Interferentie, diffractie en het principe van superpositie

Interferentie vindt plaats wanneer golven op elkaar inwerken, terwijl diffractie plaatsvindt wanneer een golf door een opening gaat. Deze interacties worden beheerst door het principe van superpositie. Interferentie, diffractie en het superpositie-principe zijn belangrijke concepten voor het begrijpen van verschillende toepassingen van golven.

Interferentie & het principe van superpositie

Wanneer twee golven op elkaar inwerken, zegt het principe van superpositie dat de resulterende golffunctie de som is van de twee afzonderlijke golffuncties. Dit fenomeen wordt over het algemeen beschreven als inmenging.

Overweeg een geval waarin water in een bak met water druppelt. Als er een enkele druppel het water raakt, zal het een cirkelvormige golf van rimpelingen over het water creëren. Als je echter op een ander punt water zou gaan druppelen, zou dat het geval zijn ook begin soortgelijke 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, dat is waar het van afhangt X en t alleen tot de eerste macht. Sommige situaties, zoals niet-lineair elastisch gedrag dat de wet van Hooke niet gehoorzaamt, zouden niet in deze situatie passen, omdat het een niet-lineaire golfvergelijking heeft. Maar voor bijna alle golven die in de fysica worden behandeld, geldt deze situatie.

Het is misschien vanzelfsprekend, maar het is waarschijnlijk goed om ook duidelijk te zijn dat dit principe betrekking heeft op golven van hetzelfde type. Het is duidelijk dat watergolven de elektromagnetische golven niet storen. Zelfs bij vergelijkbare soorten golven is het effect over het algemeen beperkt tot golven met vrijwel (of exact) dezelfde golflengte. De meeste experimenten met interferentie zorgen ervoor dat de golven in deze opzichten identiek zijn.

Constructieve & destructieve interferentie

De afbeelding rechts toont twee golven en, daaronder, 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 goten elkaar overlappen, waardoor een resulterende goot ontstaat die de som is van de negatieve amplitudes. Dit soort interferentie wordt genoemd constructieve interferentie omdat het de totale amplitude verhoogt. Een ander niet-geanimeerd voorbeeld kan worden gezien door op de foto 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 enigszins 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 kuip water, ziet u daarom enkele punten waar de interferentiegolven groter zijn dan elk van de afzonderlijke golven, en sommige punten waar de golven elkaar opheffen.

diffractie

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 deze veroorzaakt interferentie-effecten met het resterende deel van de golffronten. Aangezien bijna alle optische fenomenen betrekking hebben op licht dat door een opening gaat - of het nu een oog is, een sensor, een telescoop of wat dan ook - vindt diffractie in bijna alle van hen plaats, hoewel het effect in de meeste gevallen te verwaarlozen is. Diffractie creëert meestal een "wazige" rand, hoewel in sommige gevallen (zoals Young's dubbele spleet-experiment, hieronder beschreven) diffractie op zichzelf interessante fenomenen kan veroorzaken.

Gevolgen en toepassingen

Interferentie is een intrigerend concept en heeft een aantal belangrijke aandachtspunten, met name op het gebied van licht waar dergelijke interferentie relatief eenvoudig waar te nemen is.

In het experiment met de dubbele spleet van Thomas Young zorgen de interferentiepatronen die het gevolg zijn van diffractie van de licht "golf" ervoor dat u een uniform licht kunt laten schijnen en het in een reeks lichte en donkere banden kunt breken door het gewoon door twee te sturen spleten, wat zeker niet is wat men zou verwachten. Nog verrassender is dat het uitvoeren van dit experiment met deeltjes, zoals elektronen, vergelijkbare golfachtige eigenschappen tot gevolg heeft. Elke golf vertoont dit gedrag, met de juiste opstelling.

Misschien is de meest fascinerende toepassing van interferentie het maken van hologrammen. Dit wordt gedaan door een coherente lichtbron, zoals een laser, van een object op een speciale film te reflecteren. De interferentiepatronen gecreëerd door het gereflecteerde licht zijn wat resulteert in het holografische beeld, dat kan worden bekeken wanneer het opnieuw in de juiste soort verlichting wordt geplaatst.