Interferentie, diffractie en het principe van superpositie

Interferentie vindt plaats wanneer golven met elkaar interageren, terwijl diffractie plaatsvindt wanneer een golf door een opening gaat. Deze interacties worden beheerst door het principe van superpositie. Interferentie, diffractie en het principe van superpositie zijn belangrijke concepten om verschillende toepassingen van golven te begrijpen.

Wanneer twee golven met elkaar in wisselwerking staan, zegt het principe van superpositie dat het resultaat is Golf functie is de som van de twee individuele golffuncties. Dit fenomeen wordt over het algemeen beschreven als interferentie.

Overweeg een geval waarin water in een bak met water druppelt. Als er een enkele druppel op het water valt, ontstaat er een cirkelvormige golf van rimpelingen over het water. Als u echter op een ander punt water zou gaan druppelen, zou dat het geval zijn ook begin vergelijkbare golven te maken. Op de punten waar die golven elkaar overlappen, zou de resulterende golf de som zijn van de twee eerdere golven.

Dit geldt alleen voor situaties waarin de golffunctie lineair is, daar hangt het van af X en t alleen voor de eerste macht. Sommige situaties, zoals niet-lineair elastisch gedrag dat niet gehoorzaamt Hooke's wet, zou niet in deze situatie passen, omdat het een niet-lineaire golfvergelijking heeft. Maar voor bijna alle golven die in de natuurkunde worden behandeld, geldt deze situatie.

Het is misschien voor de hand liggend, maar het is waarschijnlijk goed om ook duidelijk te zijn over dit principe met golven van vergelijkbaar type. Het is duidelijk dat watergolven de elektromagnetische golven niet zullen hinderen. Zelfs bij vergelijkbare soorten golven is het effect in het algemeen beperkt tot golven van vrijwel (of precies) dezelfde golflengte. De meeste experimenten met interferentie zorgen ervoor dat de golven in dit opzicht identiek zijn.

De afbeelding rechts toont twee golven en, onder hen, hoe die twee golven worden gecombineerd om interferentie te tonen.

Wanneer de toppen elkaar overlappen, bereikt de superpositiegolf een maximale hoogte. Deze hoogte is de som van hun amplitudes (of tweemaal hun amplitude, in het geval dat de initiële golven dezelfde amplitude hebben). Hetzelfde gebeurt wanneer de troggen elkaar overlappen, waardoor een resulterende trog ontstaat die de som is van de negatieve amplituden. Dit soort interferentie wordt genoemd constructieve interferentie omdat het de algehele amplitude vergroot. Een ander niet-geanimeerd voorbeeld kan worden gezien door op de afbeelding te klikken en door te gaan naar de tweede afbeelding.

Als alternatief, wanneer de top van een golf overlapt met de trog van een andere golf, heffen de golven elkaar tot op zekere hoogte op. Als de golven symmetrisch zijn (d.w.z. dezelfde golffunctie, maar verschoven met een fase of halve golflengte), zullen ze elkaar volledig opheffen. Dit soort interferentie wordt genoemd destructieve interferentie en kan worden bekeken in de afbeelding rechts of door op die afbeelding te klikken en door te gaan naar een andere weergave.

In het eerdere geval van rimpelingen in een bak met water, zou je daarom enkele punten zien waar de interferentiegolven zijn groter dan elk van de afzonderlijke golven en sommige punten waar de golven elk opheffen andere uit.

Een speciaal geval van interferentie staat bekend als diffractie en vindt plaats wanneer een golf de barrière van een opening of rand raakt. Aan de rand van het obstakel wordt een golf afgesneden en veroorzaakt het interferentie-effecten met het resterende deel van de golffronten. Aangezien bijna alle optische fenomenen betrekking hebben op licht dat door een soort opening gaat - of het nu een oog, een sensor, een is telescoop of wat dan ook - diffractie vindt in bijna alle gevallen plaats, hoewel in de meeste gevallen het effect is te verwaarlozen. Diffractie creëert typisch een "fuzzy" rand, hoewel diffractie in sommige gevallen (zoals Youngs dubbelgespleten experiment, hieronder beschreven) op zich al interessante verschijnselen kan veroorzaken.

Interferentie is een intrigerend concept en heeft enkele gevolgen die de moeite van het vermelden waard zijn, met name op het gebied van licht waar dergelijke interferentie relatief gemakkelijk waar te nemen is.

In Het experiment met dubbele sleuven van Thomas YoungZo zorgen de interferentiepatronen als gevolg van diffractie van de lichtgolf ervoor dat je een gelijkmatig licht kunt laten schijnen en breek het in een reeks lichte en donkere banden door het gewoon door twee spleten te sturen, wat zeker niet is wat je zou verwachten. Nog verrassender is dat het uitvoeren van dit experiment met deeltjes, zoals elektronen, vergelijkbare golfachtige eigenschappen oplevert. Elke soort golf vertoont dit gedrag, met de juiste set-up.

Misschien wel de meest fascinerende toepassing van interferentie is creëren hologrammen. Dit wordt gedaan door een coherente lichtbron, zoals een laser, van een object op een speciale film te reflecteren. De door het gereflecteerde licht gecreëerde interferentiepatronen resulteren in het holografische beeld, dat kan worden bekeken wanneer het weer in de juiste soort verlichting wordt geplaatst.