干渉は波が互いに相互作用するときに発生し、回折は波が開口部を通過するときに発生します。これらの相互作用は、重ね合わせの原理によって支配されます。干渉、回折、および重ね合わせの原理は、波のいくつかのアプリケーションを理解するための重要な概念です。
干渉と重ね合わせの原理
2 つの波が相互作用すると、重ね合わせの原理により、結果として得られる波動関数は 2 つの個々の波動関数の和になります。この現象は一般に干渉と表現されます .
水が入った浴槽に水が滴り落ちている場合を考えてみましょう。一滴が水に落ちると、水面に円形の波紋ができます。ただし、別の時点で水が滴り始めると、も 同様の波を作り始めます。これらの波が重なり合うポイントでは、結果の波は前の 2 つの波の合計になります。
これは、波動関数が線形である場合、つまり x に依存する場合にのみ当てはまります。 そしてt 最初の累乗のみ。非線形の波動方程式があるため、フックの法則に従わない非線形の弾性挙動などの一部の状況は、この状況に適合しません。しかし、物理学で扱われるほとんどすべての波について、この状況が当てはまります。
当たり前かもしれませんが、同様のタイプの波が含まれるこの原則についても明確にしておくとよいでしょう。明らかに、水の波は電磁波に干渉しません。同様のタイプの波の中でも、効果は一般に、事実上 (または正確に) 同じ波長の波に限定されます。干渉に関するほとんどの実験では、波がこれらの点で同一であることが保証されています。
建設的および破壊的な干渉
右の写真は 2 つの波を示しており、その下には、これら 2 つの波がどのように結合して干渉を示しているかが示されています。
山が重なったとき、重ね合わせ波は最大の高さに達します。この高さは、それらの振幅の合計です (または、最初の波の振幅が等しい場合は、振幅の 2 倍)。トラフがオーバーラップする場合も同じことが起こり、負の振幅の合計である合成トラフが作成されます。この種の干渉は建設的干渉と呼ばれます 全体の振幅が大きくなるからです。画像をクリックして 2 番目の画像に進むと、アニメーションではない別の例を見ることができます。
逆に、波の山が別の波の谷と重なると、波は互いにある程度打ち消し合います。波が対称である場合（つまり、同じ波動関数ですが、位相または半波長だけシフトしている場合）、それらは互いに完全に打ち消し合います。この種の干渉は破壊的干渉と呼ばれます 右の図に表示するか、その画像をクリックして別の表現に進むことで表示できます。
したがって、水槽のさざ波の初期のケースでは、干渉波が個々の波のそれぞれよりも大きいいくつかのポイントと、波が互いに打ち消し合ういくつかのポイントが見られます。
回折
干渉の特殊なケースは、回折として知られています 波が開口部またはエッジのバリアにぶつかると発生します。障害物の端で波が遮断され、波面の残りの部分との干渉効果が生じます。ほとんどすべての光学現象には、何らかの種類の開口部を通過する光が関係しているため (目、センサー、望遠鏡など)、ほとんどすべての現象で回折が発生していますが、ほとんどの場合、その影響は無視できます。通常、回折は「あいまいな」エッジを作成しますが、場合によっては (以下で説明するヤングの二重スリット実験など)、回折はそれ自体で興味深い現象を引き起こす可能性があります。
結果と応用
干渉は興味深い概念であり、特にそのような干渉が比較的観察しやすい光の領域では、注目に値する結果がいくつかあります。
たとえば、トーマス・ヤングの二重スリット実験では、光の「波」の回折から生じる干渉パターンにより、均一な光を照らし、それを 2 つのスリットに通すだけで一連の明暗の帯に分けることができます。スリット、これは確かに期待するものではありません。さらに驚くべきことは、この実験を電子などの粒子で実行すると、同様の波のような特性が得られることです。適切なセットアップがあれば、どのような種類の波でもこの動作が見られます。
おそらく、干渉の最も魅力的なアプリケーションは、ホログラムの作成です。これは、レーザーなどのコヒーレント光源を対象物から特殊なフィルムに反射させることによって行われます。反射光によって作成された干渉パターンは、ホログラフィック イメージをもたらすものであり、適切な種類の照明に再び配置されたときに見ることができます。
