Smetanje, difrakcija i načelo superpozicije

Smetnje se događa kada valovi djeluju jedni s drugima, dok se difrakcija odvija kada val prolazi kroz otvor. Ove interakcije upravljaju principom superpozicije. Interferencija, difrakcija i princip superpozicije važni su pojmovi za razumijevanje nekoliko primjena valova.

Kada dva talasa uzajamno djeluju, princip superpozicije kaže da je rezultirajući valna funkcija je zbroj dviju pojedinih valnih funkcija. Taj se fenomen općenito opisuje kao interferencija.

Razmotrimo slučaj u kojem kaplje voda u kadu. Ako jedna kap udari u vodu, to će stvoriti kružni val valovanja preko vode. Kad biste, međutim, počeli kapljati vodu u nekom drugom trenutku također započnite praviti slične valove. Na mjestima gdje se ti valovi preklapaju, rezultirajući val bi bio zbroj dvaju ranijih valova.

Ovo vrijedi samo za situacije u kojima je valna funkcija linearna, ondje o kojoj ovisi x i t samo na prvu vlast. Neke situacije, poput nelinearnog elastičnog ponašanja koje se ne pokorava

To bi moglo biti očito, ali vjerojatno je dobro da i ovaj princip bude jasan uključuje valove sličnog tipa. Očito valovi vode neće ometati elektromagnetske valove. Čak je i među sličnim tipovima valova učinak općenito ograničen na valove gotovo (ili točno) iste valne duljine. Većina eksperimenata s uključivanjem smetnji uvjerava da su valovi identični u ovom pogledu.

Slika desno prikazuje dva vala i, ispod njih, kako se ta dva vala kombiniraju kako bi pokazala smetnje.

Kada se grebeni preklapaju, val superpozicije doseže maksimalnu visinu. Ta je visina zbroj njihovih amplituda (ili dvostruko veće od njihove amplitude, u slučaju kada početni valovi imaju jednaku amplitudu). Isto se događa kad se korita preklapaju, stvarajući rezultirajuće korito koje je zbroj negativnih amplituda. Ova vrsta ometanja se naziva konstruktivne interferencije jer povećava ukupnu amplitudu. Još jedan animirani primjer možete vidjeti klikom na sliku i prelaskom na drugu sliku.

Alternativno, kada se vrh grebena preklapa s ulaskom drugog vala, valovi se poništavaju jedan do drugog. Ako su valovi simetrični (tj. Iste valne funkcije, ali pomaknuti faznom ili polu-valnom duljinom), oni će se potpuno otkazati. Ova vrsta ometanja se naziva destruktivne smetnje a može se vidjeti na grafičkoj slici desno ili klikom na tu sliku i prelaskom na drugi prikaz.

Stoga biste u ranijem slučaju valovanja u kadi s vodom vidjeli neke točke gdje interferencijski valovi veći su od svakog pojedinog vala i neke točke u kojima se valovi poništavaju svaki drugi vani.

Poznat je posebni slučaj smetnje difrakcija i događa se kada val udari u barijeru otvora ili ruba. Na rubu prepreke odsječe se val i stvara preostale efekte smetnji s preostalim dijelom valnih fronta. Budući da gotovo sve optičke pojave uključuju svjetlost koja prolazi kroz neku vrstu otvora - bilo to oko, senzor, a teleskop, ili što već - difrakcija se odvija u gotovo svim njima, iako je u većini slučajeva učinak neznatan. Difrakcija obično stvara "nejasan" rub, mada u nekim slučajevima (kao što je Youngin eksperiment s dvostrukim prorezom, opisan u nastavku) difrakcija može izazvati fenomene koji su sami po sebi zanimljivi.

Smetnja je intrigantan koncept i ima neke posljedice koje su vrijedne primjetiti, posebno u području svjetlosti u kojem je takvo uplitanje relativno lako uočiti.

U Eksperiment s dvostrukim prorezom Thomas Youngna primjer, interferencijski obrasci koji nastaju difrakcijom svjetlosnog "vala" čine to tako da možete obasjati jednolično svjetlo i razdvojite ga u niz svijetlih i tamnih pojasa samo slanjem kroz dvije proreze, što sigurno nije ono što bi čovjek očekivao. Još iznenađujuće je da izvođenje ovog eksperimenta s česticama, poput elektrona, rezultira sličnim talasnim svojstvima. Bilo koja vrsta vala pokazuje ovakvo ponašanje, uz odgovarajuću namještanje.

Možda je najfascinantnija primjena smetnji u stvaranju hologrami. To se postiže refleksijom koherentnog izvora svjetlosti, poput lasera, s posebnog filma. Interferencijski obrasci stvoreni reflektiranom svjetlošću rezultiraju holografskom slikom koja se može vidjeti kad se ponovno postavi u ispravnu rasvjetu.