea cazurilor efectul este neglijabil. Difracția creează de obicei o margine „confuză”, deși în unele cazuri (cum ar fi experimentul lui Young cu fanta dublă, descrisă mai jos), difracția poate provoca fenomene de interes în sine.

Interferența este un concept intrigant și are anumite consecințe demne de remarcat, în special în zona luminii unde o astfel de interferență este relativ ușor de observat.

În Experimentul lui Thomas Young cu fanta dublă, de exemplu, tiparele de interferență rezultate din difragerea „undei” de lumină o fac astfel încât să poți străluci o lumină uniformă și împărțiți-o într-o serie de benzi ușoare și întunecate doar trimițând-o prin două fante, ceea ce cu siguranță nu este ceea ce s-ar aștepta. Și mai surprinzător este faptul că efectuarea acestui experiment cu particule, cum ar fi electronii, are ca rezultat proprietăți similare cu undele. Orice fel de val prezintă acest comportament, cu configurarea corectă.

Poate cea mai fascinantă aplicație a interferenței este crearea holograme. Aceasta se realizează prin reflectarea unei surse de lumină coerente, cum ar fi un laser, oprit de un obiect pe un film special. Modelele de interferență create de lumina reflectată sunt rezultatul imaginii holografice, care poate fi vizualizată atunci când este plasată din nou în felul potrivit de iluminare.