Interferens, diffraktion och principen om superposition

Interferens sker när vågor interagerar med varandra, medan diffraktion sker när en våg passerar genom en bländare. Dessa interaktioner styrs av principen om superposition. Interferens, diffraktion och superpositionprincipen är viktiga begrepp för att förstå flera tillämpningar av vågor.

När två vågor interagerar, säger superpositionens princip att det resulterande vågfunktion är summan av de två individuella vågfunktionerna. Detta fenomen beskrivs generellt som interferens.

Tänk på ett fall där vattnet droppar i ett badkar med vatten. Om det finns en enda droppe som träffar vattnet, kommer det att skapa en cirkulär våg av krusningar över vattnet. Om du emellertid skulle börja droppa vatten på en annan punkt skulle det vara det också börja göra liknande vågor. Vid de punkter där vågorna överlappar var den resulterande vågen summan av de två tidigare vågorna.

Detta gäller endast för situationer där vågfunktionen är linjär, det är där den beror på x

Det kan vara uppenbart, men det är förmodligen bra att också vara tydlig med denna princip involverar vågor av liknande typ. Uppenbarligen kommer vattenvågor inte att störa elektromagnetiska vågor. Även bland liknande vågtyper är effekten generellt begränsad till vågor med praktiskt taget (eller exakt) samma våglängd. De flesta experiment för att involvera störningar säkerställer att vågorna är identiska i dessa avseenden.

Bilden till höger visar två vågor och, under dem, hur dessa två vågor kombineras för att visa störningar.

När topparna överlappar, når superpositionvågen en maximal höjd. Denna höjd är summan av deras amplituder (eller två gånger deras amplitud, i fallet där de initiala vågorna har lika stor amplitud). Detsamma händer när rännorna överlappar varandra och skapar ett resulterande trug som är summan av de negativa amplituderna. Denna typ av störning kallas konstruktiv störning eftersom det ökar den totala amplituden. Ett annat icke-animerat exempel kan ses genom att klicka på bilden och gå vidare till den andra bilden.

Alternativt, när vågens vapen överlappar med tråg för en annan våg, avbryter vågorna varandra ut i viss utsträckning. Om vågorna är symmetriska (dvs. samma vågfunktion, men skiftade med en fas eller halvvåglängd) kommer de att avbryta varandra helt. Denna typ av störning kallas destruktiv störning och kan ses i grafiken till höger eller genom att klicka på den bilden och gå vidare till en annan representation.

I det tidigare fallet med krusningar i ett badkar med vatten, skulle du därför se några punkter där interferensvågor är större än var och en av de enskilda vågorna, och vissa punkter där vågorna avbryter var och en andra ut.

Ett speciellt fall av störningar kallas diffraktion och äger rum när en våg träffar barriären för en bländare eller kant. Vid kanten av hindret avbryts en våg, och det skapar störningseffekter med den kvarvarande delen av vågfronterna. Eftersom nästan alla optiska fenomen involverar ljus som passerar genom en bländare av något slag - vare sig det är ett öga, en sensor, en teleskop, eller vad som helst - diffraktion äger rum i nästan alla, även om effekten i de flesta fall är försumbar. Diffraktion skapar vanligtvis en "fuzzy" kant, även om i vissa fall (som Youngs dubbelslits experiment, beskrivs nedan) kan diffraktion orsaka fenomen av intresse i sig.

Interferens är ett spännande koncept och har vissa konsekvenser som är värda att notera, speciellt inom ljusområdet där sådan störning är relativt lätt att observera.

I Thomas Youngs dubbelslitsexperiment, till exempel, interferensmönstren som resulterar från diffraktion av ljuset "vågen" gör det så att du kan lysa ett enhetligt ljus och dela upp den i en serie ljusa och mörka band bara genom att skicka den genom två slitsar, vilket verkligen inte är vad man kan förvänta sig. Ännu mer överraskande är att genomföra detta experiment med partiklar, såsom elektroner, resulterar i liknande vågliknande egenskaper. Varje slags våg visar detta beteende med korrekt inställning.

Den kanske mest fascinerande tillämpningen av störningar är att skapa hologram. Detta görs genom att reflektera en sammanhängande ljuskälla, såsom en laser, av ett föremål på en speciell film. De interferensmönster som skapas av det reflekterade ljuset är det som resulterar i den holografiska bilden, som kan ses när den återigen placeras i rätt slags belysning.