7.3: Interferencja i dyfrakcja

Interferencja jest zjawiskiem charakterystycznym dla fal. Kiedy dwie fale elektromagnetyczne oddziałują ze sobą, a ich szczyty i doliny pokrywają się, powstaje fala o zwiększonej amplitudzie. Nazywa się to konstruktywną interferencją. W tym przypadku dwie fale oddziałujące na siebie są w tej samej fazie.

Alternatywnie, jeśli dwie fale zbiegają się i oddziałują w taki sposób, że dolina jednej fali pokrywa się ze szczytem drugiej (w sposób przesunięty w fazie), powstała fala będzie miała znacznie niższą amplitudę. Nazywa się to destrukcyjną interferencją.

Fale wykazują również charakterystyczne zachowanie zwane dyfrakcją. Kiedy wiązka światła przechodzi przez szczelinę o wielkości porównywalnej z długością fali padającej wiązki - wiązka załamuje się (lub ugina) wokół szczeliny. I odwrotnie, gdy strumień cząstek przechodzi przez szczelinę, cząstki po prostu wychodzą przez otwór.

Ponadto, gdy wiązka światła przechodzi przez parę blisko rozmieszczonych szczelin oddzielonych odległością porównywalną z długością fali światła, w procesie dyfrakcji na każdej szczelinie powstają fale kołowe. Te dwie fale interferują ze sobą w taki sposób, że na ekranie umieszczonym w niewielkiej odległości za szczelinami uzyskuje się wzór interferencyjny z naprzemiennymi ciemnymi i jasnymi liniami.

Jasna linia powstaje na środku ekranu, gdy dwie fale pokonują równą odległość, aby dotrzeć do tego punktu i konstruktywnie interferować. Kiedy dwie fale przemieszczają się na niewielką odległość od środka w dowolnym kierunku, pokonują nieco inne odległości. Są poza fazą. Kiedy różnica w przebytych odległościach wynosi dokładnie połowę długości fali, spotykają się, wytwarzając niszczycielską interferencję. Ciemne obszary odpowiadają obszarom, w których szczyty fali z jednej szczeliny pokrywają się z dolinami fali z drugiej szczeliny (interferencja destrukcyjna), podczas gdy najjaśniejsze obszary odpowiadają obszarom, w których szczyty obu fal (lub ich dwa doliny) tak się składa, że pokrywają się (konstruktywna interferencja). Wzór dyfrakcyjny jest nieodłączną właściwością fal i stanowi przekonujący dowód na falową naturę światła.

Unikalną właściwością fal jest to, że kiedy wchodzą ze sobą w kontakt, oddziałują w taki sposób, że wynikowa fala ma albo zwiększoną, albo zmniejszoną amplitudę. Zjawisko to nazywa się interferencją. 

Kiedy grzbiety dwóch fal są wyrównane, są one "w fazie". Gdy fale te oddziałują ze sobą, ich amplitudy sumują się i powstaje fala o zwiększonej amplitudzie. To jest konstruktywna ingerencja. 

Jeśli dwie fale nie są wyrównane – tak, że ich grzbiety znajdują się w przeciwnych kierunkach  – są "poza fazą". W tym przypadku wynikowa fala ma mniejszą amplitudę. To jest destrukcyjna ingerencja. Kiedy dolina jednej fali całkowicie pokrywa się z grzbietem drugiej, fale znoszą się nawzajem.

Dyfrakcja to kolejne charakterystyczne zachowanie fal. Spójrz z góry na falę – tak, aby grzbiety były reprezentowane przez pionowe linie – i wyobraź sobie, że porusza się ona w kierunku bariery o wąskim otworze. Otwór w barierze ma rozmiar podobny do długości fali. 

Gdy fala przechodzi, wygina się w rogach otworu i rozchodzi się w różnych kierunkach. 

Ale jak zachowują się fale, gdy w barierze znajdują się dwa lub więcej otworów? Można to zaobserwować za pomocą źródła światła. Kiedy emitowane jest światło, fala przechodzi przez parę blisko rozmieszczonych szczelin i wyłaniają się dwie fale dyfrakcyjne. Fale te interferują ze sobą, tworząc wzór.

Kiedy dwie fale pokonują tę samą odległość, zakłócają się konstruktywnie. Obserwuje się to po pojawieniu się jasnej linii. 

W niewielkiej odległości od środka, w dowolnym kierunku, jedna fala pokonuje nieco większą odległość niż druga fala i stają się one "poza fazą". Destrukcyjna interferencja tworzy ciemny obszar. 

W zależności od odległości pokonywanych przez fale, tworzy się wzór interferencyjny naprzemiennie jasnych i ciemnych linii. Ten eksperyment z podwójną szczeliną demonstruje falową naturę światła.