Interferência, difração e o princípio de superposição

A interferência ocorre quando as ondas interagem umas com as outras, enquanto a difração ocorre quando uma onda passa através de uma abertura. Essas interações são governadas pelo princípio da superposição. Interferência, difração e o princípio de superposição são conceitos importantes para a compreensão de várias aplicações de ondas.

Quando duas ondas interagem, o princípio de superposição diz que a resultante função de onda é a soma das duas funções de onda individuais. Esse fenômeno é geralmente descrito como interferência.

Considere um caso em que a água está pingando em uma banheira de água. Se houver uma única gota atingindo a água, ela criará uma onda circular de ondulações na água. Se, no entanto, você começasse a pingar água em outro ponto, seria Além disso comece a fazer ondas semelhantes. Nos pontos em que essas ondas se sobrepõem, a onda resultante seria a soma das duas ondas anteriores.

Isso é válido apenas para situações em que a função de onda é linear, ou seja, depende de

Pode ser óbvio, mas provavelmente é bom também deixar claro que esse princípio envolve ondas de tipo semelhante. Obviamente, as ondas de água não interferem nas ondas eletromagnéticas. Mesmo entre tipos semelhantes de ondas, o efeito geralmente é confinado a ondas de virtualmente (ou exatamente) o mesmo comprimento de onda. A maioria das experiências envolvendo interferências assegura que as ondas sejam idênticas nesses aspectos.

A figura à direita mostra duas ondas e, abaixo delas, como essas duas ondas são combinadas para mostrar interferência.

Quando as cristas se sobrepõem, a onda de superposição atinge uma altura máxima. Esta altura é a soma de suas amplitudes (ou o dobro de sua amplitude, no caso em que as ondas iniciais têm amplitude igual). O mesmo acontece quando as cavidades se sobrepõem, criando uma cavidade resultante que é a soma das amplitudes negativas. Esse tipo de interferência é chamado interferência construtiva porque aumenta a amplitude geral. Outro exemplo não animado pode ser visto clicando na imagem e avançando para a segunda imagem.

Como alternativa, quando a crista de uma onda se sobrepõe ao vale de outra onda, as ondas se cancelam em algum grau. Se as ondas forem simétricas (ou seja, a mesma função de onda, mas alteradas por uma fase ou meio comprimento de onda), elas se cancelarão completamente. Esse tipo de interferência é chamado Interferência destrutiva e pode ser visualizado no gráfico à direita ou clicando nessa imagem e avançando para outra representação.

No caso anterior de ondulações em uma banheira de água, você veria alguns pontos em que ondas de interferência são maiores que cada uma das ondas individuais e alguns pontos em que as ondas cancelam cada outro fora.

Um caso especial de interferência é conhecido como difração e ocorre quando uma onda atinge a barreira de uma abertura ou borda. Na borda do obstáculo, uma onda é cortada e cria efeitos de interferência na parte restante das frentes de onda. Como quase todos os fenômenos ópticos envolvem luz passando por uma abertura de algum tipo - seja um olho, um sensor, um telescópio, ou o que seja - a difração está ocorrendo em quase todos eles, embora na maioria dos casos o efeito seja insignificante. A difração normalmente cria uma margem "confusa", embora em alguns casos (como o experimento de dupla fenda de Young, descrito abaixo), a difração possa causar fenômenos de interesse por si só.

A interferência é um conceito intrigante e tem algumas consequências que merecem destaque, especificamente na área da luz em que essa interferência é relativamente fácil de observar.

Dentro O experimento de dupla fenda de Thomas Young, por exemplo, os padrões de interferência resultantes da difração da "onda" de luz fazem com que você possa brilhar uma luz uniforme e divida-o em uma série de faixas claras e escuras apenas enviando-o através de duas fendas, o que certamente não é o que se poderia esperar. Ainda mais surpreendente é que a realização desse experimento com partículas, como elétrons, resulta em propriedades semelhantes a ondas. Qualquer tipo de onda exibe esse comportamento, com a configuração adequada.

Talvez a aplicação mais fascinante de interferência seja criar hologramas. Isso é feito refletindo uma fonte de luz coerente, como um laser, de um objeto em um filme especial. Os padrões de interferência criados pela luz refletida são o que resultam na imagem holográfica, que pode ser visualizada quando ela é novamente colocada no tipo certo de iluminação.