Interferens sker när vågor interagerar med varandra, medan diffraktion sker när en våg passerar genom en öppning. Dessa interaktioner styrs av principen om superposition. Interferens, diffraktion och superpositionsprincipen är viktiga begrepp för att förstå flera tillämpningar av vågor
Interferens & superpositionsprincipen
När två vågor interagerar säger superpositionsprincipen att den resulterande vågfunktionen är summan av de två individuella vågfunktionerna. fenomen beskrivs allmänt som interferens.
Tänk på ett fall där vatten droppar ner i en balja med vatten. Om det finns en enda droppe som träffar vattnet kommer det att skapa en cirkulär våg av vågor över vattnet. Om, ho om du skulle börja droppa vatten vid en annan punkt, skulle det också börja göra liknande vågor. Vid de punkter där dessa vågor överlappar varandra, skulle den resulterande vågen vara summan av de två tidigare vågorna.
Detta gäller endast för situationer där vågfunktionen är linjär, det är där den beror på x och t
endast i första potens. Vissa situationer, som olinjärt elastiskt beteende som inte följer Hookes lag, skulle inte passa denna situation, eftersom det har en olinjär vågekvation. Men för nästan alla vågor som behandlas inom fysiken gäller denna situation.
Det kan vara uppenbart, men det är nog bra att också vara tydlig med att denna princip innebär vågor av liknande typ. Uppenbarligen kommer vågor av vatten inte att störa elektromagnetiska vågor. Även bland liknande typer av vågor är effekten i allmänhet begränsad till vågor med praktiskt taget (eller exakt) samma våglängd. De flesta experiment med att involvera interferens säkerställer att vågorna är identiska i dessa avseenden.
Konstruktiv och destruktiv störning
Bilden till höger visar två vågor och, under dem, hur dessa två vågor kombineras för att visa störningar.
När topparna överlappar varandra når superpositionsvågen en maximal höjd. Denna höjd är summan av deras amplituder (eller två gånger deras amplitud, i det fall de initiala vågorna har samma amplitud). Samma sak händer när rännorna överlappar varandra, vilket skapar ett resulterande dal som är summan av de negativa amplituderna. Denna typ av interferens kallas constructive interference
eftersom den ökar den totala amplituden. Ett annat icke-animerat exempel kan ses genom att klicka på bilden och gå vidare till den andra bilden.
Omväxlande, när toppen av en våg överlappar botten av en annan våg, tar vågorna ut varandra till vissa grad. Om vågorna är symmetriska (dvs samma vågfunktion, men förskjutna med en fas eller halvvåglängd) kommer de att ta bort varandra helt. Denna typ av interferens kallas destructive interference
och kan ses i grafiken till höger eller genom att klicka på den bilden och avancera till en annan representation.
I det tidigare fallet med krusningar i en balja med vatten, skulle du därför se några punkter där störningen vågorna är större än var och en av de individuella vågorna, och vissa punkter där vågorna tar ut varandra.
Diffraktion
Ett specialfall av interferens är känt som diffraktion och äger rum när en våg träffar barriären av en öppning eller kant. Vid kanten av hindret skärs en våg av och den skapar interferenseffekter med den återstående delen av vågfronterna. Eftersom nästan alla optiska fenomen involverar ljus som passerar genom en öppning av något slag – vare sig det är ett öga, en sensor, ett teleskop eller vad som helst – sker diffraktion i nästan alla av dem, även om effekten i de flesta fall är försumbar. Diffraktion skapar vanligtvis en ”suddrig” kant, även om diffraktion i vissa fall (som Youngs dubbelslitsexperiment, som beskrivs nedan) kan orsaka fenomen av intresse i sig.
Konsekvenser och tillämpningar
Interferens är ett spännande koncept och har några konsekvenser som är värda att notera, särskilt i ljusområdet där sådana störningar är relativt lätta att observera.
I Thomas Youngs experiment med dubbelslits, till exempel, interferensmönstren som härrör från diffraktion av ljus ”vågen” gör det så att du kan skina ett enhetligt ljus och bryta det i en serie ljusa och mörka band bara genom att skicka det genom två slitsar, vilket verkligen inte är vad man kan förvänta sig. Ännu mer överraskande är att utförandet av detta experiment med partiklar, såsom elektroner, resulterar i liknande vågliknande egenskaper. Vilken typ av våg som helst uppvisar detta beteende, med rätt inställning.
Den kanske mest fascinerande tillämpningen av interferens är att skapa hologram. Detta görs genom att reflektera en koherent ljuskälla, såsom en laser, från ett föremål på en speciell film. Interferensmönstren som skapas av det reflekterade ljuset är det som resulterar i den holografiska bilden, som kan ses när den återigen placeras i rätt sorts belysning.
