Světlo IV: Interference vlnění

Po delší pauze se opět vrací seriál o světle a jeho fyzikální povaze. V tomto čtvrtém díle seriálu se budeme věnovat pro praxi velmi důležitému jevu, který má poměrně jednoduché vysvětlení, a to interferenci vlnění.
Interference (interferenční jev) je vzájemné ovlivňování a slučování fyzikálních jevů či hmoty. Těmito fyzikálními jevy je nejčastěji vlnění. Už víme, že i světlo má povahu elektromagnetického vlnění a dochází i zde k charakteristické interferenci.

Šíří-li se nějaké vlnění prostorem součastně z více různých zdrojů, šíří se v daném prostředí jako by jiná vlnění neexistovala (tzv. princip nezávislosti šíření vlnění). Setkají-li se však dvě různá vlnění v daném místě, dochází k jejich vzájemnému skládaní, podobně jako při skládaní klasických mechanických kmitů (např. závaží na pružině). Jev spojený s tímto skládáním vln nazýváme interference vlnění.

Tato interference se řídí jedním z nejzákladnějších a nejdůležitějších principů přírody, tj. principem superpozice. V jednoduchosti princip superpozice říká, že výsledné vlnění je obyčejným součtem dvou základních vlnění. V důsledku toho v některých místech dochází k zvýšení amplitudy (zesílení) a v jiných místech k snížení amplitudy (zeslabení).

Jako první interferenci pozoroval v roce 1801 Thomas Young, který zároveň tímto pokusem dokázal, že světlo má opravdu vlnovou povahu. Tento pokus, který je po něm pojmenován, spočíval v ozařování dvou štěrbin a sledování výsledného obrazu na stínítku (viz obr. 1A).

Výsledkem bylo pozorování interferenčních proužků (viz. obr. 1B).

Jak si ale sami umíte představit, nic není tak jednoduchého, jak se zdá. Určit výsledné interferenční vlnění v obecném případě může být značný problém, protože skládaná vlnění se od sebe mohou lišit frekvencí, amplitudou, fází nebo směrem šíření. Nejlehčím případem je skládání dvou vlnění se stejnou frekvencí a fází nebo stálým fázovým rozdílem tzv. koherentní vlnění. Výsledné vlnění je pouze součtem velikostí amplitud, jak je vidět na obrázku 2A a 2B .

Zdroji koherentního záření se dnes nejčastěji používají dobře známe lasery. O jejich fyzikálním principu se však zmíníme až v dalších dílech seriálu.

Na dalších obrázcích vidíme interferenci rovinných vln a kruhových vln, které si můžeme velmi jednoduše nasimulovat sami. Stačí vhodit na dvě různá místa hladiny rybníku kameny a pozorovat, jak se šířící vlny vzájemně ovlivňují (obr. 3A a 3B).

Dalším důležitým případem interferenčního jevu může být tzv. stojatá vlna (obr. 4).

Spojitou vlunu lze popsat jako superpozici dvou postupných vlnění, která postupují proti sobě. Stojaté vlnění může být příčné nebo podélné. Body, ve kterých je amplituda stojatého vlnění nulová se nazývají uzly, naopak body maximálního vychýlení nazýváme kmitny.

Posledním zajímavým případem, kterým se dnes budeme zabývat, je interference polarizovaných vln s málo rozdílnou frekvencí, šířících se stejným směrem, se stejnou amplitudou a stejnou fázovou rychlostí. Při této interferenci vzniká postupná vlna, které se časem mění amplituda, vznikají tak určité rázy. Ty se současně pohybují ve směru šíření vlnění, ovšem jsou rozděleny do určitých skupin (vlnových balíků), které se šíří vpřed tzv. grupovou rychlostí (obr. 5).

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web