Пример за проявление на дифракция е. Училищна енциклопедия

Характеристики на дифракцията на светлината като набор от явления, които са причинени от вълновата природа на светлината, докато се разпространява в среда. Нарушаване на симетрията на разпределението на смущенията в напречна вълна. Същност на дифракционните ефекти и поляризацията на вълната.

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru/

Дифракцията на светлината е съвкупност от явления, които се дължат на вълновата природа на светлината и се наблюдават при нейното разпространение в среда с ясно изразени нееднородности (например при преминаване през дупки в непрозрачни екрани, близо до границите на непрозрачни тела и др.). ) В по-тесен смисъл под дифракция се разбира явлението на огъване на светлината около малки препятствия, т.е. отклонения от законите на геометричната оптика и, следователно, проникването на светлина в областта на геометричната сянка.

Френел обяснява дифракцията на светлината в резултат на интерференция на вторични вълни според принципа на Хюйгенс-Френел. [Принципът на Хюйгенс-Френел е приблизителен метод за решаване на проблеми с разпространението на вълни, особено светлинни вълни. Според принципа на Хюйгенс-Френел всеки елемент от повърхността, до който вълната е достигнала в даден момент, е център на елементарни вълни, чиято обвивка ще бъде вълновата повърхност в следващия момент от времето. на разпространяваща се вълна може да бъде представена във всеки момент от време чрез обвивката на всички вторични (елементарни) вълни, Фиг.1. Източници на вторични вълни са точките, до които е достигнал фронтът на първичната вълна в предходния момент от времето. Предполага се, че вторичните вълни се излъчват само “напред”, т.е. в посоки, сключващи остри ъгли с посоката на външната нормала към предната част на първичната вълна. Принципът на Хюйгенс ни позволява да обясним законите на отражението и пречупването на светлината, но не е достатъчен, за да обясним дифракционния модел.

дифракционна светлинна поляризационна вълна

В по-широка интерпретация дифракцията се свързва с много широк спектър от явления, които възникват при разпространението на вълни в нехомогенни среди, както и при разпространение на вълни, ограничени в пространството. Дифракцията е тясно свързана с явлението интерференция - взаимно усилване или отслабване на амплитудата на две или повече кохерентни вълни, които се разпространяват едновременно в пространството. Придружен от редуване на максимуми и минимуми на интензивност в пространството. Резултатът от интерференцията (интерференционна картина - холограма) зависи от фазовата разлика на припокриващите се вълни. интерференция в тънки слоеве (метод на разделяне на вълновия фронт), при който се добавят електромагнитни вълни, отразени от две повърхности. В зависимост от съотношението между дебелината на филма и дължината на вълната на лъчението се наблюдава увеличаване или намаляване на цвета.

При осветяване с бяла светлина (смес от различни дължини на вълната) се появява зависещо от дебелината оцветяване на филма (например дъгови петна върху нефтено петно ​​във вода). Описаният метод на оцветяване се използва в природата: пъстрите цветове на крилете на пеперудата не се дължат на наличието на оцветяващ пигмент, а на намесата на светлината в тънките прозрачни люспи на крилата. В технологията интерферентните покрития се използват за създаване на огледала с висока отразяваща способност („диелектрични огледала“) и за осветяване на оптика (намаляване на вълните, отразени от множество повърхности на лещи на сложни лещи). Високата чувствителност на наблюдавания модел на разпределение на интензитета към разликата в пътя на интерфериращите лъчи е в основата на цял клас свръхпрецизни инструменти, наречени интерферометри. Например, измерване на свръхниски скорости на движение (няколко сантиметра на година): плъзгане на ледници, континентален дрейф и др.

Производството на висококачествени холограми стана възможно след създаването на лазери - мощни източници на монохроматично лъчение, способни да създават стабилна интерферентна картина дори при големи разлики в пътя на интерфериращите лъчи.

Освен това самото явление дифракция често се тълкува като специален случай на интерференция (интерференция на вторични вълни.

Широко разпространение получиха високочувствителни спектрални инструменти с дифракционна решетка като диспергиращ елемент (монохроматори, спектрографи, спектрофотометри и др.), използващи явлението дифракция на светлината. Дифракцията на ултразвукови вълни в прозрачни среди позволява да се определят еластичните константи на веществото, както и да се създават акустооптични светлинни модулатори.

Обхватът на практическото приложение на устройства, базирани на квантови оптични явления, е много широк - фотоелементи и фотоумножители, усилватели на яркостта на изображението (електронно-оптични преобразуватели), предавателни телевизионни тръби и др. Фотоклетките се използват не само за регистриране на радиация, но и като устройства, които преобразуват лъчистата енергия на Слънцето в електричество за захранване на електрическо, радио и друго оборудване (т.нар. слънчеви панели). На базата на фотохромни материали се разработват нови системи за запис и съхраняване на информация за нуждите на компютърната техника и са създадени защитни светлинни филтри с автоматично увеличаване на поглъщането на светлината с увеличаване на нейния интензитет. Производството на мощни потоци монохроматично лазерно лъчение с различни дължини на вълната отвори пътя за развитието на оптични методи за разделяне на изотопи и стимулиране на насоченото протичане на химични реакции и направи възможно намирането на нови, нетрадиционни приложения в биофизиката (ефектът на лазера светлинни потоци върху биологични обекти на молекулярно ниво) и медицина (вж. Лазерно лъчение). В технологията използването на лазери доведе до появата на оптични методи за обработка на материали

Дифракцията на вълните се наблюдава независимо от тяхната природа и може да се прояви:

· в трансформацията на пространствената структура на вълните. В някои случаи такава трансформация може да се разглежда като вълни, които се „огъват около“ препятствия, в други случаи - като разширяване на ъгъла на разпространение на вълновите лъчи или тяхното отклонение в определена посока;

· при разлагането на вълните според честотния им спектър;

Нютон въвежда термина спектър в научна употреба през 1671-1672 г., за да обозначи многоцветна лента, подобна на дъга, която се получава, когато слънчев лъч преминава през триъгълна стъклена призма. Например, дъга се появява, когато Слънцето освети завеса от дъжд. Когато дъждът утихне и след това спре, дъгата избледнява и постепенно изчезва. Цветовете, наблюдавани в дъгата, се редуват в същата последователност, както в спектъра, получен чрез преминаване на лъч слънчева светлина през призма.

· в трансформацията на вълновата поляризация;

Поляризацията на вълната е явлението за нарушаване на симетрията на разпределението на смущенията в напречна вълна (например силата на електрическите и магнитните полета в електромагнитните вълни) спрямо посоката на нейното разпространение. При надлъжна вълна поляризация не може да възникне, тъй като смущенията в този тип вълна винаги съвпадат с посоката на разпространение. Най-често това явление се използва за създаване на различни оптични ефекти, както и в 3D кино (IMAX технология), където поляризацията се използва за разделяне на изображения, предназначени за дясното и лявото око.

· при промяна на фазовата структура на вълните.

Дифракционните ефекти зависят от връзката между дължината на вълната и характерния размер на нехомогенностите в средата или нехомогенностите в структурата на самата вълна. В природата пример за дифракция са миражите – това са отражения на някакви неща или явления върху повърхността на горещ пясък, асфалт, море и др. Това се случва, защото температурата е различна в различните слоеве въздух и температурната разлика действа като огледало. Миражът е нещо различно от отразени обекти или явления, които приемаме за реалност.

Полярните сияния се появяват в резултат на бомбардирането на горните слоеве на атмосферата от заредени частици, движещи се към Земята по линиите на геомагнитното поле от област на околоземното пространство, наречена плазмен слой. Проекцията на плазмения слой по линиите на геомагнитното поле върху земната атмосфера има формата на пръстени, обграждащи северния и южния магнитни полюси

списъклитература

Мирошников М.М. Теоретични основи на оптико-електронните устройства: учебник за университетите по приборостроене. - 2-ро издание, преработено. и допълнителни - Санкт Петербург: Машиностроене, 2003 - 696 с.

Роден М., Волф Е. Основи на оптиката. - М.: Наука, 1970. - 856 с.

Уикипедия

Публикувано на Allbest.ru

Подобни документи

Теория на явлението. Дифракцията е съвкупност от явления при разпространението на светлината в среда с резки нееднородности. Намиране и изследване на функцията на разпределение на интензитета на светлината по време на дифракция от кръгъл отвор. Математически модел на дифракция.

курсова работа, добавена на 28.09.2007 г


Основи на теорията на дифракцията на светлината. Експерименти по дифракция на светлината, условия за нейното възникване. Характеристики на дифракцията на равнинни вълни. Описание на разпространението на електромагнитни вълни с помощта на принципа на Хюйгенс-Френел. Дифракция на Фраунхофер от апертура.

презентация, добавена на 23.08.2013 г


Преглед на дифракцията на събиращ се лъч (Френел). Правила за дифракция на светлинни вълни от кръгъл отвор и диск. Дифракционна диаграма на Фраунхофер. Изследване на разпределението на интензитета на светлината върху екрана. Определяне на характерни параметри на дифракционната картина.

презентация, добавена на 24.09.2013 г


Дифракция на механични вълни. Връзката между явленията на светлинна интерференция на примера на експеримента на Юнг. Принципът на Хюйгенс-Френел, който е основният постулат на вълновата теория, позволяващ обяснението на дифракционните явления. Граници на приложимост на геометричната оптика.

презентация, добавена на 18.11.2014 г


Изследването на разпределението на интензитета на светлината върху екрана, за да се получи информация за свойствата на светлинната вълна, е задачата на изследването на дифракцията на светлината. Принцип на Хюйгенс-Френел. Зонов метод на Френел, увеличаване на интензитета на светлината с помощта на зонова плоча.

презентация, добавена на 18.04.2013 г


Изследване на дифракцията, явленията на отклонение на светлината от праволинейната посока на разпространение при преминаване в близост до препятствия. Характеристики на огъване на светлинни вълни около границите на непрозрачни тела и проникване на светлина в областта на геометрична сянка.

презентация, добавена на 06/07/2011


Концепцията за дифракция на светлинни вълни. Разпределение на интензитета на светлината в дифракционната картина, когато процепът е осветен от паралелен лъч монохроматична светлина. Дифракционна решетка, принцип на Хюйгенс-Френел, зонов метод. Дифракция на Фраунхофер с един прорез.

резюме, добавено на 07.09.2010 г


Анализ на теориите за разпространение на електромагнитни вълни. Характеристики на дисперсията, интерференцията и поляризацията на светлината. Методология за изследване на дифракцията на Фраунхофер при два процепа. Влиянието на дифракцията върху разделителната способност на оптичните инструменти.

курсова работа, добавена на 19.01.2015 г


Изследване на явления на интерференция и дифракция. Експериментални факти, показващи напречната природа на светлинните вълни. Заключение за съществуването на електромагнитни вълни, електромагнитна теория на светлината. Пространствена структура на елиптично поляризирана вълна.

презентация, добавена на 11.12.2009 г


Изследване на разпределението на интензитета на светлината върху екрана с цел получаване на информация за свойствата на светлинната вълна. Основни видове дифракция. Обяснение на проникването на светлинни вълни в областта на геометричната сянка с помощта на принципа на Хюйгенс. Метод на фон Френел.

Теми на кодификатора на Единния държавен изпит: дифракция на светлината, дифракционна решетка.

Ако на пътя на вълната се появи препятствие, тогава дифракция - отклонение на вълната от праволинейно разпространение. Това отклонение не може да се сведе до отражение или пречупване, както и кривината на пътя на лъчите поради промяна в индекса на пречупване на средата.Дифракцията се състои от факта, че вълната се огъва около ръба на препятствието и навлиза в област на геометричната сянка.

Нека, например, плоска вълна падне върху екран с доста тесен процеп (фиг. 1). На изхода от процепа се появява разминаваща се вълна и това разминаване се увеличава с намаляване на ширината на процепа.

Като цяло дифракционните явления се изразяват по-ясно, колкото по-малко е препятствието. Дифракцията е най-значима в случаите, когато размерът на препятствието е по-малък или от порядъка на дължината на вълната. Именно на това условие трябва да отговаря ширината на прореза на фиг. 1.

Дифракцията, подобно на интерференцията, е характерна за всички видове вълни - механични и електромагнитни. Видимата светлина е специален случай на електромагнитните вълни; следователно не е изненадващо, че човек може да наблюдава
дифракция на светлината.

И така, на фиг. Фигура 2 показва дифракционната картина, получена в резултат на преминаване на лазерен лъч през малък отвор с диаметър 0,2 mm.

Виждаме, както се очаква, централно светло петно; Много далеч от петното има тъмна зона - геометрична сянка. Но около централното място - вместо ясна граница на светлина и сянка! - има редуващи се светли и тъмни пръстени. Колкото по-далеч от центъра, толкова по-малко ярки стават светлинните пръстени; те постепенно изчезват в зоната на сянка.

Напомня ми за намеса, нали? Това е тя; тези пръстени са максимуми и минимуми на интерференция. Какви вълни се намесват тук? Скоро ще се занимаем с този въпрос и в същото време ще разберем защо изобщо се наблюдава дифракция.

Но първо, не може да не споменем първия класически експеримент за интерференция на светлината - експериментът на Йънг, в който феноменът на дифракцията беше значително използван.

Опитът на Юнг.

Всеки експеримент с интерференция на светлина съдържа някакъв метод за създаване на две кохерентни светлинни вълни. В експеримента с френелови огледала, както си спомняте, кохерентни източници бяха две изображения на един и същи източник, получени и в двете огледала.

Най-простата идея, която ми хрумна първо, беше тази. Нека пробием две дупки в парче картон и да го изложим на слънчевите лъчи. Тези дупки ще бъдат кохерентни вторични източници на светлина, тъй като има само един първичен източник - Слънцето. Следователно на екрана в зоната на припокриване на лъчите, отклоняващи се от дупките, трябва да видим интерференчен модел.

Такъв експеримент е бил проведен много преди Юнг от италианския учен Франческо Грималди (открил дифракцията на светлината). Въпреки това не се наблюдава никаква намеса. Защо? Този въпрос не е много прост и причината е, че Слънцето не е точка, а разширен източник на светлина (ъгловият размер на Слънцето е 30 дъгови минути). Слънчевият диск се състои от много точкови източници, всеки от които произвежда своя собствена интерферентна картина на екрана. Припокривайки се, тези индивидуални модели се „размазват“ един друг и в резултат на това екранът произвежда равномерно осветяване на зоната, където лъчите се припокриват.

Но ако Слънцето е прекалено „голямо“, тогава е необходимо да се създаде изкуствено мястопървоизточник. За тази цел експериментът на Йънг използва малък предварителен отвор (фиг. 3).

Ориз. 3. Диаграма на опита на Юнг

Върху първия отвор пада плоска вълна, а зад отвора се появява светлинен конус, разширяващ се поради дифракция. Той достига до следващите две дупки, които стават източници на два кохерентни светлинни конуса. Сега - благодарение на точковия характер на първичния източник - ще се наблюдава интерференчен модел в областта, където конусите се припокриват!

Томас Йънг извърши този експеримент, измери ширината на интерферентните ивици, изведе формула и използвайки тази формула за първи път изчисли дължините на вълните на видимата светлина. Ето защо този експеримент е един от най-известните в историята на физиката.

Принцип на Хюйгенс-Френел.

Нека си припомним формулировката на принципа на Хюйгенс: всяка точка, участваща във вълновия процес, е източник на вторични сферични вълни; тези вълни се разпространяват от дадена точка, сякаш от център, във всички посоки и се припокриват.

Но възниква естествен въпрос: какво означава „припокриване“?

Хюйгенс сведе своя принцип до чисто геометричен метод за конструиране на нова вълнова повърхност като обвивка на семейство сфери, разширяващи се от всяка точка на оригиналната вълнова повърхност. Вторичните вълни на Хюйгенс са математически сфери, а не реални вълни; техният общ ефект се проявява само върху обвивката, т.е. върху новото положение на вълновата повърхност.

В тази форма принципът на Хюйгенс не отговаря на въпроса защо вълна, движеща се в обратна посока, не възниква по време на разпространението на вълна. Дифракционните явления също останаха необяснени.

Модифицирането на принципа на Хюйгенс става едва 137 години по-късно. Августин Френел замени спомагателните геометрични сфери на Хюйгенс с истински вълни и предположи, че тези вълни меся сезаедно.

Принцип на Хюйгенс-Френел. Всяка точка от вълновата повърхност служи като източник на вторични сферични вълни. Всички тези вторични вълни са кохерентни поради общия им произход от първичния източник (и следователно могат да си взаимодействат); вълновият процес в околното пространство е резултат от интерференцията на вторични вълни.

Идеята на Френел изпълва принципа на Хюйгенс с физически смисъл. Вторичните вълни, интерферирайки, се подсилват една друга върху обвивката на своите вълнови повърхности в посока „напред“, осигурявайки по-нататъшно разпространение на вълната. И в посока „назад“ те се намесват в оригиналната вълна, наблюдава се взаимно отмяна и обратна вълна не възниква.

По-специално, светлината се разпространява там, където вторичните вълни се усилват взаимно. И на местата, където вторичните вълни отслабват, ще видим тъмни области на пространството.

Принципът на Хюйгенс-Френел изразява важна физическа идея: вълна, отдалечена от своя източник, впоследствие „живее свой собствен живот“ и вече не зависи от този източник. Улавяйки нови области от пространството, вълната се разпространява все по-далеч поради интерференцията на вторични вълни, възбудени в различни точки на пространството, докато вълната преминава.

Как принципът на Хюйгенс-Френел обяснява явлението дифракция? Защо например се получава дифракция в дупка? Факт е, че от безкрайната плоска вълнова повърхност на падащата вълна отворът на екрана изрязва само малък светещ диск, а последващото светлинно поле се получава в резултат на интерференция на вълни от вторични източници, разположени не на цялата равнина , но само на този диск. Естествено, новите вълнови повърхности вече няма да бъдат плоски; пътят на лъчите се огъва и вълната започва да се разпространява в различни посоки, които не съвпадат с първоначалната. Вълната обикаля ръбовете на дупката и прониква в зоната на геометричната сянка.

Вторичните вълни, излъчвани от различни точки на изрязания светлинен диск, се намесват една в друга. Резултатът от интерференцията се определя от фазовата разлика на вторичните вълни и зависи от ъгъла на отклонение на лъчите. В резултат на това възниква редуване на максимуми и минимуми на интерференция - което видяхме на фиг. 2.

Френел не само допълни принципа на Хюйгенс с важната идея за кохерентност и интерференция на вторичните вълни, но също така излезе с известния си метод за решаване на проблеми с дифракцията, основан на изграждането на т.нар. Зони на Френел. Изучаването на зоните на Френел не е включено в училищната програма - ще научите за тях в курс по физика в университета. Тук само ще споменем, че Френел в рамките на своята теория успя да даде обяснение на първия ни закон на геометричната оптика - закона за праволинейното разпространение на светлината.

Дифракционна решетка.

Дифракционната решетка е оптично устройство, което ви позволява да разлагате светлината на спектрални компоненти и да измервате дължини на вълните. Дифракционните решетки са прозрачни и отразяващи.

Ще разгледаме прозрачна дифракционна решетка. Състои се от голям брой слотове с ширина , разделени от интервали с ширина (фиг. 4). Светлината преминава само през прорези; пролуките не позволяват на светлината да преминава. Количеството се нарича период на решетка.

Ориз. 4. Дифракционна решетка

Дифракционната решетка се прави с помощта на така наречената разделителна машина, която нанася ивици върху повърхността на стъкло или прозрачно фолио. В този случай щрихите се оказват непрозрачни пространства, а недокоснатите места служат като пукнатини. Ако, например, дифракционна решетка съдържа 100 линии на милиметър, тогава периодът на такава решетка ще бъде равен на: d = 0,01 mm = 10 микрона.

Първо ще разгледаме как монохроматичната светлина, тоест светлината със строго определена дължина на вълната, преминава през решетката. Отличен пример за монохроматична светлина е лъчът на лазерна показалка с дължина на вълната около 0,65 микрона).

На фиг. На фиг. 5 виждаме такъв лъч, падащ върху една от стандартните дифракционни решетки. Прорезите на решетката са разположени вертикално, а на екрана зад решетката се наблюдават периодично разположени вертикални ивици.

Както вече разбрахте, това е модел на смущение. Дифракционна решетка разделя падащата вълна на много кохерентни лъчи, които се разпространяват във всички посоки и си взаимодействат. Следователно на екрана виждаме редуване на интерференционни максимуми и минимуми - светли и тъмни ивици.

Теорията на дифракционните решетки е много сложна и в своята цялост е далеч извън обхвата на училищната програма. Трябва да знаете само най-основните неща, свързани с една единствена формула; тази формула описва позициите на максималното осветяване на екрана зад дифракционната решетка.

И така, нека плоска монохроматична вълна пада върху дифракционна решетка с период (фиг. 6). Дължината на вълната е .

Ориз. 6. Дифракция на решетка

За да направите интерферентния модел по-ясен, можете да поставите леща между решетката и екрана и да поставите екрана във фокалната равнина на лещата. Тогава вторичните вълни, пътуващи успоредно от различни прорези, ще се съберат в една точка на екрана (страничният фокус на лещата). Ако екранът е разположен достатъчно далеч, тогава няма специална нужда от леща - лъчите, пристигащи в дадена точка на екрана от различни процепи, вече ще бъдат почти успоредни един на друг.

Нека разгледаме вторичните вълни, отклоняващи се под ъгъл Разликата в пътя между две вълни, идващи от съседни прорези, е равна на малкия катет на правоъгълен триъгълник с хипотенузата; или, което е същото нещо, тази пътна разлика е равна на катета на триъгълника. Но ъгълът е равен на ъгъла, тъй като това са остри ъгли с взаимно перпендикулярни страни. Следователно нашата пътна разлика е равна на .

Интерференционни максимуми се наблюдават в случаите, когато разликата в пътя е равна на цяло число дължини на вълната:

(1)

Ако това условие е изпълнено, всички вълни, пристигащи в точка от различни процепи, ще се сумират във фаза и ще се подсилват взаимно. В този случай лещата не въвежда допълнителна разлика в пътя - въпреки факта, че различни лъчи преминават през лещата по различни пътища. Защо това се случва? Няма да навлизаме в този въпрос, тъй като обсъждането му надхвърля обхвата на Единния държавен изпит по физика.

Формула (1) ви позволява да намерите ъглите, които определят посоките към максимумите:

. (2)

Когато го получим централен максимум, или максимум от нулев порядък.Разликата в пътя на всички вторични вълни, пътуващи без отклонение, е равна на нула, а при централния максимум те се сумират с нулево фазово изместване. Централният максимум е центърът на дифракционната картина, най-яркият от максимумите. Дифракционната картина на екрана е симетрична спрямо централния максимум.

Когато получим ъгъла:

Този ъгъл определя посоките за максимуми от първи ред. Те са два и са разположени симетрично спрямо централния максимум. Яркостта в максимумите от първи ред е малко по-малка, отколкото в централния максимум.

По същия начин при имаме ъгъла:

Той дава указания на максимуми от втори ред. Те също са две и също са разположени симетрично спрямо централния максимум. Яркостта в максимумите от втори ред е малко по-малка, отколкото в максимумите от първи ред.

Приблизителна картина на посоките към максимумите на първите два реда е показана на фиг. 7.

Ориз. 7. Максимуми на първите два разреда

Като цяло два симетрични максимума к-редът се определя от ъгъла:

. (3)

Когато са малки, съответните ъгли обикновено са малки. Например при μm и μm максимумите от първи ред са разположени под ъгъл. к- редът постепенно намалява с растежа к. Колко максимума можете да видите? На този въпрос е лесно да се отговори с формула (2). В крайна сметка синусът не може да бъде по-голям от едно, следователно:

Използвайки същите числови данни като по-горе, получаваме: . Следователно най-високият възможен максимален ред за дадена решетка е 15.

Погледнете отново фиг. 5. На екрана виждаме 11 максимума. Това е централният максимум, както и два максимума от първи, втори, трети, четвърти и пети ред.

С помощта на дифракционна решетка можете да измерите неизвестна дължина на вълната. Насочваме лъч светлина върху решетката (чийто период знаем), измерваме ъгъла при максимума на първия
ред, използваме формула (1) и получаваме:

Дифракционната решетка като спектрално устройство.

По-горе разгледахме дифракцията на монохроматична светлина, която е лазерен лъч. Често трябва да се справите с неедноцветенрадиация. Това е смес от различни монохроматични вълни, които съставят диапазонот това лъчение. Например бялата светлина е смес от вълни в целия видим диапазон, от червено до виолетово.

Оптичното устройство се нарича спектрален, ако ви позволява да разлагате светлината на монохроматични компоненти и по този начин да изучавате спектралния състав на радиацията. Най-простият спектрален уред ви е добре познат - това е стъклена призма. Спектралните устройства включват и дифракционна решетка.

Да приемем, че върху дифракционна решетка пада бяла светлина. Да се ​​върнем към формула (2) и да помислим какви изводи могат да се направят от нея.

Позицията на централния максимум () не зависи от дължината на вълната. В центъра на дифракционната картина те ще се сближат с нулева разлика в пътя всичкомонохроматични компоненти на бялата светлина. Следователно в централния максимум ще видим ярка бяла ивица.

Но позициите на максимумите на порядъка се определят от дължината на вълната. Колкото по-малък е , толкова по-малък е ъгълът за даден . Следователно, на максимум кМонохроматичните вълни от ти ред са разделени в пространството: виолетовата ивица ще бъде най-близо до централния максимум, червената ивица ще бъде най-далече.

Следователно във всеки ред бялата светлина се разпределя от решетка в спектър.
Максимумите от първи ред на всички монохроматични компоненти образуват спектър от първи ред; след това има спектри от втория, третия и т.н. Спектърът на всеки орден има формата на цветна лента, в която присъстват всички цветове на дъгата - от виолетово до червено.

Дифракцията на бялата светлина е показана на фиг. 8 . Виждаме бяла ивица в централния максимум, а отстрани има два спектъра от първи ред. С увеличаване на ъгъла на отклонение цветът на ивиците се променя от лилав на червен.

Но дифракционната решетка позволява не само да се наблюдават спектри, т.е. да се извърши качествен анализ на спектралния състав на радиацията. Най-важното предимство на дифракционната решетка е възможността за количествен анализ - както бе споменато по-горе, с нейна помощ можем за измерванедължини на вълните. В този случай процедурата за измерване е много проста: всъщност се свежда до измерване на ъгъла на посоката до максимум.

Естествени примери за дифракционни решетки, открити в природата, са птичи пера, крила на пеперуда и седефената повърхност на морска мида. Ако присвиете очи и погледнете слънчевата светлина, можете да видите цвят на дъгата около миглите. Нашите мигли действат в този случай като прозрачна дифракционна решетка на фиг. 6, а лещата е оптичната система на роговицата и лещата.

Спектралното разлагане на бялата светлина, дадено от дифракционна решетка, се наблюдава най-лесно, като се гледа обикновен компакт диск (фиг. 9). Оказва се, че следите по повърхността на диска образуват отразяваща дифракционна решетка!

Дифракцията на светлината е явлението на отклонение на светлината от линейно разпространение в среда с резки нееднородности, т.е. светлинните вълни се огъват около препятствията, но при условие, че размерите на последните са сравними с дължината на светлинната вълна. За червената светлина дължината на вълната е λкр≈8∙10 -7 м, а за виолетовата светлина - λ f ≈4∙10 -7 м. Явлението дифракция се наблюдава на разстояния лот препятствие, където D е линейният размер на препятствието, λ е дължината на вълната. И така, за да се наблюдава явлението дифракция, е необходимо да се изпълнят определени изисквания за размера на препятствията, разстоянията от препятствието до източника на светлина, както и мощността на източника на светлина. На фиг. Фигура 1 показва снимки на дифракционни модели от различни препятствия: а) тънка тел, б) кръгъл отвор, в) кръгъл екран.

Ориз. 1

За решаване на проблеми с дифракцията - намиране на разпределението на екрана на интензитетите на светлинна вълна, разпространяваща се в среда с препятствия - се използват приблизителни методи, базирани на принципите на Хюйгенс и Хюйгенс-Френел.

Принцип на Хюйгенс:всяка точка S 1, S 2,…,S n от фронта на вълната АВ (фиг. 2) е източник на нови, вторични вълни. Нова позиция на фронта на вълната A 1 B 1 след време
представлява повърхността на обвивката на вторичните вълни.

Принцип на Хюйгенс-Френел:всички вторични източници S 1, S 2,…,S n, разположени на повърхността на вълната, са кохерентни един с друг, т.е. имат еднаква дължина на вълната и постоянна фазова разлика. Амплитудата и фазата на вълната във всяка точка на М пространството е резултат от интерференцията на вълни, излъчвани от вторични източници (фиг. 3).

Ориз. 2

Ориз. 3

Праволинейното разпространение на лъч SM (фиг. 3), излъчен от източник S в хомогенна среда, се обяснява с принципа на Хюйгенс-Френел. Всички вторични вълни, излъчвани от вторични източници, разположени на повърхността на фронта на вълната AB, се елиминират в резултат на интерференция, с изключение на вълните от източници, разположени в малка част от сегмента аб, перпендикулярна на SM. Светлината се движи по тесен конус с много малка основа, т.е. почти право напред.

Дифракционна решетка.

Явлението дифракция е в основата на дизайна на забележително оптично устройство - дифракционна решетка. Дифракционна решеткав оптиката е съвкупност от голям брой препятствия и дупки, концентрирани в ограничено пространство, върху което се получава дифракция на светлината.

Най-простата дифракционна решетка е система от N еднакви успоредни процепа в плосък непрозрачен екран. Добрата решетка се прави с помощта на специална машина за разделяне, която нанася успоредни удари върху специална плоча. Броят на ударите достига няколко хиляди на 1 mm; общият брой удари надхвърля 100 000 (фиг. 4).

Фиг.5

Ориз. 4

Ако ширината на прозрачните пространства (или отразяващите ивици) б,и ширината на непрозрачните пространства (или светлоразсейващите ивици) а, след това стойността d=b+aНаречен константа (период) на дифракционната решетка(фиг. 5).

Според принципа на Хюйгенс-Френел всяка прозрачна празнина (или процеп) е източник на кохерентни вторични вълни, които могат да си взаимодействат. Ако лъч от успоредни светлинни лъчи падне върху дифракционна решетка, перпендикулярна на нея, тогава при ъгъл на дифракция φ на екрана E (фиг. 5), разположен във фокалната равнина на лещата, ще бъде система от дифракционни максимуми и минимуми наблюдавани, в резултат на интерференция на светлина от различни процепи.

Нека намерим условието, при което вълните, идващи от прорезите, се подсилват взаимно. За целта нека разгледаме вълните, разпространяващи се в посока, определена от ъгъла φ (фиг. 5). Разликата в пътя между вълните от краищата на съседни прорези е равна на дължината на сегмента DK=d∙sinφ. Ако този сегмент съдържа цяло число дължини на вълните, тогава вълните от всички прорези, сумирайки се, ще се подсилват взаимно.

Основни върховепри дифракция от решетка се наблюдават под ъгъл φ, отговарящ на условието d∙sinφ=mλ, Където m=0,1,2,3…се нарича ред на главния максимум. величина δ=DK=d∙sinφе разликата в оптичния път между подобни лъчи Б.М.И DN, идващи от съседни пукнатини.

Основни спадовевърху дифракционна решетка се наблюдават при такива ъгли на дифракция φ, за които светлината от различни части на всеки процеп е напълно угаснала в резултат на интерференция. Състоянието на главните максимуми съвпада с условието за затихване при един процеп d∙sinφ=nλ (n=1,2,3…).

Дифракционната решетка е едно от най-простите, доста точни устройства за измерване на дължини на вълните. Ако периодът на решетката е известен, тогава определянето на дължината на вълната се свежда до измерване на ъгъла φ, съответстващ на посоката до максимума.

За да се наблюдават явления, причинени от вълновата природа на светлината, по-специално дифракцията, е необходимо да се използва излъчване, което е силно кохерентно и монохроматично, т.е. лазерно лъчение. Лазерът е източник на плоски електромагнитни вълни.

Двупроцепна дифракция

Дифракция- явление, което възниква при разпространение на вълни (например светлинни и звукови вълни). Същността на това явление е, че вълната може да се огъва около препятствия. Това води до наблюдаване на вълновото движение в зона зад препятствието, където вълната не може да достигне директно. Феноменът се обяснява с интерференция на вълни по краищата на непрозрачни обекти или нехомогенности между различни среди по пътя на разпространение на вълната. Пример за това може да бъде появата на цветни светли ивици в областта на сенките от ръба на непрозрачен екран.

Дифракцията се проявява добре, когато размерът на препятствието по пътя на вълната е сравним с нейната дължина или по-малък.

Акустична дифракция- отклонение от праволинейно разпространение на звуковите вълни.

1. Дифракция на процеп

Схема на образуване на области от светлина и сянка по време на дифракция от процеп

В случай на падане на вълна върху екран с прорез, тя прониква поради дифракция, но се наблюдава отклонение от праволинейното разпространение на лъчите. Интерференцията на вълните зад екрана води до появата на тъмни и светли зони, чието разположение зависи от посоката, в която се наблюдава, разстоянието от екрана и др.

2. Дифракция в природата и техниката

Дифракцията на звуковите вълни често се наблюдава в ежедневието, когато чуваме звуци, които достигат до нас зад препятствия. Лесно е да наблюдавате вълните по водата, които заобикалят малки препятствия.

Научните и технически употреби на явлението дифракция са разнообразни. Дифракционните решетки се използват за разделяне на светлината в спектър и за създаване на огледала (например за полупроводникови лазери). Рентгенова, електронна и неутронна дифракция се използва за изследване на структурата на кристални твърди тела.

Времето на дифракция налага ограничения върху разделителната способност на оптичните инструменти, като микроскопи. Обекти, чиито размери са по-малки от дължината на вълната на видимата светлина (400-760 nm), не могат да бъдат наблюдавани с оптичен микроскоп. Подобно ограничение съществува в литографския метод, който се използва широко в полупроводниковата индустрия за производство на интегрални схеми. Поради това е необходимо да се използват източници на светлина в ултравиолетовата област на спектъра.

3. Дифракция на светлината

Явлението дифракция на светлината ясно потвърждава теорията за корпускулярно-вълновата природа на светлината.

Трудно е да се наблюдава дифракцията на светлината, тъй като вълните се отклоняват от интерференцията под забележими ъгли само при условие, че размерът на препятствията е приблизително равен на дължината на вълната на светлината и е много малък.

За първи път, след като откри интерференция, Йънг извърши експеримент върху дифракцията на светлината, с помощта на който бяха изследвани дължините на вълните, съответстващи на светлинни лъчи с различни цветове. Изследването на дифракцията е завършено в трудовете на О. Френел, който изгражда теорията на дифракцията, която по принцип позволява да се изчисли дифракционната картина, която възниква в резултат на огъване на светлината около всякакви препятствия. Френел постигна такъв успех, като комбинира принципа на Хюйгенс с идеята за интерференция на вторични вълни. Принципът на Хюйгенс-Френел се формулира по следния начин: дифракцията възниква поради интерференция на вторични вълни.

Дойде лек бриз и вълнички (вълна с малка дължина и амплитуда) се затичаха по повърхността на водата, срещайки различни препятствия по пътя си, над повърхността на водата, стъбла на растения, клони на дървета. От подветрената страна зад клона водата е спокойна, няма смущения и вълната се огъва около стъблата на растението.

ВЪЛНОВА ДИФРАКЦИЯ (от лат. дифрактус– счупени) вълни, огъващи се около различни препятствия. Вълновата дифракция е характерна за всяко вълново движение; възниква, ако размерите на препятствието са по-малки от дължината на вълната или сравними с нея.

Дифракцията на светлината е явлението на отклонение на светлината от праволинейната посока на разпространение при преминаване в близост до препятствия. По време на дифракция светлинните вълни се огъват около границите на непрозрачните тела и могат да проникнат в областта на геометричната сянка.
Препятствието може да бъде дупка, празнина или ръб на непрозрачна преграда.

Дифракцията на светлината се проявява във факта, че светлината прониква в областта на геометрична сянка в нарушение на закона за праволинейно разпространение на светлината. Например, пропускайки светлина през малък кръгъл отвор, откриваме по-голямо светло петно ​​на екрана, отколкото би се очаквало при линейно разпространение.

Поради късата дължина на вълната на светлината, ъгълът на отклонение на светлината от посоката на праволинейно разпространение е малък. Следователно, за да наблюдавате ясно дифракцията, е необходимо да използвате много малки препятствия или да поставите екрана далеч от препятствията.

Дифракцията се обяснява на базата на принципа на Хюйгенс-Френел: всяка точка от вълновия фронт е източник на вторични вълни. Дифракционната картина е резултат от интерференцията на вторични светлинни вълни.

Вълните, образувани в точки A и B, са кохерентни. Какво се наблюдава на екрана в точки O, M, N?

Дифракцията се наблюдава ясно само на разстояния

където R е характерните размери на препятствието. При по-къси разстояния се прилагат законите на геометричната оптика.

Феноменът на дифракцията налага ограничение върху разделителната способност на оптичните инструменти (например телескоп). В резултат на това във фокалната равнина на телескопа се образува сложна дифракционна картина.

Дифракционна решетка – представлява съвкупност от голям брой тесни, успоредни, близки една до друга прозрачни до светли зони (прорези), разположени в една и съща равнина, разделени от непрозрачни пространства.

Дифракционните решетки могат да бъдат отразяващи или пропускащи светлина. Принципът на тяхното действие е един и същ. Решетката се изработва с помощта на делителна машина, която прави периодични успоредни удари върху стъклена или метална плоча. Добрата дифракционна решетка съдържа до 100 000 линии. Да обозначим:

а– ширината на прорезите (или светлоотразителните ивици), прозрачни за светлина;
b– ширината на непрозрачните пространства (или зоните, разпръскващи светлината).
величина d = a + bсе нарича период (или константа) на дифракционната решетка.

Дифракционната картина, създадена от решетката, е сложна. Той показва основни максимуми и минимуми, вторични максимуми и допълнителни минимуми, дължащи се на дифракция от процепа.
Основните максимуми, които са тесни ярки линии в спектъра, са от практическо значение при изследване на спектри с помощта на дифракционна решетка. Ако бялата светлина падне върху дифракционна решетка, вълните на всеки цвят, включен в нейния състав, образуват свои собствени дифракционни максимуми. Положението на максимума зависи от дължината на вълната. Нулеви върхове (к = 0 ) за всички дължини на вълните се формират в посоките на падащия лъч (β = 0 ), следователно има централна ярка лента в дифракционния спектър. Вляво и вдясно от него се наблюдават цветни дифракционни максимуми от различен порядък. Тъй като ъгълът на дифракция е пропорционален на дължината на вълната, червените лъчи се отклоняват повече от виолетовите лъчи. Обърнете внимание на разликата в реда на цветовете в дифракционния и призматичния спектър. Благодарение на това дифракционната решетка се използва като спектрален апарат, заедно с призма.

При преминаване през дифракционна решетка светлинна вълна с дължина λ екранът ще покаже последователност от минимуми и максимуми на интензитет. Максимумите на интензитета ще се наблюдават при ъгъл β:

където k е цяло число, наречено ред на дифракционния максимум.

Основно резюме: