Interferencia, diffrakció és a szuperpozíció elve

Az interferencia akkor fordul elő, amikor a hullámok kölcsönhatásba lépnek, míg a diffrakció akkor fordul elő, amikor egy hullám áthalad egy nyíláson. Ezeket az interakciókat a szuperpozíció elve szabályozza. Az interferencia, a diffrakció és a szuperpozíció elve fontos fogalmak a hullámok számos alkalmazásának megértéséhez.

Amikor két hullám kölcsönhatásba lép, a szuperpozíció elve azt mondja, hogy az eredményül hullám függvény a két egyedi hullámfüggvény összege. Ezt a jelenséget általában az alábbiak szerint írják le interferencia.

Fontoljuk meg azt az esetet, amikor víz csöpög a vízkádba. Ha egyetlen csepp eltalálja a vizet, akkor kör alakú hullámok keletkeznek a vízen. Ha azonban egy másik ponton elkezdené víz csepegtetni, akkor az lenne is kezdjünk hasonló hullámokat készíteni. Azokban a helyeken, ahol ezek a hullámok átfedik egymást, a kapott hullám a két korábbi hullám összegét jelenti.

Ez csak olyan helyzetekre érvényes, ahol a hullámfüggvény lineáris, azaz attól függ

Lehet, hogy nyilvánvaló, de valószínűleg jó, ha egyértelmű, hogy ez az elv hasonló típusú hullámokat is magában foglal. Nyilvánvaló, hogy a vízhullámok nem zavarják az elektromágneses hullámokat. A hasonló hullámtípusok között is a hatás általában csak azonos hullámhosszúságú (vagy pontosan) hullámokra korlátozódik. Az interferencia bevonásával végzett legtöbb kísérlet biztosítja, hogy a hullámok ebben a tekintetben azonosak.

A jobb oldalon látható kép két hullámot mutat, és mögöttük azt, hogy a két hullám miként van kombinálva az interferencia megjelenítéséhez.

Amikor a címerek átfedik egymást, a szuperpozíciós hullám eléri a maximális magasságot. Ez a magasság az amplitúdójuk összege (vagy amplitúdójuk kétszerese, abban az esetben, ha a kezdeti hullámok azonos amplitúdójúak). Ugyanez történik, amikor a vályúk átfedik egymást, és eredményes vályút képeznek, amely a negatív amplitúdók összege. Ezt az interferenciát nevezzük konstruktív beavatkozás mert növeli az általános amplitúdót. Egy másik nem animált példa a képre kattintva és a második képre lépve látható.

Alternatív megoldásként, ha egy hullám csúcsa átfedésben van egy másik hullám alsó részével, a hullámok bizonyos fokon kioltják egymást. Ha a hullámok szimmetrikusak (vagyis ugyanaz a hullámfunkció, de fázissal vagy félhullámhosszal eltolódnak), akkor teljesen eltörlik egymást. Ezt az interferenciát nevezzük pusztító interferencia és a jobb oldali ábrán vagy a képre kattintva és egy másik ábrázoláshoz tekinthető meg.

A vízkádban lévő hullámok korábbi esetben ezért láthat néhány pontot, ahol a az interferenciahullámok nagyobbok, mint az egyes hullámok, és néhány olyan pont, ahol a hullámok mindegyiket törli más ki.

Az interferencia különleges esete az fényelhajlás és akkor fordul elő, amikor egy hullám üt meg egy nyílás vagy él akadályán. Az akadály szélén egy hullám levágódik, és interferenciahatásokat hoz létre a hullámtörők fennmaradó részével. Mivel szinte minden optikai jelenség valamilyen nyíláson áthaladó fényt jelent - legyen az szem, érzékelő, a teleszkóp, vagy bármi más - a diffrakció szinte mindegyikében zajlik, bár a legtöbb esetben a hatás ilyen elhanyagolható. A diffrakció általában "homályos" élt hoz létre, bár bizonyos esetekben (például Young kettős résű kísérlete, amelyet alább ismertetünk) a diffrakció önmagában érdekes jelenségeket okozhat.

Az interferencia érdekes fogalom, és van néhány következménye, amelyre érdemes figyelni, különösen a fény területén, ahol az ilyen interferencia viszonylag könnyű megfigyelni.

Ban ben Thomas Young kettős résű kísérletepéldául a fényhullám diffrakciójából származó interferenciaminták lehetővé teszik, hogy egyenletes fényt ragyogjon és törje szét világos és sötét sávok sorozatává, csak két résen keresztül küldve, ami természetesen nem az, amit elvárhatnánk. Még ennél is meglepőbb, hogy a kísérlet elvégzése olyan részecskékkel, mint például elektronok, hasonló hullámszerű tulajdonságokhoz vezet. Bármilyen hullám mutatja ezt a viselkedést, a megfelelő beállításokkal.

Az interferencia talán a legérdekesebb alkalmazása a létrehozás hologramok. Ehhez egy koherens fényforrást, például egy lézert kell visszaverni egy tárgyról egy speciális filmre. A visszavert fény által létrehozott interferenciaminták eredményezik a holografikus képet, amely megnézhető, amikor ismét a megfelelő megvilágításba helyezi.