Interférence, diffraction et principe de superposition

L’interférence a lieu lorsque les ondes interagissent entre elles, tandis que la diffraction a lieu lorsqu’une onde passe à travers une ouverture. Ces interactions sont régies par le principe de superposition. L’interférence, la diffraction et le principe de superposition sont des concepts importants pour comprendre plusieurs applications des ondes.

L’interférence et le principe de superposition

Lorsque deux ondes interagissent, le principe de superposition dit que la fonction d’onde résultante est la somme des deux fonctions d’onde individuelles. Ce phénomène est généralement décrit comme une interférence.

Imaginez un cas où l’eau s’égoutte dans un bac d’eau. Si une seule goutte touche l’eau, elle crée une vague circulaire d’ondulations sur l’eau. Mais si vous commencez à faire couler de l’eau à un autre endroit, elle se mettra aussi à faire des vagues similaires. Aux points où ces vagues se chevauchent, la vague résultante serait la somme des deux vagues précédentes.

Cela ne vaut que pour les situations où la fonction d’onde est linéaire, c’est-à-dire où elle dépend de x et t uniquement de la première puissance. Certaines situations, comme le comportement élastique non linéaire qui n’obéit pas à la loi de Hooke, ne correspondraient pas à cette situation, car elle a une équation d’onde non linéaire. Mais pour presque toutes les ondes qui sont traitées en physique, cette situation est vraie.

C’est peut-être évident, mais il est probablement bon d’être également clair sur ce principe implique des ondes de type similaire. Il est évident que les ondes de l’eau n’interfèrent pas avec les ondes électromagnétiques. Même parmi des types d’ondes similaires, l’effet est généralement limité à des ondes de pratiquement (ou exactement) la même longueur d’onde. La plupart des expériences impliquant des interférences garantissent que les ondes sont identiques à ces égards.

Interférence constructive et destructrice

L’image de droite montre deux ondes et, en dessous, comment ces deux ondes sont combinées pour montrer l’interférence.

Lorsque les crêtes se chevauchent, l’onde de superposition atteint une hauteur maximale. Cette hauteur est la somme de leurs amplitudes (ou deux fois leur amplitude, dans le cas où les ondes initiales ont une amplitude égale). La même chose se produit lorsque les creux se chevauchent, créant un creux résultant qui est la somme des amplitudes négatives. Ce type d’interférence est appelé interférence constructive car elle augmente l’amplitude globale. Un autre exemple non animé peut être vu en cliquant sur l’image et en avançant vers la deuxième image.

Par ailleurs, lorsque la crête d’une vague chevauche le creux d’une autre vague, les vagues s’annulent dans une certaine mesure. Si les ondes sont symétriques (c’est-à-dire qu’elles ont la même fonction, mais sont décalées d’une phase ou d’une demi-longueur d’onde), elles s’annulent complètement. Ce type d’interférence est appelé interférence destructive et peut être visualisé dans le graphique de droite ou en cliquant sur cette image et en avançant vers une autre représentation.

Dans le cas précédent d’ondulations dans un bain d’eau, vous verriez donc certains points où les ondes d’interférence sont plus grandes que chacune des ondes individuelles, et certains points où les ondes s’annulent.

Diffraction

Un cas particulier d’interférence est connu sous le nom de diffraction et se produit lorsqu’une onde frappe la barrière d’une ouverture ou d’un bord. Au bord de l’obstacle, une onde est coupée, et elle crée des effets d’interférence avec la partie restante des fronts d’onde. Comme presque tous les phénomènes optiques impliquent le passage de la lumière à travers une ouverture quelconque – que ce soit un œil, un capteur, un télescope ou autre – la diffraction se produit dans presque tous les cas, bien que dans la plupart des cas l’effet soit négligeable. La diffraction crée généralement un bord « flou », bien que dans certains cas (comme l’expérience de Young à double fente, décrite ci-dessous) la diffraction puisse provoquer des phénomènes intéressants en soi.

Conséquences et applications

L’interférence est un concept intriguant et a des conséquences qui méritent d’être soulignées, notamment dans le domaine de la lumière où cette interférence est relativement facile à observer.

Dans l’expérience à double fente de Thomas Young, par exemple, les schémas d’interférence résultant de la diffraction de l' »onde » lumineuse font que l’on peut faire briller une lumière uniforme et la décomposer en une série de bandes claires et sombres en l’envoyant simplement à travers deux fentes, ce qui n’est certainement pas ce à quoi on pourrait s’attendre. Ce qui est encore plus surprenant, c’est qu’en réalisant cette expérience avec des particules, comme des électrons, on obtient des propriétés semblables à celles d’une onde. Toutes les sortes d’ondes présentent ce comportement, si elles sont correctement configurées.

L’application la plus fascinante de l’interférence est peut-être la création d’hologrammes. Pour ce faire, on réfléchit une source de lumière cohérente, comme un laser, sur un film spécial à partir d’un objet. Les motifs d’interférence créés par la lumière réfléchie sont à l’origine de l’image holographique, qui peut être visualisée lorsqu’elle est à nouveau placée sous le bon type d’éclairage.