התאבכות

התאבכות של אור מתקליטור

התאבכות שני פולסים סינוסיים

הִתְאַבְּכוּת היא תופעה פיזיקלית, המתרחשת כאשר גלים נפגשים במרחב. באזור המפגש נוצרת תבנית דמוית שריג מכיוון שבהכרח מתקבלות נקודות במרחב בהן שיא של גל אחד נפגש עם עמק של גל אחר תוך התבטלות הדדית (מלאה או חלקית בהתאם לעוצמותיהם, ז"א עוצמה א' פחות עוצמה ב'), ולעומתן מתקבלות נקודות בהן שיאי שני גלים נפגשים תוך יצירת שיא משותף בעל עוצמה שהיא סכום העוצמות.

עקרונות

התאבכות בונה (משמאל) והתאבכות הורסת (מימין)

אנימציה של התאבכות של גלים המגיעים משני מקורות נקודתיים

תבניות התאבכות משני מקורות נקודתיים. אורך הגל גדל ככל שיורדים בתמונות והמרחק בין המקורות גדל בהתקדמות ימינה בתמונות.

משוואת הגלים היא משוואה ליניארית הומוגנית, ועל כן, כתוצר של סופרפוזיציה, הגודל הפיזיקלי הנובע ממקורות גליים שונים מתנהג כגל שעוצמתו בכל נקודה במרחב שווה לסכום הגדלים שנובעים מכל מקור. אם הגודל הפיזיקלי הוא גודל וקטורי מתקבל סכום וקטורי. על מנת לקבל תבנית התאבכות שאינה משתנה בזמן, על הגלים המתאבכים להיות קוהרנטיים.

הגל הפשוט ביותר לתיאור הוא גל סינוסי, שבנקודה קבועה במרחב מתואר על ידי הפונקציה:

$y(t)=A\sin(\omega t+\phi )$

כאשר A משרעת הגל, $\omega$ התדירות הזוויתית שלו, t הזמן ו-$\phi$ מופע התחלתי כלשהו. במערכת שבה שני מקורות של גלים סינוסיים, הערך y יהיה סכום הערכים הנוצרים על ידי כל מקור. סכום זה יהיה גל סינוסי בעצמו רק אם התדירויות של שני הגלים זהות במדויק, אז נקראים הגלים קוהרנטיים. אם גם המשרעות של שני הגלים שוות, ניתן בעזרת זהויות טריגונומטריות לראות שסכומם הוא גל סינוסי באותה התדירות, שהמשרעת והמופע ההתחלתי שלו נקבעים על ידי הפרש המופע בין שני הגלים בלבד:

$A\sin(\omega t+\phi _{1})+A\sin(\omega t+\phi _{2})=2A\cos({\frac {\phi _{2}-\phi _{1}}{2}})\sin(\omega t+{\frac {\phi _{1}+\phi _{2}}{2}})$

הגל הכולל הוא בעל משרעת מקסימלית כאשר הפרש המופע בין שני הגלים היוצרים אותו הוא אפס (אז הם נקראים שווי מופע). התאבכות כזו נקראת התאבכות בונה, ובה השיאים של שני הסינוסים נפגשים כך שהשיא של סכומם גדול פי שניים מהשיא של כל אחד מהם. אם הפרש המופע בין שני הגלים הוא 180 מעלות (אז הם נקראים הפוכי מופע), השיא של הגל האחד נפגש עם השפל של הגל האחר וכתוצאה מהתבטלות הדדית סכומם מתאפס וההתאבכות נקראת התאבכות הורסת.

תבנית התאבכות היא המשרעת הכוללת של גלים מתאבכים בנקודות שונות במרחב. כל מקור יוצר גל שבו נקודות שוות מופע נעות במרחב, כך שהפרש המופע בין שני גלים תלוי במיקום המקורות. הדוגמה הפשוטה ביותר להתאבכות היא זו המתקבלת משני מקורות נקודתיים המקרינים אור מונוכרומטי. כל אחד מהם יוצר סביבו גל כדורי, והשדה החשמלי הכולל הוא סכום של שני גלים סינוסיים כדוריים. בנקודות שבהן הסינוסים הם שווי מופע תתקבל התאבכות בונה ועוצמת האור שם תהיה גבוהה יותר מזו שמתקבלת מכל מקור לחוד. בנקודות שבהן הגלים משני המקורות הם הפוכי מופע תתקבל התאבכות הורסת ותראה החשכה. מיקום נקודות ההתאבכות ההורסת ונקודות ההתאבכות הבונה שבתבנית ההתאבכות תלוי בהפרש המופע ההתחלתי בין שני המקורות, באורך הגל שלהם ובמרחק ביניהם.

דוגמאות

ישנן תופעות שונות בהן מתרחשת התאבכות בין כמה מקורות גלים, ובהן מאפייני המערכת השונים קובעים את תבנית ההתאבכות. פעמים רבות, במקום לחשב את סכום הגלים כתלות בהעתק מגדירים את תבנית ההתאבכות לפי הנקודות בהן ישנה התאבכות בונה והורסת, ומודדים בניסוי את הנקודות שבהן מתקבלת עוצמה מקסימלית ומינימלית.

• בניסוי שני הסדקים מתקבלת תמונת התאבכות של גל מישורי הפוגע במחסום בעל שני סדקים, המשמשים כשני מקורות קוהרנטיים. בעברו השני של המחסום מתקבלת תבנית התאבכות התלויה בצורה הגאומטרית של הסדקים, במרחק ביניהם ובאורך הגל. בשנת 1801 בוצע הניסוי לראשונה באור על ידי הפיזיקאי תומאס יאנג. בשנת 1961 הוא בוצע לראשונה עבור אלקטרונים, שם ההתאבכות היא של פונקציות הגל שלהם.
• עקיפה - כאשר גל מישורי פוגע במחסום כללי, לאו דווקא שני סדקים, אז התבנית המתקבלת בעברו השני, לפי עקרון הויגנס, היא תבנית ההתאבכות שהייתה מתקבלת אילו מכל נקודה במיפתח המחסום היה בוקע גל כדורי. תבנית כזו נקראת תבנית עקיפה. למשל, סריג עקיפה הוא מחסום בעל מספר רב של חריצים מקבילים וצפופים. התבנית המתקבלת תלויה באורך הגל, וכך ניתן להפריד גל למרכיביו השונים ולכן סריגים משמשים ככלי חשוב בספקטרוסקופיה. הצבע הנראה מנוצות של ציפורים רבות נובע מתוך המבנה הסריגי של הנוצות^{[דרוש מקור]}, כתוצאה מהתאבכות קרני האור הפוגעות בהן.
• אינטרפרומטרים הם מכשירים שבהם גל מפוצל לשניים ולאחר מכן שני הגלים מתאחדים שוב ומתאבכים זה בזה. אינטרפרומטרים מאפשרים לבצע מדידות של מרחק מדויקות מאוד, ברזולוציה קטנה מאורך הגל הנכנס. הניסוי המפורסם ביותר שהשתמש באינטרפרומטר היה ניסוי מייקלסון מורלי שניסה למדוד את השינוי במהירות האור כשהוא עובר בכיוונים שונים באתר, והכישלון שלו היה אבן דרך חשובה בדרך לפיתוח תורת היחסות הפרטית.
• התאבכות משכבות דקות נוצרת כתוצאה מהחזרת אור מכמה שכבות של חומר, למשל בכתמי שמן על שלוליות מים.
• פוטואלסטומטריה - מדידת מאמצים בחומרים שקופים באמצעות התאבכות, הנגרמת מתופעת הפוטואלסטיות בה מקדם השבירה של חומר משתנה כתוצאה מהמאמצים בו.
• קריסטלוגרפיה - בדומה לאופן פעולת הסריג, כאשר גל פוגע במשטח, נוצרת תבנית התאבכות שהיא למעשה טרנספורם פוריה של המשטח, ולכן ניתן ללמוד ממנה על מבנה המשטח. בקריסטלוגרפיה נעשה שימוש במדידות מהסוג הזה על מנת לחקור גבישים ומולקולות.

ראו גם

• גל עומד
• פעימה (אקוסטיקה)
• עקיפה
• אינטרפרומטריה

קישורים חיצוניים

• ארז גרטי, גלים והתאבכות, באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 22 ספטמבר 2011
• יישום ג'אווה היוצר התאבכות בין שני מקורות נקודתיים, ויישומים נוספים.
• התאבכות, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)