Interferenz, Beugung und das Prinzip der Überlagerung

Eine Interferenz findet statt, wenn Wellen miteinander interagieren, während eine 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 mehrerer Wellenanwendungen.

Interferenz & das Prinzip der Überlagerung

Bei der Wechselwirkung zweier Wellen besagt das Überlagerungsprinzip, dass die resultierende Wellenfunktion die Summe der beiden einzelnen Wellenfunktionen ist. Dieses Phänomen wird allgemein als beschrieben Interferenz.

Stellen Sie sich einen Fall vor, in dem Wasser in eine Wanne tropft. Wenn ein einzelner Tropfen auf das Wasser trifft, entsteht 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 fang an, ähnliche Wellen zu schlagen. An den Punkten, an denen sich diese Wellen überlappen, ist die resultierende Welle die Summe der beiden früheren Wellen.

Dies gilt nur für Situationen, in denen die Wellenfunktion linear ist und von denen sie abhängt x und t nur zur ersten macht. Einige Situationen, wie nichtlineares elastisches Verhalten, das nicht dem Hookeschen Gesetz entspricht, passen nicht in diese Situation, da es eine nichtlineare Wellengleichung gibt. 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 es sich um Wellen ähnlicher Art handelt. Offensichtlich stören Wasserwellen elektromagnetische Wellen nicht. Selbst bei ähnlichen Arten von Wellen ist der Effekt im Allgemeinen auf Wellen mit praktisch (oder genau) derselben Wellenlänge beschränkt. Die meisten Versuche mit Interferenzen stellen sicher, dass die Wellen in dieser Hinsicht identisch sind.

Konstruktive und destruktive Interferenz

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

Wenn sich die Kämme überlappen, erreicht die Überlagerungswelle eine maximale Höhe. Diese Höhe ist die Summe ihrer Amplituden (oder das Doppelte ihrer Amplitude in dem Fall, in dem die Anfangswellen die gleiche Amplitude haben). Das gleiche passiert, wenn sich die Täler überlappen und ein resultierendes Tal entsteht, das 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 wechseln.

Wenn sich der Wellenberg mit dem Tiefpunkt einer anderen Welle überschneidet, gleichen sich die Wellen bis zu einem gewissen Grad aus. Wenn die Wellen symmetrisch sind (d. H. Die gleiche 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 auf der rechten Seite oder durch Klicken auf das Bild und Weiterschalten zu einer anderen Darstellung angezeigt werden.

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

Beugung

Ein spezieller Störfall 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 es sich bei fast allen optischen Phänomenen um Licht handelt, das durch eine Blende fällt - sei es ein Auge, ein Sensor, ein Teleskop oder was auch immer -, findet in fast allen von ihnen eine Beugung statt, obwohl der Effekt in den meisten Fällen vernachlässigbar ist. Die Beugung erzeugt typischerweise eine "unscharfe" Kante, obwohl in einigen Fällen (wie beispielsweise Young's Doppelspaltexperiment, das unten beschrieben wird) die Beugung selbst interessante Phänomene verursachen kann.

Konsequenzen & Anwendungen

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

In Thomas Youngs Doppelspaltexperiment wird es zum Beispiel durch die Interferenzmuster, die sich aus der Beugung der Lichtwelle ergeben, so gemacht, dass Sie ein gleichmäßiges Licht scheinen lassen und es in eine Reihe von hellen und dunklen Bändern aufteilen können, indem Sie es einfach durch zwei schicken Schlitze, 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 mit der richtigen Einstellung.

Die vielleicht faszinierendste Anwendung von Interferenzen ist die Erstellung von Hologrammen. 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 betrachtet werden kann, wenn es wieder in die richtige Art von Beleuchtung gebracht wird.