mozok.click » Фізика » Дифракція світла
Інформація про новину
  • Переглядів: 8
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:21
12-02-2018, 22:21

Дифракція світла

Категорія: Фізика

Явище дифракції. Ознайомимось ще з одним хвильовим явищем - дифракцією. Дифракція - явище огинання хвилями перешкод.

Легко спостерігати дифракцію хвиль, які поширюються на поверхні води. Перешкоди порушують прямолінійність переміщення фронту хвилі. Якщо перешкода велика (порівняно з довжиною хвилі), то за нею хвиль немає (мал. 213, а), якщо розмір перешкоди малий -хвилі заходять за її краї (мал. 213, б), дуже малу перешкоду хвилі огинають так, ніби її немає -фронт хвилі не змінюється (мал. 213, в).

На мал. 214 зображено проходження хвиль крізь отвори у перешкоді.



Спостерігати дифракцію світла не так легко. Справа в тому, що хвилі відхиляються від прямолінійного поширення на помітні кути лише на перешкодах, розміри яких порівнянні з довжиною світлової хвилі. Тому для перешкод, великих порівняно з довжиною хвилі, дифракцію можна спостерігати лише на великій відстані від перешкоди.

Дифракційні картини від різних перешкод. Якщо від джерела S пропустити пучок світла крізь отвір АВ (мал. 215), то на екрані дістанемо світлу пляму.

Діаметр цієї плями відповідає ширині світлового пучка, що падає на екран (мал. 215, б). Зменшуючи отвір АВ, ми спостерігатимемо, що зменшується і пляма, тобто звужується пучок світла. Проте, починаючи з деякого розміру отвору, подальше його зменшення спричинює збільшення плями! При цьому пляма втрачає різкість, вона розширена і нерівномірно освітлена (мал. 215, в). На екрані з’являються світлі і темні кільця, що чергуються і займають ділянку, значно більшу, ніж це виходить із геометричних побудов, які ґрунтуються на законі прямолінійного поширення світла.

Змінюючи діаметр отвору, можна отримати в центрі дифракційної картини або темну, або світлу пляму.

На мал. 216 показано дифракційні картини від тонкої дротини та круглого диска.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Досліджував явище дифракції О.Ж. Фре-нель. Він побудував кількісну теорію дифракції, яка дає можливість у принципі розрахувати дифракційну картину, що виникає внаслідок огинання світлом будь-яких перешкод. Френель також уперше дав пояснення прямолінійного поширення світла в однорідному середовищі з погляду хвильової теорії.


Цих успіхів Френель досяг, об’єднавши принцип Гюйгенса (див. § 47) з припущенням про інтерференцію вторинних хвиль. Згідно з ідеями Френе-ля хвильова поверхня в будь-який момент часу є не просто обвідною вторинних хвиль (як за принципом Гюйгенса), а результатом їх інтерференції.

Таким чином, принцип Гюйгенса-Френеля пояснює дифракцію як результат незалежного накладання когерентних вторинних хвиль. Іншими словами, дифракція є наслідком інтерференції хвиль.

Розглянемо детальніше механізм проходження хвилі крізь щілину (мал. 217).

Як тільки фронт хвилі дійде до щілини, то кожна точка простору між краями щілини стає самостійним джерелом вторинних хвиль. Новий фронт хвилі утворюється у результаті інтерференції цих вторинних хвиль. Оскільки вторинні хвилі від крайніх точок щілини мають вигнуту поверхню, то новоутворений фронт хвилі розширюється і деформується. Промені, проведенні перпендикулярно до фронту хвилі, показують напрям поширення хвилі.

Метод зон Френеля. Френель запропонував розбивати фронт хвилі на ділянки (зони Френеля), які розглядаються як самостійні однакові джерела хвиль. Відповідно амплітуда й інтенсивність хвилі у точці спостереження визначається як результат інтерференції хвиль, створених окремими зонами.

Ознайомимось у дещо спрощеному вигляді з методом зон і застосуємо його до пояснення дифракції світла на круглому отворі (мал. 218).

Нехай на отвір від джерела падає сферична хвиля. Згідно з методом зон відкритий хвильовий фронт розбивається на кільцеві зони так, що віддалі від країв кожної зони до точки спостереження Р відрізняються на \/2 (мал. 218). 


У цьому випадку коливання, які приходять в точку Р від аналогічних точок двох сусідніх зон, будуть накладатися з протилежними фазами. Якщо в отворі діаграми вкладається парне число зон Френеля, то в центрі екрана спостерігатиметься послаблення інтенсивності світла (темна пляма), якщо

непарне їх число - підсилення світла (світла пляма). Радіус /?-ої зони Фре-неля визначається як

де а - радіус k-ото сферичного монохроматичного хвильового фронту (поверхні), що поширюється від джерела S до точки Р на екрані; Ь - віддаль від вершини хвильової поверхні до точки Р; k = 1,2,3... - порядковий номер зони Френеля; X - довжина хвилі. Кіль кість зон Френеля, що вміщується у круглому отворі радіусом R, дорівнює

Метод зон Френеля можна застосувати і у випадку дифракції від щілини. У цьому випадку хвильовий фронт необхідно розбити на зони Френеля у вигляді вузеньких смужок, паралельних краю щілини.

В принципі можна виготовити таку пластинку, яка перекривала б усі парні або непарні зони. Тоді всі хвилі приходитимуть у точку Р у фазі і підсилюватимуть одна одну (хвилі, які приходять у протифазі перекрито). Дістаємо прилад цілком аналогічний лінзі.

Дайте відповіді на запитання

1. У чому полягає явище дифракції світлових хвиль і як його можна спостерігати? Чи можливе явище інтерференції і дифракції з ультрафіолетовими, інфрачервоними і рентгенівськими променями?

2. Якими уявленнями Френель доповнив принцип Гюйгенса?

3. Для чого і як саме хвильова поверхня розбивається на зони Френеля?



^