Interference, difrakce a princip superpozice

K rušení dochází, když vlny vzájemně interagují, zatímco k difrakci dochází, když vlna prochází otvorem. Tyto interakce se řídí zásadou superpozice. Interference, difrakce a princip superpozice jsou důležité pojmy pro pochopení několika aplikací vln.

Když dvě vlny interagují, princip superpozice říká, že výsledkem vlnová funkce je součet dvou jednotlivých vlnových funkcí. Tento jev se obecně popisuje jako rušení.

Zvažte případ, kdy voda kape do vany s vodou. Pokud do vody zasáhne jediná kapka, vytvoří se kolem vody kruhová vlna vln. Pokud byste však měli začít kapat vodu v jiném bodě, bylo by to taky začněte dělat podobné vlny. V bodech, kde se tyto vlny překrývají, by výsledná vlna byla součtem dvou předchozích vln.

To platí pouze pro situace, kdy je vlnová funkce lineární, to je místo, na kterém závisí X a t pouze na první Napájení. Některé situace, jako je nelineární elastické chování, které neposlouchá Hookeův zákon, by se nehodilo do této situace, protože má nelineární vlnovou rovnici. Ale pro téměř všechny vlny, které se zabývají fyzikou, tato situace platí.

Mohlo by to být zřejmé, ale je pravděpodobně dobré, aby byl na tomto principu jasné také vlny podobného typu. Je zřejmé, že vlny vody nebudou rušit elektromagnetické vlny. I u podobných typů vln je účinek obecně omezen na vlny prakticky (nebo přesně) stejné vlnové délky. Většina experimentů při rušení zajišťuje, že vlny jsou v těchto ohledech identické.

Obrázek vpravo ukazuje dvě vlny a pod nimi, jak jsou tyto dvě vlny kombinovány, aby zobrazovaly rušení.

Když se hřebeny překrývají, superpoziční vlna dosáhne maximální výšky. Tato výška je součtem jejich amplitud (nebo dvojnásobkem jejich amplitudy, v případě, že počáteční vlny mají stejnou amplitudu). Totéž se stane, když se žlaby překrývají a vytvářejí výsledný žlábek, který je součtem negativních amplitud. Tento druh rušení se nazývá konstruktivní interference protože zvyšuje celkovou amplitudu. Další neanimovaný příklad lze vidět kliknutím na obrázek a přechodem na druhý obrázek.

Alternativně, když se vrchol vlny překrývá se žlabem další vlny, vlny se navzájem do jisté míry vzájemně ruší. Pokud jsou vlny symetrické (tj. Stejná vlnová funkce, ale posunuty o fázi nebo poloviční vlnovou délku), vzájemně se zcela zruší. Tento druh rušení se nazývá destruktivní rušení a lze je zobrazit v grafice vpravo nebo kliknutím na tento obrázek a postoupením do jiné reprezentace.

V dřívějším případě vlnky ve vaně s vodou byste tedy měli vidět některé body, kde interferenční vlny jsou větší než každá z jednotlivých vln a v některých bodech vlny každé ruší jiné ven.

Zvláštní případ rušení je známý jako difrakce a nastane, když vlna zasáhne bariéru clony nebo okraje. Na okraji překážky je vlna přerušena a vytváří zbytečnou část vlnových front interferenční efekty. Protože téměř všechny optické jevy zahrnují světlo procházející otvorem jakéhokoli druhu - ať už je to oko, senzor, a dalekohled nebo cokoli - difrakce probíhá téměř ve všech, i když ve většině případů je to účinek zanedbatelný. Difrakce obvykle vytváří „fuzzy“ hranu, i když v některých případech (jako je Youngův experiment se dvěma štěrbinami, popsaný níže) může difrakce způsobit vlastní jevy.

Rušení je zajímavý koncept a má některé důsledky, které stojí za povšimnutí, zejména v oblasti světla, kde je takové rušení relativně snadno pozorovatelné.

v Thomas Youngův experiment se dvěma štěrbinaminapříklad interferenční vzorce, které jsou výsledkem difrakce světelné „vlny“, umožňují, abyste mohli zářit jednotné světlo a rozdělit ji na řadu světlých a tmavých pásem pouhým zasláním skrz dvě štěrbiny, což rozhodně není to, co by člověk očekával. Ještě překvapivější je, že provedení tohoto experimentu s částicemi, jako jsou elektrony, vede k podobným vlnovým vlastnostem. Jakákoli vlna vykazuje toto chování se správným nastavením.

Snad nejvíce fascinující aplikace rušení je vytvořit hologramy. To se provádí odrážením koherentního světelného zdroje, jako je laser, z předmětu na speciální film. Interferenční vzory vytvořené odraženým světlem jsou výsledkem holografického obrazu, který lze vidět, když je znovu umístěn do správného druhu osvětlení.