Interferenz, Beugung & das Prinzip der Überlagerung

Interferenz findet statt, wenn Wellen miteinander interagieren, während Beugung stattfindet, wenn eine Welle durch eine Apertur tritt. Diese Wechselwirkungen unterliegen dem Prinzip der Überlagerung. Interferenz, Beugung und das Prinzip der Überlagerung sind wichtige Konzepte für das Verständnis verschiedener Anwendungen von Wellen.

Wenn zwei Wellen interagieren, sagt das Prinzip der Überlagerung, dass das Ergebnis Wellenfunktion ist die Summe der beiden einzelnen Wellenfunktionen. Dieses Phänomen wird allgemein beschrieben als Interferenz.

Stellen Sie sich einen Fall vor, in dem Wasser in eine Wanne mit Wasser tropft. Wenn ein einzelner Tropfen auf das Wasser trifft, erzeugt er eine kreisförmige Welle von Wellen über das Wasser. Wenn Sie jedoch an einer anderen Stelle anfangen würden, Wasser zu tropfen, würde dies der Fall sein ebenfalls fange an, ähnliche Wellen zu machen. An den Punkten, an denen sich diese Wellen überlappen, wäre die resultierende Welle die Summe der beiden früheren Wellen.

Dies gilt nur für Situationen, in denen die Wellenfunktion linear ist, dh von denen sie abhängt x und t nur zum ersten Leistung. Einige Situationen, wie nichtlineares elastisches Verhalten, das nicht gehorcht Hookesches Gesetzwürde nicht in diese Situation passen, da es eine nichtlineare Wellengleichung hat. Aber für fast alle Wellen, die in der Physik behandelt werden, gilt diese Situation.

Es mag offensichtlich sein, aber es ist wahrscheinlich gut, auch klar zu sein, dass dieses Prinzip Wellen ähnlichen Typs beinhaltet. Offensichtlich stören Wasserwellen elektromagnetische Wellen nicht. Selbst bei ähnlichen Wellentypen ist der Effekt im Allgemeinen auf Wellen mit praktisch (oder genau) derselben Wellenlänge beschränkt. Die meisten Interferenzversuche stellen sicher, dass die Wellen in dieser Hinsicht identisch sind.

Das Bild rechts zeigt zwei Wellen und darunter, wie diese beiden Wellen kombiniert werden, um Interferenzen zu zeigen.

Wenn sich die Kämme überlappen, erreicht die Überlagerungswelle eine maximale Höhe. Diese Höhe ist die Summe ihrer Amplituden (oder die doppelte Amplitude, wenn die Anfangswellen die gleiche Amplitude haben). Das gleiche passiert, wenn sich die Mulden überlappen und eine resultierende Mulde erzeugt wird, die die Summe der negativen Amplituden ist. Diese Art von Interferenz wird genannt konstruktive Beeinflussung weil es die Gesamtamplitude erhöht. Ein weiteres nicht animiertes Beispiel können Sie sehen, indem Sie auf das Bild klicken und zum zweiten Bild übergehen.

Wenn sich alternativ der Wellenkamm mit dem Trog einer anderen Welle überlappt, heben sich die Wellen bis zu einem gewissen Grad gegenseitig auf. Wenn die Wellen symmetrisch sind (d. H. Dieselbe Wellenfunktion, jedoch um eine Phase oder eine halbe Wellenlänge verschoben), heben sie sich vollständig auf. Diese Art von Interferenz wird genannt Destruktive Interferenz und kann in der Grafik rechts oder durch Klicken auf dieses Bild und Weitergehen zu einer anderen Darstellung angezeigt werden.

Im früheren Fall von Wellen in einer Wanne mit Wasser würden Sie daher einige Punkte sehen, an denen die Interferenzwellen sind größer als jede der einzelnen Wellen und einige Punkte, an denen sich die Wellen jeweils aufheben andere raus.

Ein Sonderfall der Störung ist bekannt als Beugung und findet statt, wenn eine Welle auf die Barriere einer Öffnung oder Kante trifft. Am Rand des Hindernisses wird eine Welle abgeschnitten und es entstehen Interferenzeffekte mit dem verbleibenden Teil der Wellenfronten. Da bei fast allen optischen Phänomenen Licht durch eine Blende fällt - sei es ein Auge, ein Sensor, ein Teleskop oder was auch immer - in fast allen von ihnen findet eine Beugung statt, obwohl dies in den meisten Fällen der Fall ist unerheblich. Die Beugung erzeugt typischerweise eine "unscharfe" Kante, obwohl in einigen Fällen (wie dem nachstehend beschriebenen Doppelspaltexperiment von Young) die Beugung selbst interessierende Phänomene verursachen kann.

Interferenzen sind ein faszinierendes Konzept und haben einige bemerkenswerte Konsequenzen, insbesondere im Bereich des Lichts, wo solche Interferenzen relativ leicht zu beobachten sind.

Im Thomas Youngs DoppelspaltexperimentZum Beispiel machen die Interferenzmuster, die aus der Beugung der Lichtwelle resultieren, es so, dass Sie ein gleichmäßiges Licht scheinen können und brechen Sie es in eine Reihe von hellen und dunklen Bändern, indem Sie es einfach durch zwei Schlitze schicken, was sicherlich nicht das ist, was man erwarten würde. Noch überraschender ist, dass die Durchführung dieses Experiments mit Partikeln wie Elektronen zu ähnlichen wellenartigen Eigenschaften führt. Jede Art von Welle zeigt dieses Verhalten bei richtiger Einstellung.

Die vielleicht faszinierendste Anwendung von Interferenzen ist das Schaffen Hologramme. Dies erfolgt durch Reflektieren einer kohärenten Lichtquelle, beispielsweise eines Lasers, von einem Objekt auf einen speziellen Film. Die durch das reflektierte Licht erzeugten Interferenzmuster führen zu dem holographischen Bild, das angezeigt werden kann, wenn es wieder in die richtige Art der Beleuchtung gebracht wird.