Расчеты, сделанные Френелем, полностью были подтверждены экспериментом. Из-за того что длина световой волны очень мала, угол отклонения света от направления прямолинейного распространения невелик. Поэтому для отчетливого наблюдения дифракции нужно либо использовать очень маленькие препятствия, либо не располагать экран далеко от препятствий. При расстоянии между препятствием и экраном порядка метра размеры препятствия не должны превышать сотых долей миллиметра. Если же расстояние до экрана достигает сотен метров или нескольких километров, то дифракцию можно наблюдать на препятствиях размерами в несколько сантиметров и даже метров.
На рисунке 8.57, а-в схематично показаны дифракционные картины от различных препятствий: а - от тонкой проволочки; б - от круглого отверстия; в - от круглого экрана. 
Вместо тени от проволочки видны светлые и темные полосы; в центре дифракционной картины от отверстия появляется темное пятно, окруженное светлыми и темными кольцами 1 ; в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятнышко, а сама тень окружена темными концентрическими кольцами.
Любопытный случай произошел на заседании Французской академии наук в 1818 г. Один из ученых, присутствовавших на заседании, обратил внимание на то, что из теории Френеля вытекают факты, явно противоречащие здравому смыслу. Так, при определенных размерах отверстия и определенных расстояниях от отверстия до источника света и экрана в центре светлого пятна должно находиться темное пятнышко. А за маленьким непрозрачным диском, наоборот, должно находиться светлое пятно в центре тени. Каково же было удивление ученых, когда поставленные эксперименты доказали, что так и есть на самом деле!
Д ифракция световых волн может легко наблюдаться, например, при освещении лезвия монохроматическим светом (см. Рис. 5). Тогда в области тени видно чередование темных и светлых полос (см. Рис. 6).
Рис. 5. Дифракция света на лезвии
Рис. 6. Дифракция света на лезвии
Также при освещении непрозрачного диска ровно в центре за ним может образоваться светлое пятно. Данный опыт был проделан в 1818 году математиком Пуассоном (см. Рис. 7). Он теоретически получил этот результат и хотел провести опыт, чтобы доказать его абсурдность.
И Пуассон был очень удивлен, когда эксперимент подтвердил теорию.
Рис. 7. Симон Дени Пуассон
Границы применимости геометрической оптики. Все физические теории отражают происходящие в природе процессы лишь приближенно. Для любой теории могут быть указаны определенные границы ее применимости. Можно ли применять в конкретном случае данную теорию или нет, зависит не только от той точности, которую обеспечивает эта теория, но и от того, какая точность требуется при решении той или иной практической задачи. Границы применимости теории можно установить лишь после того, как разработана более общая теория, охватывающая те же явления.
Все эти общие положения относятся и к геометрической оптике. Эта теория является приближенной. Она неспособна объяснить, например, явления интерференции и дифракции света. Более общей и более точной теорией является волновая оптика. Согласно ей, закон прямолинейного распространения света и другие законы геометрической оптики выполняются достаточно точно липхь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны. Но совершенно точно они не выполняются никогда.
1 Изменяя диаметр отверстия, можно в центре дифракционной картины получить и светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами.
Действие оптических приборов описывается законами геометрической оптики. Согласно этим законам можно различать с помощью микроскопа сколь угодно малые детали объекта; с помощью телескопа можно установить существование двух звезд при любых малых угловых расстояниях между ними. Однако в действительности это не так, и лишь волновая теория света позволяет разобраться в причинах предела разрешающей способности оптических приборов.
Разрешающая способность микроскопа и телескопа . Волновая природа света налагает предел на возможность различать детали предмета или очень мелкие предметы при их наблюдении с помощью микроскопа. Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет распространяется не строго прямолинейно, а огибает предметы. Из-за этого изображения получаются размытыми. Это происходит, когда линейные размеры предметов меньше длины световой волны.
Дифракция также налагает предел на разрешающую способность телескопа. Вследствие дифракции волн у края оправы объектива изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга, и глаз не может различить, имеются ли две светящиеся точки или одна. Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением длины волны к диаметру объектива.
Этот пример показывает, что с дифракцией приходится считаться всегда, при любых препятствиях. Ею при очень тщательных наблюдениях нельзя пренебрегать и в случае препятствий, размеры которых значительно больше, чем длина волны.
Дифракция света определяет границы применимости геометрической оптики. Огибание светом препятствий налагает предел на разрешающую способность важнейших оптических инструментов - телескопа и микроскопа.
Дифракционная решетка
На явлении дифракции основано устройство оптического прибора - дифракционной решетки.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разде.пенных непрозрачными промежутками (рис. 8.58). Хорошую решетку изготовляют с помощью специальной делительной машины, наносящей на стеклянную пластину параллельные штрихи.
Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1 мм; общее число штрихов превышает 100 000. Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Наилучшими качествами обладают так называемые отражательные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки, отражающие свет и рассеивающие его. Рассеивающие свет штрихи наносятся резцом на отшлифованную металлическую пластину.Если ширина прозрачных щелей (или отражающих свет полос) равна а, и ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) равна b, то величина d = а + b называется периодом решетки. Обычно период дифракционной решетки порядка 10 мкм.
Рис. 8. Дифракционные решетки
Рассмотрим элементарную теорию дифракционной решетки. Пусть на решетку (рис. 8.59) падает плоская монохроматическая волна длиной волны . Вторичные источники, расположенные в щелях, создают световые волны, распространяющиеся по всем направлениям. Найдем условие, при котором идущие от щелей волны усиливают друг друга. Рассмотрим, например, волны, распространяющиеся в направлении, определяемом углом . Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливать друг друга.
Периодом дифракционной решетки называется сумма ширины прозрачной и непрозрачной полос (см. Рис. 9).
Рис. 9. Дифракционная решетка
Из треугольника ABC можно найти длину катета АС: АС = АВ sin = d sin . Максимумы будут наблюдаться под углом , в соответствии с условием
где величина k = 0, 1, 2, ... определяет порядок спектра.
Нужно иметь в виду, что при выполнении условия (см. формулу (8.17)) усиливают друг друга не только волны, идущие от нижних (см. рис. 8.60) краев щелей, но и волны, идущие от всех других точек щелей.
Каждой точке в первой щели соответствует точка во второй щели, находящаяся на расстоянии d от первой точки. Поэтому разность хода испущенных этими точками вторичных волн равна k , и эти волны взаимно усиливаются.За решеткой помещают собирающую линзу и за ней - экран на фокусном расстоянии от линзы. Линза фокусирует лучи, идущие параллельно, в одной точке. В этой точке происходит сложение волн и их взаимное усиление. Углы , удовлетворяющие условию (8.17), определяют положение так называемых главных максимумов на экране. Наряду скартиной
Получаемой в результате дифракции света, в случае дифракционной решетки наблюдается дифракционная картина и от отдельных щелей. Интенсивности максимумов в ней меньше интенсивности главных максимумов.
Так как положение максимумов (кроме центрального, соответствующего k = 0) зависит от длины волны, то решетка разлагает белый свет в спектр (см. рис. IV, 1 на цветной вклейке; спектры второго и третьего порядков перекрываются). Чем больше , тем дальше от центрального максимума располагается тот или иной максимум, соответствующий данной длине волны (см. рис. IV, 2, 3 на цветной вклейке). Каждому значению k соответствует свой порядок спектра.
Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко очерчены максимумы и тем более широкими минимумами они разделены. Световая энергия, падающая на решетку, перераспределяется ею так, что большая ее часть приходится на максимумы, а в область минимумов попадает незначительная часть энергии.
С помощью дифракционной решетки можно проводить очень точные измерения длины волны. Если период решетки известен, то определение длины волны сводится к измерению угла , соответствующего направлению на максимум.
Haши ресницы вместе с промежутками между ними представляют собой грубую дифракционную решетку. Поэтому, если посмотреть, прищурившись, на яркий источник света , то можно обнаружить радужные цвета. Белый свет разлагается в спектр при дифракции вокруг ресниц. Лазерный диск с бороздками, проходящими близко друг от друга, подобен отражательной дифракционной решетке. Если вы посмотрите на отраженный им свет от электрической лампочки , то обнаружите разложение света в спектр. Можно наблюдать несколько спектров, соответствующих разным значениям k.Картина будет очень четкой, если свет от лампочки падает на пластинку под большим углом.
Основное применение дифракционной решетки – это спектральный анализ .
Максимумы для разных длин волн будут наблюдаться под разными углами, то есть белый свет будет разложен в спектр.
Преимущество дифракционных решеток перед другими спектральными приборами заключается в том, что спектр получается более ярким. Интенсивность в главном максимуме пропорциональна квадрату полного числа щелей дифракционной решетки.
Любой кристалл также является дифракционной решеткой. На этом построен такой метод кристаллографии, как рентгеноструктурный анализ. Кристалл облучается рентгеновскими волнами, и по дифракционной картине этих волн можно определить тип кристаллической решетки и рассчитать ее период.
Наряду с интерференцией другим примером общего для всех волновых процессов явления может служить дифракция - огибание волнами препятствий. Для световых волн дифракция проявляется в отклонении от прямолинейного распространения и загибании света в область геометрической тени.
Характерной особенностью дифракционных явлений в оптике оказывается то, что здесь, как правило, длина волны света почти всегда много меньше размеров преград на пути световых волн. Поэтому наблюдать дифракцию света можно только на достаточно больших расстояниях от преграды. Проявление дифракции состоит в том, что распределение освещенности отличается от простой картины, предсказываемой геометрической оптикой на основе прямолинейного распространения света.
Принцип Гюйгенса-Френеля. Строгий расчет дифракционной картины представляет собой очень сложную математическую задачу. Но в некоторых практически важных случаях достаточно
Рис. 199. К расчету дифракции на основе принципа Гюйгенса-Френеля
хорошее приближение дает упрощенный подход, основанный на использовании принципа Гюйгенса-Френеля.
Пусть поверхность представляет собой положение волновой поверхности в некоторый момент времени (рис. 199).
Для того чтобы определить вызванные волной колебания в некоторой точке Р, нужно, по Френелю, определить колебания, вызываемые в этой точке отдельными вторичными волнами, приходящими в нее от отдельных элементов поверхности и затем сложить эти колебания с учетом их амплитуд и фаз. При этом следует считать, что в точке Р сказывается влияние только той части волновой поверхности которая не загораживается каким-либо препятствием.
Зоны Френеля. Проиллюстрируем применение принципа Гюйгенса-Френеля на следующем примере. Пусть на непрозрачную преграду с круглым отверстием падает слева плоская монохроматическая волна (рис. 200). Такую волну можно получить, например, от точечного источника монохроматического света, удаленного на бесконечность или помещенного в фокус собирающей линзы большого диаметра.
Рис. 200. Падение плоской монохроматической волны на преграду с круглым отверстием
Рис. 201. Построение зон Френеля
Будем интересоваться освещенностью экрана в точке Р, находящейся на оси симметрии.
Для учета интерференции вторичных волн Френель предложил мысленно разбить волновую поверхность падающей волны в месте расположения преграды на кольцевые зоны (зоны Френеля) по следующему правилу: расстояния от краев соседних зон до точки Р (рис. 201) должны отличаться на половину длины волны, т. е.
Если смотреть на волновую поверхность из точки Р, то зоны Френеля будут выглядеть так, как показано на рис. 202. Из рис. 201 легко найти радиусы зон Френеля:
Видно, что радиус зоны пропорционален если При выполнении этого условия площади зон Френеля можно считать одинаковыми. Результат интерференции вторичных волн в точке Р, как мы увидим ниже, определяется тем, сколько зон Френеля открывает круглое отверстие на волновой поверхности.
Рис. 202. Зоны Френеля
Дифракция Френеля на круглом отверстии. Предположим, что отверстие в преграде представляет собой диафрагму, диаметр которой можно изменять. Пусть сначала радиус отверстия много меньше радиуса первой зоны Френеля. Тогда можно считать, что колебания от всех точек волновой поверхности в этом маленьком отверстии приходят в точку Р практически в одинаковой фазе. Изобразим колебание поля в точке Р, вызванное этой вторичной волной, с помощью векторной диаграммы (рис. 203а). Этому колебанию на ней сопоставляется вектор который вращается с угловой скоростью , равной циклической частоте падающей волны, в направлении против часовой стрелки. Увеличим отверстие диафрагмы еще немного, так чтобы площадь его удвоилась. Колебания, приходящие в точку Р от вновь открытого участка волновой поверхности, несколько отстают по фазе и изображаются на диаграмме вектором Длина этого вектора равна длине вектора так как равны между собой площади соответствующих им участков волновой поверхности. Продолжая увеличивать отверстие диафрагмы, будем откладывать на диаграмме векторы, соответствующие приходящим в точку Р колебаниям от вновь открываемых участков волновой поверхности. Колебаниям, приходящим в Я от участка, прилегающего к границе первой зоны Френеля, будет соответствовать вектор повернутый относительно на так как, согласно определению зон Френеля, разность хода соответствующих им вторичных волн равна
Рис. 203. Расчет амплитуды результирующего колебания в точке Р с помощью векторных диаграмм: а - в отверстии укладывается одна зона Френеля; - две зоны Френеля
Результирующее колебание в точке Р, создаваемое волной, которая прошла через круглое отверстие, совпадающее с первой зоной Френеля, изображается вектором (рис. 203а). Будем увеличивать отверстие диафрагмы дальше. Когда на нем будут умещаться две первые зоны Френеля, векторная диаграмма колебаний в точке Р примет вид, изображенный на рис. 2036. При строгом равенстве амплитуд складываемых колебаний амплитуда результирующего колебания должна была бы равняться нулю, т. е. вторичные волны при двух открытых зонах Френеля полностью гасили бы друг друга в точке Р. Однако действие даже одинаковых по площади участков волновой поверхности в точке Р несколько убывает по мере увеличения угла между направлением на точку Р и нормалью к волновой поверхности (см. рис. 199). Поэтому в действительности амплитуда имеет конечное, хотя и очень малое значение.
Таким образом, освещенность экрана в точке Р, пропорциональная квадрату амплитуды результирующего колебания, будет по мере увеличения отверстия круглой диафрагмы меняться немонотонно. Пока открывается первая зона Френеля, освещенность в Р увеличивается и становится максимальной при полностью открытой первой зоне. По мере открывания второй зоны Френеля освещенность убывает и при полностью открытой второй зоне уменьшается почти до нуля. Затем освещенность будет увеличиваться снова, и т. д.
Эти на первый взгляд парадоксальные результаты, предсказываемые на основе принципа Гюйгенса-Френеля, хорошо согласуются с экспериментом. Подчеркнем, что они находятся в вопиющем противоречии с предсказаниями геометрической оптики, согласно которой при падении плоской волны освещенность в точке Р, лежащей на оси круглого отверстия, не зависит от диаметра отверстия.
Дифракция Френеля на круглом диске. Пятно Араго-Пуассона. Наиболее неожиданным в полученных выше результатах является, пожалуй, то, что при двух открытых зонах Френеля (и вообще при небольшом четном числе открытых зон) освещенность в точке Р близка к нулю. Не менее неожиданным является то, что в точке Р позади непрозрачного круглого экрана, расположенного на месте преграды с отверстием, освещенность не будет равна нулю, как это следовало бы из геометрической оптики. Если при этом непрозрачный круглый экран перекрывает лишь несколько первых зон Френеля, то в точке Р освещенность будет почти такой же, как и без экрана.
В этом можно убедиться, если рассматривать вектор А, изображающий колебания напряженности поля в точке Р при полностью открытой волновой поверхности, как сумму двух векторов, один из которых изображает колебания от открытого участка волновой поверхности, а другой - от тех зон Френеля, которые перекрыты экраном. В центре геометрической тени оказывается свет - так называемое пятно Араго-Пуассона.
Это предсказание теории Френеля произвело сильное впечатление на его современников. В 1818 г. член конкурсного комитета Французской академии С. Пуассон, рассматривавший представленный на премию мемуар Френеля, пришел к выводу о том, что в центре тени маленького диска должно находиться светлое пятно, но счел этот вывод столь абсурдным, что выдвинул его как возражение против волновой теории света, развивавшейся Френелем. Однако другой член того же комитета Араго выполнил эксперимент, показавший, что это удивительное предсказание правильно.
Расстояния, на которых сказывается дифракция. Теперь не представляет труда оценить те условия наблюдения, при которых дифракционные явления становятся существенными и картина распределения освещенности на экране заметно отличается от предсказываемой геометрической оптикой. По геометрической оптике распределение освещенности на экране должно соответствовать форме отверстия, так что освещенность экрана равна нулю в области геометрической тени, а в точке Р такая же, как и в отсутствие преграды. Но мы видели, что в случае, когда на отверстии укладывается лишь несколько зон Френеля, освещенность в точке Р совсем иная. Это дает возможность оценить то расстояние от отверстия до точки наблюдения, на котором именно дифракционные явления определяют наблюдаемую картину. Для этого в формуле (2) следует считать к положить равным размеру отверстия (или преграды) В результате находим
Дифракция Фраунгофера. Но можно осуществить такие условия наблюдения дифракции света, при которых возможен полный расчет распределения освещенности в дифракционной картине на экране.
Пусть плоская монохроматическая волна от бесконечно удаленного точечного источника падает на экран с отверстием, а дифракционная картина наблюдается на экране в фокальной плоскости линзы (рис. 204). Так как в каждой точке фокальной плоскости линзы, например Р на рис. 204, сходятся лучи, которые до линзы были параллельны между собой, то наблюдаемая здесь картина называется дифракцией в параллельных лучах. Как мы увидим в дальнейшем, линза не вносит дополнительной разности хода между параллельными до линзы лучами. Поэтому
Рис. 204. Наблюдение дифракции в параллельных лучах
складывающиеся в точке Р колебания имеют такую же разность фаз, как и до линзы на плоскости, перпендикулярной к этим лучам. Такая схема наблюдения дифракции была предложена И. Фраунгофером.
Пусть отверстие в экране представляет собой щель шириной (рис. 205), которую считаем бесконечно протяженной в направлении оси у.
Рис. 205. Наблюдение дифракции от щели с параллельными краями
Построенные по принципу Гюйгенса волновые поверхности позади щели представляют собой цилиндрические поверхности с образующей, параллельной краям щели (рис. 206). Так как волновая поверхность в направлении оси у не ограничена, то дифракционных эффектов в этом направлении быть не может.
Поэтому весь прошедший через линзу и попадающий на экран дифрагированный свет будет сосредоточен вдоль линии лежащей в плоскости Вместо изображения точечного источника в фокальной плоскости линзы, которое было бы в отсутствие щели, получается дифракционная картина, вытянутая вдоль линии
Рис. 206. Волновые поверхности, построенные по принципу Гюйгенса
Если создающий падающую волну точечный источник сместить вдоль оси у так, чтобы падающие на щель параллельные лучи образовали некоторый угол с осью то дифракционная картина на экране, не изменяя своего вида, сместится из положения на такой же угол. Поэтому при замене точечного источника света на тонкую светящуюся линию, параллельную оси у, каждый ее точечный элемент будет создавать свою дифракционную картину, параллельную а вся дифракционная картина на экране будет состоять из параллельных светлых и темных полос, как показано на рис. 205. Для ее нахождения достаточно рассмотреть только плоскость
Согласно принципу Гюйгенса-Френеля волновую поверхность падающей волны в щели на оси х следует разбить на столь малые участки, чтобы колебания в точке наблюдения Р, вызываемые вторичными волнами от всех точек одного участка, имели почти одинаковую фазу. Колебания в точке Р, вызываемые вторичными волнами, распространяющимися под углом от разных участков (рис. 207), следует просуммировать с учетом сдвигов по фазе. Это удобно сделать с помощью векторной диаграммы, построенной на рис. 208.
Рис. 207. К расчету суммарного колебания в точке Р
Вектор изображает колебания, приходящие в точку Р от участка лежащего вблизи нижнего края щели. Вектор изображающий колебания от соседнего участка повернут относительно на некоторый небольшой угол. Вектор изображающий колебания от последнего участка лежащего у верхнего края щели, повернут относительно вектора на угол соответствующий разности хода (рис. 207) между лучами, приходящими от краев щели. Чтобы найти сдвиг по фазе между колебаниями в точке Р, вызванными волнами с разностью хода следует учесть, что сдвиг по фазе равен при разности хода X:
Рис. 208. Сложение колебаний с помощью векторной диаграммы
Освещенность экрана в точке Р, пропорциональная квадрату амплитуды колебаний, связана с освещенностью в точке О, согласно (5), следующим соотношением:
где дается формулой (4). Распределение освещенности на экране при дифракции плоской волны на длинной щели показано на рис. 209. Вместо бесконечно узкой линии, которая получалась бы в фокальной плоскости линзы согласно законам геометрической оптики, на экране получаются дифракционные полосы, параллельные щели. Рядом с яркой центральной полосой будут слабые побочные полосы, отделенные друг от друга полной темнотой, причем ширина побочных полос вдвое меньше ширины центральной.
Рис. 209. Распределение освещенности на экране при дифракции плоской волны на щели
Освещенность в центре первой побочной полосы, как видно из формулы (6), почти в 25 раз меньше освещенности в центре картины. Освещенность обращается в нуль тогда, когда аргумент синуса в (6) кратен Это соответствует углам дифракции 0, При которых, как видно из (4),
Отметим, что положение минимумов освещенности легко найти и без помощи формулы (6). Для этого достаточно только сообразить, что минимумам соответствует разность хода I между крайними лучами (рис. 207), равная целому числу длин волн X. Действительно, если разность хода I равна, например, X, то всю щель можно разбить на пары одинаковых участков, отстоящих друг от друга на Разность хода вторичных волн от каждой такой пары равна и эти волны в точке наблюдения гасят друг друга.
Чем уже щель, тем шире дифракционные полосы. Из формулы (7) видно, что при уменьшении ширины щели до размеров порядка длины волны X центральная полоса расплывается на весь экран.
В чем заключаются особенности дифракционных явлений в оптике?
Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля. Как рассчитать колебания в некоторой точке, вызываемые проходящей через отверстие в экране световой волной?
Что такое зоны Френеля? Как осуществляется их построение?
Докажите, опираясь на формулу (2), что площади зон Френеля одинаковы.
Как объяснить периодические изменения освещенности в центре дифракционной картины от круглого отверстия при монотонном изменении диаметра отверстия или расстояния от отверстия до экрана?
Как оценить расстояние от препятствия (экрана или отверстия в нем) до точки наблюдения, - при котором становятся заметными дифракционные явления?
Чем отличаются условия наблюдения дифракции Фраунгофера и дифракции Френеля?
Покажите, что дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера не представляют собой разные физические явления, а соответствуют разным условиям наблюдения одного и того же явления. Сравните дифракцию Френеля при с дифракцией Фраунгофера.
Как изменятся ширина центральной полосы при дифракции Фраунгофера на щели и освещенность в ее середине, если ширину щели увеличить вдвое? Изменится ли при этом отношение освещенностей в побочных и центральной дифракционных полосах?
Набежал легкий ветерок, и по поверхности воды побежала рябь (волна малой длины и амплитуды), встречая на своем пути различные препятствия, над поверхностью воды, стебли растений, сук дерева. С подветренной стороны за суком вода спокойная, волнения нет, а стебли растений волна огибает.
ДИФРАКЦИЯ ВОЛН (от лат. difractus – разломанный) огибание волнами различных препятствий. Дифракция волн свойственна всякому волновому движению; имеет место, если размеры препятствия меньше длины волны или сравнимы с ней.
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. При дифракции световые волны огибают границы непрозрачных тел и могут проникать в область геометрической тени.
Препятствием может быть отверстие, щель, край непрозрачной преграды.
Проявляется дифракция света в том, что свет проникает в область геометрической тени в нарушение закона прямолинейного распространения света. Например, пропуская свет через маленькое круглое отверстие, обнаруживаем на экране светлое пятно большего размера, чем следовало ожидать при прямолинейном распространении.
Из-за того, что длина световой волны мала, угол отклонения света от направления прямолинейного распространения невелик. Поэтому для отчетливого наблюдения дифракции нужно использовать очень маленькие препятствия или располагать экран далеко от препятствий.
Дифракция объясняется на основе принципа Гюйгенса–Френеля: каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн. 
Дифракционная картина является результатом интерференции вторичных световых волн.
Волны, образованные в точках А и В, являются когерентными. Что наблюдается на экране в точках О, M, N?
Дифракция хорошо наблюдается только на расстояния
где R – характерные размеры препятствия. На меньших расстояниях применимы законы геометрической оптики.
Явление дифракции накладывает ограничение на разрешающую способность оптических инструментов (например, телескопа). Вследствие ее в фокальной плоскости телескопа образуется сложная дифракционная картина.
Дифракционная решетка – представляет собой совокупность большого числа находящихся в одной плоскости узких, параллельных, близко расположенных друг к другу прозрачных для света участков (щелей), разделенных непрозрачными промежутками.
Дифракционные решетки бывают отражающие и пропускающие свет. Принцип их действия одинаков. Решетку изготовляют с помощью делительной машины, наносящей периодические параллельные штрихи на стеклянной или металлической пластине. Хорошая дифракционная решетка содержит до 100 000 штрихов. Обозначим:
a
– ширина прозрачных для света щелей (или отражающих полос);
b
– ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет участков).
Величина d = a + b
называется периодом (или постоянной) дифракционной решетки.
Дифракционная картина, создаваемая решеткой сложная . В ней наблюдаются главные максимумы и минимумы, побочные максимумы, дополнительные минимумы, обусловленные дифракцией на щели.
Практической значение при исследовании спектров с помощью дифракционной решетки имеют главные максимумы, представляющие собой узкие яркие линии в спектре. Если на дифракционную решетку падает белый свет, волны каждого цвета, входящего в его состав, образуют свои дифракционные максимумы . Положение максимума зависит от длины волны. Нулевые максимумы (k
= 0
) для всех длин волн образуются в направлениях падающего пучка (β
= 0
), поэтому в дифракционном спектре есть центральная светлая полоса. Слева и справа от нее наблюдаются цветные дифракционные максимумы разного порядка. Так как угол дифракции пропорционален длине волны, то красные лучи отклоняются сильнее, чем фиолетовые. Обратите внимание на различие в порядке расположения цветов в дифракционном и призматическом спектрах. Благодаря этому дифракционная решетка используется в качестве спектрального аппарата, наряду с призмой.
При прохождении через дифракционную решетку световая волна длиной λ на экране будет давать последовательность минимумов и максимумов интенсивности. Максимумы интенсивности будут наблюдаться под углом β:
где k – целое число, называемое порядком дифракционного максимума.
Опорный конспект:
Дифракция и дисперсия - такие красивые и похожие слова, которые звучат как музыка для ушей физика! Как все уже догадались, сегодня мы говорим уже не о геометрической оптике, а о явлениях, обусловленных именно волновой природой света .
Дисперсия света
Итак, в чем заключается явление дисперсии света? В мы рассмотрели закон преломления света. Тогда мы не задумывались, а точнее - не вспоминали о том, что свет (электромагнитная волна) имеет определенную длину. Давайте вспомним:
Свет – электромагнитная волна. Видимый свет – это волны, имеющие длину в интервале от 380 до 770 нанометров.
Так вот, еще старина Ньютон заметил, что показатель преломления зависит от длины волны. Другими словами, красный свет, падая на поверхность и преломляясь, отклонится на другой угол, нежели желтый, зеленый и так далее. Эта зависимость и называется дисперсией .
Пропуская белый свет через призму, можно получить спектр, состоящий из всех цветов радуги. Это явление напрямую объясняется дисперсией света. Раз показатель преломления зависит от длины волны, значит, он зависит и от частоты. Соответственно, скорость света для разных длин волн в веществе также будет различна
Дисперсия света – зависимость скорости света в веществе от частоты.
Где применяется дисперсия света? Да повсюду! Это не только красивое слово, но и красивое явление. Дисперсия света в быту, природе, технике и искусстве. Вот, например, дисперсия красуется на обложке альбома группы Pink Floyd.
Дифракция света
Перед дифракцией нужно сказать про ее "подругу" - интерференцию . Ведь интерференция и дифракция света - это явления, которые наблюдаются одновременно.
Интерференция света – это когда две когерентные световые волны при наложении усиливают друг друга или наоборот ослабляют.
Волны является когерентными , если разность их фаз постоянна во времени, а при сложении получается волна той же частоты. Будет результирующая волна усилена (интерференционный максимум) или наоборот ослаблена (интерференционный минимум) - зависит от разности фаз колебаний. Максимумы и минимумы при интерференции чередуются, образуя интерференционную картину.
Дифракция света – еще одно проявления волновых свойств. Казалось бы, луч света всегда должен распространяться по прямой. Но нет! Встречая препятствие, свет отклоняется от первоначального направления как бы огибая преграду. Какие условия необходимы для наблюдения дифракции света? Собственно, это явление наблюдается на предметах любых размеров, но на больших предметах его наблюдать трудно и почти невозможно. Лучше всего это удается сделать на препятствиях, сопоставимых по размерам с длиной волны. В случае со светом - это очень маленькие препятствия.
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления при прохождении вблизи преграды.
Дифракция проявляется не только для света, но и для других волн. Например, для звуковых. Или для волн на море. Отличный пример дифракции – это то, как мы слышим песню группы Пинк Флойд из проезжающей мимо машины, когда сами стоим за углом. Если бы звуковая волна распространялась прямо, она бы просто не достигла наших ушей, и мы бы стояли в полной тишине. Согласитесь, скучно. Зато с дифракцией гораздо веселее.
Для наблюдения явления дифракции используется специальный прибор – дифракционная решетка . Дифракционная решетка представляет собой систему препятствий, которые по размеру сопоставимы с длиной волны. Это специальные параллельные штрихи, выгравированные на поверхности металлической или стеклянной пластины. Расстояние между краями соседних щелей решетки называется периодом решетки или ее постоянной.
Что происходит со светом при прохождении дифракционной решетки? Попадая на решетку и встречая препятствие, световая волна проходит через систему прозрачных и непрозрачных областей, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентного света, которые после дифракции интерферируют друг с другом. Каждая длина волны отклоняется при этом на определенный угол, и происходит разложение света в спектр. В результате мы наблюдаем дифракцию света на решетке
Формула дифракционной решетки:
Здесь d – период решетки, фи – угол отклонения света после прохождения решетки, k – порядок дифракционного максимума, лямбда – длина волны.
Сегодня мы узнали, в чем чем заключается явления дифракции и дисперсии света. В курсе оптики очень сильно распространены задачи по теме интерференция, дисперсия и дифракция света. Авторы учебников очень любят подобные задачи. Чего нельзя сказать о тех, кому приходится их решать. Если Вы хотите легко справиться с заданиями, разобраться в теме, а заодно и сэкономить время, обратитесь к . Они помогут Вам справиться с любой задачей!
Л 3 -4
Дифракция света
Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле – любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшое отверстие в экранах и т.д.
Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате наложения (суперпозиции) волн. По историческим причинам отклонение от закона независимости световых пучков, возникающее в результате суперпозиции когерентных волн, принято называть интерференцией волн. Отклонение от закона прямолинейного распространения света, в свою очередь, принято называть дифракцией волн.
Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором возникает дифракционная картина.
Различают два вида дифракции. Если источник света S и точка наблюденияP расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точкуP , образуют практически параллельные пучки, говорят одифракции в параллельных лучах или одифракции Фраунгофера . В противном случае говорят одифракции Френеля . Дифракцию Фраунгофера можно наблюдать, поместив за источником светаS и перед точкой наблюденияP по линзе так, чтобы точкиS иP оказались в фокальной плоскости соответствующей линзы (рис.).
Принципиально дифракция Фраунгофера не отличается от дифракции Френеля. Количественный критерий, позволяющий установить, какой вид дифракции имеет место, определяется величиной безразмерного параметра , гдеb – характерный размер препятствия,l – расстояние между препятствием и экраном, на котором наблюдается дифракционная картина,– длина волны. Если
Явление дифракции качественно объясняется с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени. Для монохроматической волны волновая поверхность есть поверхность, на которой колебания совершаются в одинаковой фазе.
Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис.). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т.е. огибает края отверстия.
Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности на фронте волны. Из повседневного опыта известно, что в большом числе случаев лучи света не отклоняются от их прямолинейного распространения. Так, предметы, освещенные точечным источником света, дают резкую тень. Таким образом, принцип Гюйгенса нуждается в дополнении, позволяющем определять интенсивность волны.
Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля , световая волна, возбуждаемая каким-либо источникомS , может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, излучаемых малыми элементами некоторой замкнутой поверхности, охватывающей источникS . Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому источники вторичных волн действуют синфазно. В аналитическом виде для точечного источника этот принцип записывается в виде
, (1)
гдеE
– световой
вектор, включающий в себя временную
зависимость
,k
– волновое число,r
– расстояние
от точкиP
на
поверхности S
до точкиP
,K
– коэффициент, зависящий от ориентации
площадки по отношению к источнику и
точкеP
. Правомерность
формулы (1) и вид функцииK
устанавливается в
рамках электромагнитной теории света
(в оптическом приближении).
В том случае, когда между источником S и точкой наблюденияP имеются непрозрачные экраны с отверстиями, действие этих экранов может быть учтено следующим образом. На поверхности непрозрачных экранов амплитуды вторичных источников считаются равными нулю; в области отверстий амплитуды источников такие же, как при отсутствии экрана (так называемое приближение Кирхгофа).
Метод зон Френеля. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в принципе найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства и решить задачу о распространении света. В общем случае расчет интерференции вторичных волн по формуле (1) довольно сложный и громоздкий. Однако ряд задач можно решить, применив чрезвычайно наглядный прием, заменяющий сложные вычисления. Метод этот получил название методазон Френеля .
Суть метода разберем на примере точечного
источника света S
.
Волновые поверхности представляют
собой в этом случае концентрические
сферы с центром в S
.Разобьем изображенную на рисунке
волновую поверхность на кольцевые зоны,
построенные так, что расстояния от краев
каждой зоны до точкиP
отличаются на
.
Обладающие таким свойством зоны
называютсязонами Френеля
. Из рис.
видно, что расстояние
от внешнего края – m
-й
зоны до точкиP
равно
,
гдеb
– расстояние
от вершины волновой поверхностиO
до точкиP
.
Колебания, приходящие в точку P от аналогичных точек двух соседних зон (например, точек, лежащих в середине зон или у внешних краев зон), находятся в противофазе. Поэтому колебания от соседних зон будут взаимно ослаблять друг друга и амплитуда результирующего светового колебания в точкеP
, (2)
где
,
,
… – амплитуды колебаний, возбуждаемых
1-й, 2-й, … зонами.
Для оценки амплитуд колебаний найдем
площади зон Френеля. Пусть внешняя
граница m
-й
зоны выделяет на волновой поверхности
сферический сегмент высоты
.
Обозначив площадь этого сегмента через
,
найдем, что, площадьm
-й
зоны Френеля равна
.
Из рисунка видно, что.
После несложных преобразований,
учитывая
и
,
получим
.
Площадь сферического сегмента и
площадьm
-й
зоны Френеля соответственно равны
,
. (3)
Таким образом, при не слишком
большихm
площади зон
Френеля одинаковы. Согласно предположению
Френеля, действие отдельных зон в точкеP
тем меньше, чем больше
угол
между нормальюn
к поверхности зоны и направлением
наP
, т.е. действие зон
постепенно убывает от центральной к
периферийным. Кроме того, интенсивность
излучения в направлении точкиP
уменьшается с ростомm
и вследствие увеличения расстояния от
зоны до точкиP
.
Таким образом, амплитуды колебаний
образуют монотонно убывающую
последовательность
Общее число зон Френеля, умещающихся
на полусфере, очень велико; например,
при
и
число зон достигает~10 6 .
Это означает, что амплитуда убывает
очень медленно и поэтому можно приближенно
считать
. (4)
Тогда выражение (2) после перегруппировки
суммируется
, (5) так как выражения в скобках, согласно (4), равны нулю, а вклад последнего слагаемого ничтожно мал. Таким образом, амплитуда результирующих колебаний в произвольной точкеP определяется как бы половинным действием центральной зоны Френеля.
При не слишком больших m
высота сегмента
,
поэтому можно считать, что
.
Подставив значение для
,
получим для радиуса внешней границыm
-й
зоны
. (6)
При
и
радиус первой (центральной) зоны
.
Следовательно, распространение света
отS
кP
происходит так, как если бы световой
поток шел внутри очень узкого канала
вдольSP
, т.е. прямолинейно.
Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально. Для этого используются зонная пластинка – в простейшем случае стеклянная пластинка, состоящая из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец, с радиусами зон Френеля заданной конфигурации. Если поместить зонную пластинку в строго определенном месте (на расстоянии a от точечного источника и на расстоянииb от точки наблюдения), то результирующая амплитуда будет больше, чем при полностью открытом волновом фронте.
Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дифракция Френеля наблюдается на конечном расстоянии от препятствия, вызвавшего дифракцию, в данном случае экрана с отверстием. Сферическая волна, распространяющаяся от точечного источникаS , встречает на своем пути экран с отверстием. Дифракционная картина наблюдается на экране, параллельном экрану с отверстием. Ее вид зависит от расстояния между отверстием и экраном (для данного диаметра отверстия). Проще определить амплитуду световых колебаний в центре картины. Для этого разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля. Амплитуда колебания, возбуждаемая всеми зонами равна
, (7)
где знак плюс отвечает нечетнымm
и минус – четнымm
.
Когда отверстие открывает нечетное
число зон Френеля, то амплитуда
(интенсивность) в центральной точке
будет больше, чем при свободном
распространении волны; если четное то
амплитуда (интенсивность) будет равна
нулю. Например, если отверстие открывает
одну зону Френеля, амплитуда
,
то интенсивность (
)
больше в четыре раза.
Расчет амплитуды колебания на внеосевых участках экрана более сложен, так как соответствующие зоны Френеля частично перекрываются непрозрачным экраном. Качественно ясно, что дифракционная картина будет иметь вид чередующихся темных и светлых колец с общим центром (если m четное, то в центре будет темное кольцо, еслиm нечетное – то светлое пятно), причем интенсивность в максимумах убывает с расстоянием от центра картины. Если отверстие освещается не монохроматическим светом, а белым светом, то кольца окрашены.
Рассмотрим предельные случаи. Если
отверстие открывает лишь часть
центральной зоны Френеля, на экране
получается размытое светлое пятно;
чередования светлых и темных колец в
этом случае не возникает. Если отверстие
открывает большое число зон, то
и амплитуда в центре
,
т.е. такая же, как и при полностью открытом
волновом фронте; чередование светлых
и темных колец происходит лишь в очень
узкой области на границе геометрической
тени. Фактически дифракционная картина
не наблюдается, и распространение света,
по сути, является прямолинейным.
Дифракция Френеля на диске. Сферическая волна, распространяющаяся от точечного источникаS , встречает на своем пути диск (рис.). Дифракционная картина, наблюдаемая на экране, является центрально симметричной. Определим амплитуду световых колебаний в центре. Пусть диск закрываетm первых зон Френеля. Тогда амплитуда колебаний равна
или
, (8)
так как выражения, стоящие в скобках,
равны нулю. Следовательно, в центре
всегда наблюдается дифракционный
максимум (светлое пятно), соответствующий
половине действия первой открытой зоны
Френеля. Центральный максимум окружен
концентрическими с ним темными и светлыми
кольцами. При небольшом числе закрытых
зон амплитуда
мало отличается от
.
Поэтому интенсивность в центре будет
почти такая же, как при отсутствии диска.
Изменение освещенности экрана с
расстоянием от центра картины изображено
на рис.
Рассмотрим предельные случаи. Если диск
закрывает лишь небольшую часть центральной
зоны Френеля, он совсем не отбрасывает
тени – освещенность экрана всюду
остается такой же, как при отсутствии
диска. Если диск закрывает много зон
Френеля, чередование светлых и темных
колец наблюдается только в узкой области
на границе геометрической тени. В этом
случае
,
так что светлое пятно в центре отсутствует,
и освещенность в области геометрической
тени практически всюду равна нулю.
Фактически дифракционная картина не
наблюдается, и распространение света
является прямолинейным.
Дифракция Фраунгофера на одной щели. Пусть плоская монохроматическая волна падает нормально плоскости узкой щели ширинойa . Оптическая разность хода между крайними лучами, идущими от щели в некотором направлении
.
Разобьем открытую часть волновой
поверхности в плоскости щели на зоны
Френеля, имеющие вид равновеликих полос,
параллельных щели. Так как ширина каждой
зоны выбирается такой, чтобы разность
хода от краев этих зон была равна
,
то на ширине щели уместится
зон. Амплитуды вторичных волн в плоскости
щели будут равны, так как зоны Френеля
имеют одинаковые площади и одинаково
наклонены к направлению наблюдения.
Фазы колебаний от пары соседних зон
Френеля отличаются на,
поэтому, суммарная амплитуда этих
колебаний равна нулю.
Если число зон Френеля четное, то
, (9а)
и в точкеB
наблюдается минимум освещенности
(темный участок), если же число зон
Френеля нечетное, то
(9б)
и
наблюдается близкая к максимуму
освещенность, соответствующей действию
одной нескомпенсированной зоны Френеля.
В направлении
щель действует, как одна зона Френеля,
и в этом направлении наблюдается
наибольшая освещенность, точке
соответствует центральный или главный
максимум освещенности.
Расчет освещенности в зависимости от направления дает
, (10)
где
– освещенность в середине дифракционной
картины (против центра линзы),
– освещенность в точке, положение
которой определяется направлением.
График функции (10) изображен на рис.
Максимумы освещенности соответствуют
значениям,
удовлетворяющие условиям
,
,
и т.д.
Вместо этих условий для максимумов
приближенно можно пользоваться
соотношением (9б), дающим близкие значения
углов. Величина вторичных максимумов
быстро убывает. Численные значения
интенсивностей главного и следующих
максимумов относятся как
и т.д.,
т.е. основная часть световой
энергии, прошедшей через щель, сосредоточена
в главном максимуме.
Сужение щели приводит к тому, что
центральный максимум расплывается, а
его освещенность уменьшается. Наоборот,
чем щель шире, тем картина ярче, но
дифракционные полосы уже, а число самих
полос больше. При
в центре получается резкое изображение
источника света, т.е. имеет место
прямолинейное распространение света.
