Interferenza, diffrazione e principio di sovrapposizione

L'interferenza ha luogo quando le onde interagiscono tra loro, mentre la diffrazione avviene quando un'onda passa attraverso un'apertura. Queste interazioni sono regolate dal principio di sovrapposizione. L'interferenza, la diffrazione e il principio di sovrapposizione sono concetti importanti per comprendere diverse applicazioni delle onde.

Quando due onde interagiscono, il principio di sovrapposizione afferma che il risultato Funzione d'onda è la somma delle due singole funzioni d'onda. Questo fenomeno è generalmente descritto come interferenza.

Considera un caso in cui l'acqua gocciola in una vasca d'acqua. Se c'è una sola goccia che colpisce l'acqua, creerà un'onda circolare di increspature sull'acqua. Se, tuttavia, dovessi iniziare a gocciolare acqua in un altro punto, lo farebbe anche iniziare a fare onde simili. Nei punti in cui quelle onde si sovrappongono, l'onda risultante sarebbe la somma delle due onde precedenti.

Questo vale solo per situazioni in cui la funzione d'onda è lineare, ovvero da dove dipende

Potrebbe essere ovvio, ma probabilmente è bene anche essere chiari su questo principio implica ondate di tipo simile. Ovviamente, le onde d'acqua non interferiranno con le onde elettromagnetiche. Anche tra tipi simili di onde, l'effetto è generalmente limitato alle onde praticamente (o esattamente) della stessa lunghezza d'onda. La maggior parte degli esperimenti in materia di interferenze assicurano che le onde siano identiche sotto questi aspetti.

L'immagine a destra mostra due onde e, sotto di esse, come queste due onde sono combinate per mostrare interferenze.

Quando le creste si sovrappongono, l'onda di sovrapposizione raggiunge un'altezza massima. Questa altezza è la somma delle loro ampiezze (o il doppio della loro ampiezza, nel caso in cui le onde iniziali abbiano uguale ampiezza). Lo stesso accade quando i trogoli si sovrappongono, creando un trogolo risultante che è la somma delle ampiezze negative. Questo tipo di interferenza è chiamato interferenza costruttiva perché aumenta l'ampiezza complessiva. Un altro esempio non animato può essere visto facendo clic sull'immagine e avanzando alla seconda immagine.

In alternativa, quando la cresta di un'onda si sovrappone alla depressione di un'altra onda, le onde si annullano a vicenda in una certa misura. Se le onde sono simmetriche (cioè la stessa funzione d'onda, ma spostate di una fase o mezza lunghezza d'onda), si annulleranno a vicenda completamente. Questo tipo di interferenza è chiamato interferenza distruttiva e può essere visualizzato nel grafico a destra o facendo clic su quell'immagine e avanzando verso un'altra rappresentazione.

Nel precedente caso di increspature in una vasca d'acqua, quindi, vedresti alcuni punti in cui il le onde di interferenza sono più grandi di ciascuna delle singole onde e alcuni punti in cui le onde annullano ciascuna altro fuori.

Un caso speciale di interferenza è noto come diffrazione e si verifica quando un'onda colpisce la barriera di un'apertura o di un bordo. Sul bordo dell'ostacolo, un'onda viene tagliata e crea effetti di interferenza con la parte rimanente dei fronti d'onda. Poiché quasi tutti i fenomeni ottici coinvolgono la luce che passa attraverso un'apertura di qualche tipo - che si tratti di un occhio, un sensore, a telescopio, o qualunque altra cosa - la diffrazione sta avvenendo in quasi tutti, sebbene nella maggior parte dei casi l'effetto sia trascurabile. La diffrazione in genere crea un margine "sfocato", sebbene in alcuni casi (come l'esperimento della doppia fenditura di Young, descritto di seguito) la diffrazione può causare fenomeni di interesse a sé stanti.

L'interferenza è un concetto intrigante e ha alcune conseguenze che sono degne di nota, in particolare nell'area della luce in cui tale interferenza è relativamente facile da osservare.

Nel L'esperimento della doppia fenditura di Thomas Young, ad esempio, i modelli di interferenza risultanti dalla diffrazione dell '"onda" di luce lo rendono in modo da poter illuminare una luce uniforme e spezzalo in una serie di bande chiare e scure semplicemente inviandolo attraverso due fessure, che non è certo quello che ci si aspetterebbe. Ancora più sorprendente è che eseguendo questo esperimento con particelle, come gli elettroni, si ottengono proprietà simili a onde simili. Qualsiasi tipo di onda mostra questo comportamento, con la corretta impostazione.

Forse l'applicazione più affascinante dell'interferenza è creare ologrammi. Questo viene fatto riflettendo una sorgente di luce coerente, come un laser, su un oggetto su un film speciale. I modelli di interferenza creati dalla luce riflessa sono il risultato nell'immagine olografica, che può essere visualizzata quando viene nuovamente posizionata nel giusto tipo di illuminazione.