Rušenie, difrakcia a princíp superpozície

Rušenie nastáva, keď vlny vzájomne interagujú, zatiaľ čo difrakcia nastáva, keď vlna prechádza otvorom. Tieto interakcie sa riadia zásadou superpozície. Rušenie, difrakcia a princíp superpozície sú dôležité pojmy pre pochopenie niekoľkých aplikácií vĺn.

Keď dve vlny interagujú, princíp superpozície hovorí, že výsledkom vlnová funkcia je súčet dvoch jednotlivých vlnových funkcií. Tento jav sa všeobecne označuje ako zasahovanie.

Zvážte prípad, keď voda steká do vane s vodou. Ak do vody zasiahne jediná kvapka, vytvorí sa cez ňu kruhová vlna vlniek. Keby ste však mali začať kvapkať vodu v inom bode, bolo by to tiež začnite robiť podobné vlny. V miestach, kde sa tieto vlny prekrývajú, by výsledná vlna predstavovala súčet predchádzajúcich dvoch vĺn.

Platí to iba pre situácie, keď je vlnová funkcia lineárna, teda od ktorej závisí X a T iba k prvému moc. Niektoré situácie, ako napríklad nelineárne elastické správanie, ktoré sa neposlúcha Hookeov zákon, by nezodpovedal tejto situácii, pretože má nelineárnu vlnovú rovnicu. Táto situácia však platí pre takmer všetky vlny, ktoré sa zaoberajú fyzikou.

Mohlo by to byť zrejmé, ale pravdepodobne je tiež jasné, že na tomto princípe sú vlny podobného typu. Je zrejmé, že vlny vody nebudú rušiť elektromagnetické vlny. Dokonca aj medzi podobnými typmi vĺn je účinok všeobecne obmedzený na vlny prakticky (alebo presne) rovnakej vlnovej dĺžky. Väčšina experimentov zameraných na interferenciu zabezpečuje, že vlny sú v tomto ohľade identické.

Obrázok vpravo zobrazuje dve vlny a pod nimi, ako sa tieto dve vlny kombinujú, aby vykazovali rušenie.

Keď sa vrcholy prekrývajú, superpozičná vlna dosahuje maximálnu výšku. Táto výška je súčtom ich amplitúd (alebo dvojnásobkom ich amplitúdy, v prípade, že počiatočné vlny majú rovnakú amplitúdu). To isté sa stane, keď sa žľaby prekrývajú a vytvárajú výsledný žľab, ktorý je súčtom negatívnych amplitúd. Tento druh rušenia sa nazýva konštruktívne zasahovanie pretože zvyšuje celkovú amplitúdu. Ďalší neanimovaný príklad je možné vidieť kliknutím na obrázok a prechodom na druhý obrázok.

Alternatívne, keď sa vrchol vlny prekrýva s dnom inej vlny, vlny sa do istej miery navzájom rušia. Pokiaľ sú vlny symetrické (t. Tento druh rušenia sa nazýva deštruktívne rušenie a môžete si ho pozrieť v grafike vpravo alebo kliknutím na tento obrázok a presunutím sa do inej reprezentácie.

V skoršom prípade vlniek vo vani s vodou by ste preto videli niektoré body, kde interferenčné vlny sú väčšie ako jednotlivé vlny a niektoré miesta vlny rušia iné von.

Osobitný prípad rušenia je známy ako difrakcie a nastane, keď vlna zasiahne bariéru otvoru alebo okraja. Na okraji prekážky je vlna odrezaná a vytvára tak interferenčné efekty so zvyšnou časťou vĺn. Pretože takmer všetky optické javy zahŕňajú svetlo prechádzajúce otvorom nejakého druhu - či už ide o oko, senzor, a ďalekohľad alebo čokoľvek - difrakcia prebieha takmer vo všetkých z nich, hoci vo väčšine prípadov je to tak zanedbateľné. Difrakcia zvyčajne vytvára „fuzzy“ hranu, aj keď v niektorých prípadoch (napríklad Youngov experiment s dvojitou štrbinou, opísaný nižšie) môže difrakcia spôsobiť fenomény záujmu samy osebe.

Rušenie je zaujímavý pojem a má určité následky, ktoré si zasluhujú pozornosť, najmä v oblasti svetla, kde je takéto rušenie relatívne ľahko pozorovateľné.

v Thomas Youngov experiment s dvoma štrbinaminapríklad interferenčné vzorce, ktoré sú výsledkom difrakcie svetelnej „vlny“, umožňujú, aby ste mohli zažiariť jednotné svetlo a rozdeliť ho na sériu svetlých a tmavých pásiem len tak, že ich pošlete dvoma štrbinami, čo určite nie je to, čo by človek očakával. Ešte viac prekvapujúce je, že uskutočnenie tohto experimentu s časticami, ako sú elektróny, vedie k podobným vlnovým vlastnostiam. Akékoľvek vlny vykazujú toto správanie so správnym nastavením.

Asi naj fascinujúcejšou aplikáciou interferencie je vytvorenie hologramy. To sa dosahuje odrážaním koherentného svetelného zdroja, napríklad lasera, z predmetu na špeciálny film. Interferenčné vzory vytvárané odrazeným svetlom sú výsledkom toho, čo vedie k holografickému obrazu, ktorý je možné vidieť, keď je znovu umiestnený v správnom druhu osvetlenia.