Interferenssi: Aaltojen yhteenlasku — rakentava ja tuhoava ilmiö
Interferenssi — aaltojen yhteenlasku: rakentava ja tuhoava ilmiö selitetään Youngin rakokokeella. Opi, miten aallot vahvistavat tai kumoavat toisensa ja miksi sillä on merkitystä.
Fysiikassa interferenssi tarkoittaa useamman aaltofunktion yhteisvaikutusta: eri aallot yhdistyvät superposition periaatteen mukaisesti ja niiden yhteisvaikutus voi olla suurempi tai pienempi kuin yksittäisten aaltojen vaikutusten summa. Tässä yhteydessä on hyvä muistaa, että myös yksi aalto voi itseään interferoida, jos se kulkee kahden eri reitin kautta (ks. Youngin rakokoe). Interferenssiä selitetään yleensä käyttämällä perinteisiä aaltoja (vesi-, ääni- tai valoaallot) tai kvanttimekaniikassa aaltofunktioita (aaltofunktioiden vaikutus).
Miten interferenssi syntyy
Interferenssi syntyy, kun kaksi tai useampi aalto kohtaavat samassa kohdassa ja niiden amplitudit summautuvat. Tärkein tekijä on aaltojen vaihe-ero: jos aaltojen huiput ja laaksot osuvat samaan aikaan, ne vahvistavat toisiaan; jos huippu osuu toisen laaksoon, ne vähentävät toisiaan.
Rakentava ja tuhoava interferenssi
- Rakentava (positiivinen) interferenssi: kun aaltojen vaihe-ero on kokonaislukukertoineen aallonpituudesta (esim. 0, λ, 2λ...), niiden amplitudit summautuvat ja tuloksena oleva aalto on voimakkaampi. Esimerkiksi kahden yhtä suuren aallon huiput yhtyvät ja korkeus voi olla kaksinkertainen.
- Tuhoava (negatiivinen) interferenssi: kun vaihe-ero on siten, että yhden aallon huippu osuu toisen laaksoon (esim. λ/2, 3λ/2...), aaltojen amplitudit kumoavat toisiaan ja paikallinen vaikutus voi olla pienempi tai jopa nolla.
Edellytykset ja koherenssi
Interferenssin havainnointiin tarvitaan yleensä koherentit lähteet: lähteillä tulee olla vakio- tai hallittu vaihe-ero pitkän ajan kuluessa. Saman taajuuden lähellä olevat tai vaiheeseen lukitut aallot antavat selkeitä interferenssikuvioita; satunnaisesti vaiheistuvat lähteet aiheuttavat häviävää, sumuista interferenssiä.
Matemaattinen kuvaus (lyhyesti)
Kahden aaltokentän tapauksessa kokonaiskenttä on E_tot = E1 + E2. Mitattu teho tai intensiteetti on verrannollinen kentän neliöön: I ∝ |E_tot|^2 = I1 + I2 + 2√(I1 I2) cos δ, missä δ on vaihe-ero. Tästä nähdään, että interferenssin voimakkuus riippuu amplitudien suhteesta ja vaihe-erosta.
Esimerkkejä ja sovelluksia
- Youngin kaksoisraoke kokeilu (ks. Youngin rakokoe) näyttää valon interferenssikuvion ja osoittaa valon aaltoluonteen.
- Vesiaallot: aallot voivat muodostaa pysyviä seisovia aaltoja tai selkeitä ristispektrikuvioita.
- Ohuet kalvot ja öljykalvot: värileikit johtuvat eri aallonpituuksien rakentavasta ja tuhoavasta interferenssistä.
- Melunvaimennus: aktiivinen torjunta perustuu tuhoavaan interferenssiin (esim. kuulokkeissa).
- Interferometrit (esim. Michelson-, Fabry–Pérot- ja LIGO): erittäin herkkiä välineitä etäisyyksien ja aaltovaiheiden mittaukseen.
- Holografia ja optinen litografia hyödyntävät interferenssiä kuvioiden ja rakenteiden muodostamisessa.
Intuitiivinen vertaus
Yksinkertainen arkipäiväinen vertaus: jos kaksi ihmistä työntää autoa samaan suuntaan, heidän yhteisvaikutuksensa liikuttaa autoa paremmin kuin yksin työntäminen — tämä on rakentavaa interferenssiä. Jos kaksi yhtä voimakasta ihmistä työntää autoa yhtä aikaa vastakkaisiin suuntiin, voimat kumoavat toisensa eikä auto liiku — vastaus muistuttaa tuhoavaa interferenssiä. Vertaus kuvaa voiman summan ja suunnan merkitystä, mutta todellisissa aalloissa asia tapahtuu vaihe- ja amplituditasolla.
Usein esiintyvät väärinkäsitykset
- Interferenssi ei luo tai tuhoa energiaa paikallisesti ilman selitystä: se siirtää energiaa paikasta toiseen. Kun integroitu intensiteetti koko kentässä otetaan huomioon, energia säilyy.
- Ei tarvita kahta eri lähdettä: yksikin lähde voi interferoida itsensä kanssa, jos se jakautuu kahdeksi kulkureitiksi (esim. rakojen tai heijastusten kautta).
Yhteenveto
Interferenssi on keskeinen aaltoilmiö, jossa aaltojen superpositie johtaa paikalliseen vahvistumiseen tai vaimennukseen. Ilmiö näkyy monissa arkipäivän ilmiöissä ja huipputeknisissä sovelluksissa, ja sen ymmärtäminen vaatii huomioimaan vaihe-erot, koherenssin ja aaltojen amplitudit. Periaatteessa kyse on aina yksinkertaisesta yhteenlaskusta: aallot summautuvat, ja summa näyttää eri tavalla riippuen niiden vaiheesta ja voimakkuudesta.
Kun kaksi kiveä osuu lampeen samaan aikaan, niiden aallot häiritsevät toisiaan.
Rakenteellinen häiriö
Konstruktiivinen interferenssi tapahtuu, kun kaksi tai useampi aalto on samassa tilassa ja samassa vaiheessa. Tällöin aaltojen amplitudit summautuvat yhteen, ja summa on suurempi kuin minkään aallon amplitudi yksinään. Tämä saa aallot näyttämään voimakkaammilta.
Ajankohtana = 0 yksi aallon huippu liikkuu vasemmalta ja toinen aalto liikkuu oikealta.
Ajankohtana = 1 nämä kaksi aallonhuippua kohtaavat keskellä.
Ajankohtana = 2 molemmat aallot ovat jatkaneet liikkumistaan eteenpäin ja palaavat jälleen alkuperäiselle korkeudelleen
.
Tuhoava häiriö : Kun yhden aallon huippu kohtaa keskellä toisen aallon laakson (pohjan), vesi pysyy tasaisena.
Rakenteellinen häirintä : Kun kahden aallon huiput kohtaavat keskellä, syntyy korkeampi aalto.
Tuhoava häiriö
Tuhoava interferenssi tapahtuu, kun kaksi tai useampi aalto on samassa paikassa ja vaiheesta poikkeavana. Tällöin aaltojen amplitudit summautuvat yhteen, ja summa on pienempi kuin minkään aallon amplitudi yksinään. Tämä saa aallot näyttämään vähemmän voimakkailta.
Ajanhetkellä = 0 aallon huippu liikkuu vasemmalta ja aallon laakso liikkuu oikealta.
Ajankohtana = 1 nämä kaksi aaltoa ovat kohdanneet keskellä. Aallonharja (huippu) täyttää aallonpohjan.
Ajankohtana = 2 kaksi aaltoa ovat liikkuneet alkuperäisessä suunnassaan ja kumpikin aalto ilmestyy uudelleen.
Esimerkkejä häiriöistä
Sateen jälkeen voi usein nähdä kuvioita, kun pieni määrä öljyä kelluu lätäköiden päällä. Värit ovat järjestyksessä: punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen ja violetti. Jokaisella näistä valon väreistä on oma aallonpituutensa, ja öljyn eri osilla on erilainen paksuus. Osa auringon valosta kimpoaa yläpinnasta, toisin sanoen se kimpoaa öljystä. Osa auringonvalosta kimpoaa veden pinnasta. Öljyn pinnalta tuleva valo ja veden pinnalta tuleva valo kohtaavat ilmassa, ja ne interferoivat. Öljykerroksen paksuuden ollessa mikä tahansa osa valoaalloista lisää ja osa vähentää sitä, joten tuloksena on, että yksi valon väri on siellä voimakkain.
Kun kaksi hyvin kiillotettua lasilevyä puristetaan yhteen, niiden välinen etäisyys muuttuu joskus paikasta toiseen. Kun näin tapahtuu, syntyvää kuviota kutsutaan "Newtonin renkaiksi". Kun diakuvia laitetaan kahden ohuen lasilevyn väliin diaprojektorissa näytettäväksi, tällainen kuvio on suuri ongelma. Sama ongelma voi ilmetä, kun kaksi mikroskooppidiaa asetetaan yhteen.
Melua vaimentavat kuulokkeet käyttävät tuhoavia häiriöitä ulkopuolelta tulevan melun poistamiseen.
· 
Öljy vedessä luo interferenssikuvion spektrin väreihin.
· 
Newtonin renkaat
· 
Interferenssi saa aikaan valoshow'n saippuakuplassa.
Fysiikan kysymyksiä
Tässä on kaavio, joka kuvaa, millaisia valon interferenssejä syntyy. Ylimmän ja alimman lasikappaleen välinen etäisyys kasvaa ulkoreunojen lähellä.
Yksinkertaisempi vaihtoehto olisi kaksi tasaista lasia, jotka ovat kosketuksissa toisiinsa yhtä reunaa pitkin ja joiden kahden pinnan välillä on kapea kulma. Jos ensimmäisen lasipalan yläpinnan ja toisen lasipalan yläpinnan välinen etäisyys on jossain vaiheessa sellainen, että kummastakin heijastuvat valonsäteet ovat synkronoituja tai samassa vaiheessa, heijastunut valo on kirkasta, mutta jos nämä kaksi sädettä ovat puoli sykliä erivaiheisia, nämä kaksi sädettä kumoavat toisensa ja heijastunut valo ei ole kirkasta.
Kaareva lasipala tasaisen lasin päällä.
Kaksi litteää lasinpalaa, jotka muodostavat kapean kulman toisiinsa nähden.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä on interferenssi fysiikassa?
V: Interferenssi fysiikassa on aaltofunktioiden vaikutus.
K: Voiko yksittäinen aalto interferoida itsensä kanssa?
V: Kyllä, yksittäinen aalto voi interferoida itsensä kanssa.
K: Kun kaksi aaltoa on samassa tilassa, interferoivatko ne aina?
V: Kyllä, kaksi aaltoa interferoi aina, kun ne ovat samassa avaruudessa.
K: Mitä on positiivinen interferenssi?
V: Positiivinen interferenssi, joka tunnetaan myös nimellä konstruktiivinen interferenssi, tapahtuu, kun aallot lisäävät vaikutuksensa.
K: Miten negatiivinen interferenssi määritellään?
V: Negatiivinen interferenssi, joka tunnetaan myös nimellä destruktiivinen interferenssi, tapahtuu, kun toinen aalto vähentää toisen aallon vaikutuksia.
K: Voitko antaa esimerkin positiivisesta interferenssistä?
V: Kyllä, jos kaksi ihmistä työntää autoa samaan suuntaan, he liikuttavat autoa paremmin kuin kumpikaan yksin. Se olisi positiivista interferenssiä.
K: Mikä on esimerkki negatiivisesta interferenssistä?
V: Jos kaksi yhtä vahvaa ihmistä työntäisi autoa vastakkaisista suunnista, kumpikaan heistä ei liikuttaisi sitä. Se olisi negatiivinen häiriö.
Etsiä