Příkladem projevu difrakce je. Školní encyklopedie

Charakteristika difrakce světla jako souboru jevů, které jsou způsobeny vlnovou povahou světla při jeho šíření v prostředí. Porušení symetrie rozložení poruch v příčné vlně. Podstata difrakčních efektů a polarizace vln.

Odeslat svou dobrou práci do znalostní báze je jednoduché. Použijte níže uvedený formulář

Studenti, postgraduální studenti, mladí vědci, kteří využívají znalostní základnu ve svém studiu a práci, vám budou velmi vděční.

Vloženo na http://www.allbest.ru/

Difrakce světla je soubor jevů, které jsou způsobeny vlnovou povahou světla a jsou pozorovány při jeho šíření v prostředí s výraznými nehomogenitami (například při průchodu otvory v neprůhledných clonách, v blízkosti hranic neprůhledných těles atd.). ) V užším slova smyslu je difrakce chápána jako jev ohybu světla kolem malých překážek, tzn. odchylky od zákonů geometrické optiky a následně pronikání světla do oblasti geometrického stínu.

Fresnel vysvětlil difrakci světla jako výsledek interference sekundárních vln podle Huygens-Fresnelova principu. [Huygens-Fresnelův princip je přibližná metoda pro řešení problémů šíření vln, zejména světelných. Podle Huygens-Fresnelova principu je každý prvek povrchu, který vlna v daném okamžiku dosáhla, středem elementárních vln, jejichž obal bude v dalším časovém okamžiku vlnoplocha. šířící se vlny může být v každém okamžiku reprezentována obálkou všech sekundárních (elementárních) vln, obr.1. Zdroje sekundárních vln jsou body, ke kterým čelo primární vlny dosáhlo v předchozím časovém okamžiku. Předpokládá se, že sekundární vlny jsou emitovány pouze „dopředu“, tzn. ve směrech svírajících ostré úhly se směrem vnější normály k přední části primární vlny. Huygensův princip nám umožňuje vysvětlit zákony odrazu a lomu světla, ale nestačí vysvětlit difrakční obrazec.

difrakční světlo polarizační vlna

V širší interpretaci je difrakce spojena s velmi širokým spektrem jevů, které vznikají jak při šíření vlnění v nehomogenních prostředích, tak i při šíření vlnění omezeného prostorem. Difrakce úzce souvisí s fenoménem interference - vzájemného zesílení nebo zeslabení amplitudy dvou nebo více koherentních vln současně šířících se prostorem. Doprovázeno střídáním maxim a minim intenzity v prostoru. Výsledek interference (interferenční obrazec - hologram) závisí na fázovém rozdílu překrývajících se vln. interference v tenkých vrstvách (metoda dělení čela vlny), při které se sčítají elektromagnetické vlny odražené od dvou povrchů. V závislosti na vztahu mezi tloušťkou filmu a vlnovou délkou záření je pozorováno zvýšení nebo snížení barvy.

Při osvětlení bílým světlem (směs různých vlnových délek) se objeví zabarvení filmu závislé na tloušťce (například duhové skvrny na olejové skvrně ve vodě). Popsaná metoda barvení se používá v přírodě: pestré barvy motýlích křídel nejsou způsobeny přítomností barvícího pigmentu, ale interferencí světla v tenkých průhledných šupinách křídel. V technologii se interferenční povlaky používají k vytváření zrcadel s vysokou odrazivostí („dielektrická zrcadla“) a k zesvětlení optiky (zeslabování vln odražených od mnoha povrchů čoček složitých čoček). Vysoká citlivost pozorovaného rozložení intenzity na dráhový rozdíl rušivých paprsků je základem celé třídy ultrapřesných přístrojů zvaných interferometry. Například měření ultranízkých rychlostí pohybu (několik centimetrů za rok): klouzání ledovců, kontinentální drift atd.

Výroba vysoce kvalitních hologramů byla umožněna po vytvoření laserů - výkonných zdrojů monochromatického záření schopných produkovat stabilní interferenční obrazec i při velkých rozdílech v dráze rušivých paprsků.

Samotný fenomén difrakce je navíc často interpretován jako speciální případ interference (interference sekundárních vln.

Rozšířily se vysoce citlivé spektrální přístroje s difrakční mřížkou jako disperzním prvkem (monochromátory, spektrografy, spektrofotometry aj.) využívající fenomén ohybu světla. Difrakce ultrazvukovými vlnami v průhledném prostředí umožňuje určit elastické konstanty látky a také vytvořit akusticko-optické modulátory světla.

Záběr praktické aplikace zařízení na bázi kvantově optických jevů je velmi široký - fotobuňky a fotonásobiče, zesilovače jasu obrazu (elektronoptické převodníky), vysílací televizní elektronky atd. Fotočlánky se používají nejen pro záznam záření, ale také jako zařízení, která přeměňují zářivou energii Slunce na elektřinu pro napájení elektrických, rádiových a dalších zařízení (tzv. solární panely). Na základě fotochromních materiálů jsou pro potřeby výpočetní techniky vyvíjeny nové systémy pro záznam a ukládání informací a byly vytvořeny ochranné světelné filtry s automatickým zvyšováním absorpce světla při zvyšování jeho intenzity. Produkce výkonných proudů monochromatického laserového záření o různých vlnových délkách otevřela cestu k rozvoji optických metod pro separaci izotopů a stimulaci řízeného výskytu chemických reakcí a umožnila nalézt nové, netradiční aplikace v biofyzice (účinek laseru světelné toky na biologických objektech na molekulární úrovni) a lékařství (viz. Laserové záření). V technologii vedlo použití laserů ke vzniku optických metod zpracování materiálů

Difrakce vln je pozorována bez ohledu na jejich povahu a může se projevit:

· v transformaci prostorové struktury vlnění. V některých případech lze takovou transformaci považovat za vlny „ohýbající se kolem“ překážek, v jiných případech za rozšíření úhlu šíření vlnových paprsků nebo jejich vychýlení v určitém směru;

· při rozkladu vln podle jejich frekvenčního spektra;

Newton zavedl termín spektrum do vědeckého použití v letech 1671-1672 k označení vícebarevného pruhu, podobného duze, který vzniká, když sluneční paprsek prochází trojúhelníkovým skleněným hranolem. Například duha nastane, když Slunce osvětlí dešťovou clonu. Jak déšť ustává a poté ustává, duha mizí a postupně mizí. Barvy pozorované v duze se střídají ve stejném pořadí jako ve spektru získaném průchodem paprsku slunečního světla hranolem.

· v transformaci polarizace vln;

Polarizace vln je jev porušení symetrie rozložení poruch v příčné vlně (například síly elektrického a magnetického pole v elektromagnetickém vlnění) vzhledem ke směru jejího šíření. V podélné vlně nemůže dojít k polarizaci, protože poruchy u tohoto typu vln se vždy shodují se směrem šíření. Nejčastěji se tento jev využívá k vytváření různých optických efektů a také ve 3D kině (technologie IMAX), kde se polarizací oddělují obrazy určené pro pravé a levé oko.

· ve změně fázové struktury vlnění.

Difrakční efekty závisí na vztahu mezi vlnovou délkou a charakteristickou velikostí nehomogenit v prostředí nebo nehomogenit ve struktuře samotné vlny. V přírodě jsou příkladem difrakce fata morgány - to jsou odrazy některých věcí nebo jevů na povrchu horkého písku, asfaltu, moře atd. K tomu dochází, protože teplota je v různých vrstvách vzduchu různá a teplotní rozdíl působí jako zrcadlo. Přelud je něco jiného než odražené předměty nebo jevy, které přijímáme jako realitu.

Polární záře vznikají jako důsledek bombardování horních vrstev atmosféry nabitými částicemi pohybujícími se směrem k Zemi podél geomagnetických siločar z oblasti blízkozemského prostoru nazývané plazmová vrstva. Projekce vrstvy plazmatu podél geomagnetických siločar do zemské atmosféry má tvar prstenců obklopujících severní a jižní magnetický pól

Seznamliteratura

Miroshnikov M.M. Teoretické základy opticko-elektronických zařízení: učebnice pro přístrojové univerzity. - 2. vydání, přepracované. a doplňkové - Petrohrad: Strojírenství, 2003 - 696 s.

Narozen M., Wolf E. Základy optiky. - M.: Nauka, 1970. - 856 s.

Wikipedie

Publikováno na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Teorie jevu. Difrakce je soubor jevů při šíření světla v prostředí s ostrými nehomogenitami. Nalezení a studium funkce rozložení intenzity světla při difrakci z kulatého otvoru. Matematický model difrakce.

kurzová práce, přidáno 28.09.2007


Základy teorie difrakce světla. Experimenty s difrakcí světla, podmínky jejího vzniku. Vlastnosti difrakce rovinných vln. Popis šíření elektromagnetických vln pomocí Huygens-Fresnelova principu. Fraunhoferova difrakce aperturou.

prezentace, přidáno 23.08.2013


Přehled difrakce konvergujících paprsků (Fresnel). Pravidla pro difrakci světelných vln kruhovým otvorem a kotoučem. Fraunhoferův difrakční diagram. Studie rozložení intenzity světla na obrazovce. Stanovení charakteristických parametrů difrakčního obrazce.

prezentace, přidáno 24.09.2013


Difrakce mechanických vln. Souvislost mezi jevy světelné interference na příkladu Jungova experimentu. Huygens-Fresnelův princip, který je hlavním postulátem vlnové teorie, který umožňuje vysvětlit difrakční jevy. Meze použitelnosti geometrické optiky.

prezentace, přidáno 18.11.2014


Studium rozložení intenzity světla na stínítku za účelem získání informací o vlastnostech světelné vlny je úkolem studia difrakce světla. Huygens-Fresnelův princip. Fresnelova zónová metoda, zvýšení intenzity světla pomocí zónové desky.

prezentace, přidáno 18.04.2013


Studium difrakce, jevů odchylky světla od přímočarého směru šíření při průchodu blízko překážek. Charakteristika ohybu světelných vln kolem hranic neprůhledných těles a pronikání světla do oblasti geometrického stínu.

prezentace, přidáno 06.07.2011


Pojem difrakce světelných vln. Rozložení intenzity světla v difrakčním obrazci, když je štěrbina osvětlena paralelním paprskem monochromatického světla. Difrakční mřížka, Huygens-Fresnelův princip, zónová metoda. Fraunhoferova difrakce s jednou štěrbinou.

abstrakt, přidáno 09.07.2010


Analýza teorií šíření elektromagnetických vln. Charakteristika disperze, interference a polarizace světla. Metodika studia Fraunhoferovy difrakce na dvou štěrbinách. Vliv difrakce na rozlišovací schopnost optických přístrojů.

práce v kurzu, přidáno 19.01.2015


Studium interferenčních a difrakčních jevů. Experimentální fakta naznačující příčnou povahu světelných vln. Závěr o existenci elektromagnetického vlnění, elektromagnetická teorie světla. Prostorová struktura elipticky polarizované vlny.

prezentace, přidáno 11.12.2009


Studium rozložení intenzity světla na stínítku za účelem získání informací o vlastnostech světelné vlny. Hlavní typy difrakce. Vysvětlení pronikání světelných vln do oblasti geometrického stínu pomocí Huygensova principu. Von Fresnelova metoda.

Témata kodifikátoru jednotné státní zkoušky: difrakce světla, difrakční mřížka.

Pokud se v dráze vlny objeví překážka, pak difrakce - odchylka vlny od přímočarého šíření. Tuto odchylku nelze redukovat na odraz nebo lom, stejně jako zakřivení dráhy paprsků v důsledku změny indexu lomu prostředí Difrakce spočívá v tom, že se vlna ohýbá kolem okraje překážky a vstupuje do oblast geometrického stínu.

Na stínítko s dosti úzkou štěrbinou nechejte dopadat např. rovinná vlna (obr. 1). Na výstupu ze štěrbiny se objeví divergující vlna a tato divergence se zvětšuje se zmenšující se šířkou štěrbiny.

Obecně platí, že difrakční jevy jsou vyjádřeny tím jasněji, čím menší je překážka. Difrakce je nejvýznamnější v případech, kdy je velikost překážky menší nebo řádově vlnová délka. Přesně tuto podmínku by měla splňovat šířka štěrbiny na Obr. 1.

Difrakce, stejně jako interference, je charakteristická pro všechny typy vln – mechanické i elektromagnetické. Viditelné světlo je zvláštní případ elektromagnetických vln; není proto překvapivé, že lze pozorovat
difrakce světla.

Takže na Obr. Obrázek 2 ukazuje difrakční obrazec získaný jako výsledek průchodu laserového paprsku malým otvorem o průměru 0,2 mm.

Vidíme, jak se očekávalo, centrální jasný bod; Velmi daleko od místa je tmavá oblast - geometrický stín. Ale kolem centrálního bodu - místo jasné hranice světla a stínu! - střídají se světlé a tmavé prstence. Čím dále od středu, tím méně jasné jsou světelné prstence; postupně mizí v oblasti stínu.

Připomíná mi to rušení, že? Tohle je ona; tyto prstence jsou interferenční maxima a minima. Jaké vlny zde interferují? Brzy se budeme touto problematikou zabývat a zároveň zjistíme, proč se difrakce vůbec pozoruje.

Nejprve však nelze nezmínit vůbec první klasický experiment na interferenci světla – Youngův experiment, ve kterém se výrazně uplatnil fenomén difrakce.

Jungova zkušenost.

Každý experiment s interferencí světla obsahuje nějakou metodu vytvoření dvou koherentních světelných vln. V experimentu s Fresnelovými zrcadly, jak si vzpomínáte, byly koherentními zdroji dva obrazy stejného zdroje získané v obou zrcadlech.

Nejjednodušší nápad, který mě napadl jako první, byl tento. Vypíchneme dvě dírky do kartonu a vystavíme ho slunečním paprskům. Tyto díry budou koherentními sekundárními zdroji světla, protože existuje pouze jeden primární zdroj - Slunce. V důsledku toho bychom na obrazovce v oblasti překrytí paprsků odchylujících se od otvorů měli vidět interferenční obrazec.

Takový experiment provedl dávno před Jungem italský vědec Francesco Grimaldi (který objevil difrakci světla). Nebylo však pozorováno žádné rušení. Proč? Tato otázka není příliš jednoduchá a důvodem je, že Slunce není bod, ale prodloužený zdroj světla (úhlová velikost Slunce je 30 obloukových minut). Sluneční disk se skládá z mnoha bodových zdrojů, z nichž každý vytváří na obrazovce svůj vlastní interferenční obrazec. Při překrývání se tyto jednotlivé vzory navzájem „rozmazávají“ a výsledkem je, že obrazovka vytváří rovnoměrné osvětlení oblasti, kde se paprsky překrývají.

Pokud je však Slunce nadměrně „velké“, je nutné jej uměle vytvořit bod primární zdroj. K tomuto účelu Youngův experiment použil malý předvrt (obr. 3).

Rýže. 3. Jungův zkušenostní diagram

Na první otvor dopadá rovinná vlna a za otvorem se objeví světelný kužel, který se díky difrakci rozšiřuje. Dosahuje dalších dvou otvorů, které se stávají zdroji dvou koherentních světelných kuželů. Nyní – díky bodové povaze primárního zdroje – bude pozorován interferenční obrazec v oblasti, kde se kužely překrývají!

Thomas Young provedl tento experiment, změřil šířku interferenčních proužků, odvodil vzorec a pomocí tohoto vzorce poprvé vypočítal vlnové délky viditelného světla. Proto je tento experiment jedním z nejslavnějších v historii fyziky.

Huygens-Fresnelův princip.

Připomeňme si formulaci Huygensova principu: každý bod zapojený do vlnění je zdrojem sekundárních sférických vln; tyto vlny se šíří z daného bodu, jakoby ze středu, všemi směry a vzájemně se překrývají.

Nabízí se však přirozená otázka: co znamená „překrývání“?

Huygens zredukoval svůj princip na čistě geometrickou metodu konstrukce nové vlnoplochy jako obálky rodiny koulí rozpínajících se z každého bodu původní vlnoplochy. Sekundární Huygensovy vlny jsou matematické sféry, nikoli skutečné vlny; jejich celkový účinek se projevuje pouze na obalu, tedy na nové poloze vlnoplochy.

V této podobě Huygensův princip neodpověděl na otázku, proč při šíření vlny nevzniká vlna putující opačným směrem. Nevysvětlené zůstaly také difrakční jevy.

K úpravě Huygensova principu došlo až o 137 let později. Augustin Fresnel nahradil Huygensovy pomocné geometrické koule skutečnými vlnami a navrhl, že tyto vlny zasahovat spolu.

Huygens-Fresnelův princip. Každý bod vlnoplochy slouží jako zdroj sekundárních sférických vln. Všechny tyto sekundární vlny jsou koherentní díky svému společnému původu z primárního zdroje (a proto se mohou vzájemně rušit); vlnový proces v okolním prostoru je výsledkem interference sekundárních vln.

Fresnelova myšlenka naplnila Huygensův princip fyzikálním významem. Sekundární vlny se vzájemně ruší na obalech svých vlnových ploch ve směru „dopředu“ a zajišťují tak další šíření vlny. A ve „zpětném“ směru interferují s původní vlnou, je pozorováno vzájemné zrušení a nevzniká zpětná vlna.

Světlo se šíří zejména tam, kde se sekundární vlny vzájemně zesilují. A v místech, kde sekundární vlny slábnou, uvidíme tmavé oblasti vesmíru.

Huygens-Fresnelův princip vyjadřuje důležitou fyzikální myšlenku: vlna, která se vzdálila od svého zdroje, následně „žije svým vlastním životem“ a již není závislá na tomto zdroji. Při zachycování nových oblastí vesmíru se vlna šíří dále a dále v důsledku interference sekundárních vln excitovaných v různých bodech prostoru, jak vlna prochází.

Jak Huygens-Fresnelův princip vysvětluje fenomén difrakce? Proč například u díry dochází k difrakci? Faktem je, že z nekonečného plochého vlnového povrchu dopadající vlny otvor v obrazovce vyřízne pouze malý světelný kotouč a následné světelné pole je získáno v důsledku interference vln ze sekundárních zdrojů umístěných ne v celé rovině. , ale pouze na tomto disku. Přirozeně, že nové vlnové plochy již nebudou ploché; dráha paprsků se ohne a vlna se začne šířit různými směry, které se neshodují s tím původním. Vlna prochází kolem okrajů otvoru a proniká do oblasti geometrického stínu.

Sekundární vlny vyzařované různými body vyříznutého světelného disku se vzájemně ruší. Výsledek interference je určen fázovým rozdílem sekundárních vln a závisí na úhlu vychýlení paprsků. V důsledku toho dochází ke střídání interferenčních maxim a minim - což jsme viděli na Obr. 2.

Fresnel nejen doplnil Huygensův princip o důležitou myšlenku koherence a interference sekundárních vln, ale přišel i se svou slavnou metodou řešení difrakčních úloh, založenou na konstrukci tzv. Fresnelovy zóny. Studium Fresnelových zón není zahrnuto ve školním vzdělávacím programu – dozvíte se o nich ve vysokoškolském kurzu fyziky. Zde pouze zmíníme, že Fresnelovi se v rámci své teorie podařilo podat vysvětlení našeho vůbec prvního zákona geometrické optiky - zákona přímočarého šíření světla.

Difrakční mřížka.

Difrakční mřížka je optické zařízení, které umožňuje rozkládat světlo na spektrální složky a měřit vlnové délky. Difrakční mřížky jsou průhledné a reflexní.

Budeme uvažovat transparentní difrakční mřížku. Skládá se z velkého počtu štěrbin o šířce , oddělených intervaly šířky (obr. 4). Světlo prochází pouze štěrbinami; mezery neumožňují průchod světla. Veličina se nazývá mřížková perioda.

Rýže. 4. Difrakční mřížka

Difrakční mřížka se vyrábí pomocí tzv. dělicího stroje, který nanáší pruhy na povrch skla nebo průhledné fólie. V tomto případě se tahy ukáží jako neprůhledné prostory a nedotčená místa slouží jako praskliny. Pokud například difrakční mřížka obsahuje 100 čar na milimetr, pak bude perioda takové mřížky rovna: d = 0,01 mm = 10 mikronů.

Nejprve se podíváme, jak mřížkou prochází monochromatické světlo, tedy světlo s přesně definovanou vlnovou délkou. Vynikajícím příkladem monochromatického světla je paprsek laserového ukazovátka o vlnové délce asi 0,65 mikronu).

Na Obr. Na obr. 5 vidíme takový paprsek dopadající na jednu ze standardní sady difrakčních mřížek. Štěrbiny mřížky jsou umístěny svisle a na stínítku za mřížkou jsou pozorovány periodicky umístěné svislé pruhy.

Jak jste již pochopili, jedná se o interferenční vzor. Difrakční mřížka rozděluje dopadající vlnu na mnoho koherentních paprsků, které se šíří všemi směry a vzájemně se ruší. Na obrazovce proto vidíme střídání interferenčních maxim a minim – světlé a tmavé pruhy.

Teorie difrakčních mřížek je velmi složitá a ve svém celku daleko přesahuje rámec školních osnov. Měli byste znát pouze ty nejzákladnější věci týkající se jednoho jediného vzorce; tento vzorec popisuje polohy maximálního osvětlení stínítka za difrakční mřížkou.

Nechme tedy rovinnou monochromatickou vlnu dopadat na difrakční mřížku s periodou (obr. 6). Vlnová délka je .

Rýže. 6. Difrakce mřížkou

Aby byl interferenční obrazec jasnější, můžete umístit čočku mezi mřížku a stínítko a umístit stínítko do ohniskové roviny čočky. Pak se sekundární vlny, putující paralelně z různých štěrbin, budou sbíhat v jednom bodě na obrazovce (boční ohnisko čočky). Pokud je obrazovka umístěna dostatečně daleko, pak není potřeba žádná speciální čočka – paprsky dopadající do daného bodu obrazovky z různých štěrbin již budou téměř rovnoběžné.

Uvažujme sekundární vlny odchylující se o úhel Rozdíl dráhy mezi dvěma vlnami vycházejícími ze sousedních štěrbin je roven malé větvi pravoúhlého trojúhelníku s přeponou; nebo, což je totéž, tento rozdíl dráhy je roven rameni trojúhelníku. Úhel je však roven úhlu, protože se jedná o ostré úhly se vzájemně kolmými stranami. Proto je náš rozdíl v cestě roven .

Interferenční maxima jsou pozorována v případech, kdy se dráhový rozdíl rovná celému počtu vlnových délek:

(1)

Pokud je tato podmínka splněna, všechny vlny přicházející do bodu z různých štěrbin se ve fázi sčítají a vzájemně se posílí. V tomto případě čočka nezavádí další dráhový rozdíl - navzdory skutečnosti, že různé paprsky procházejí čočkou po různých drahách. Proč se to děje? Nebudeme se touto problematikou zabývat, protože její diskuse přesahuje rámec jednotné státní zkoušky z fyziky.

Vzorec (1) vám umožňuje najít úhly, které určují směry k maximům:

. (2)

Když to dostaneme centrální maximum nebo maximum nulového řádu.Rozdíl v dráze všech sekundárních vln putujících bez odchylky je roven nule a při centrálním maximu se sčítají s nulovým fázovým posunem. Centrální maximum je středem difrakčního obrazce, nejjasnější z maxim. Difrakční obrazec na obrazovce je symetrický vzhledem k centrálnímu maximu.

Když dostaneme úhel:

Tento úhel určuje směr maxima prvního řádu. Jsou dvě a jsou umístěny symetricky vzhledem k centrálnímu maximu. Jas v maximech prvního řádu je o něco menší než v centrálním maximu.

Podobně máme úhel:

Dává pokyny k maxima druhého řádu. Jsou také dvě a jsou také umístěny symetricky vzhledem k centrálnímu maximu. Jas v maximech druhého řádu je o něco menší než v maximech prvního řádu.

Přibližný obrázek směrů k maximům prvních dvou řádů je na Obr. 7.

Rýže. 7. Maxima prvních dvou řádů

Obecně dvě symetrická maxima k- pořadí je určeno úhlem:

. (3)

Když jsou malé, odpovídající úhly jsou obvykle malé. Například u μm a μm jsou maxima prvního řádu umístěna pod úhlem Jas maxim k-pořádek postupně s růstem klesá k. Kolik maxim můžete vidět? Na tuto otázku lze snadno odpovědět pomocí vzorce (2). Koneckonců, sinus nemůže být větší než jedna, proto:

Pomocí stejných číselných údajů jako výše dostaneme: . Proto je nejvyšší možné maximální pořadí pro danou mřížku 15.

Podívejte se znovu na Obr. 5. Na obrazovce vidíme 11 maxim. Toto je centrální maximum, stejně jako dvě maxima prvního, druhého, třetího, čtvrtého a pátého řádu.

Pomocí difrakční mřížky můžete měřit neznámou vlnovou délku. Nasměrujeme paprsek světla na mřížku (její periodu známe), změříme úhel v maximu prvního
řádu, použijeme vzorec (1) a dostaneme:

Difrakční mřížka jako spektrální zařízení.

Výše jsme uvažovali o difrakci monochromatického světla, což je laserový paprsek. Často se musíme vypořádat nemonochromatický záření. Je to směs různých monochromatických vln, které tvoří rozsah tohoto záření. Například bílé světlo je směsí vln v celém viditelném rozsahu, od červené po fialovou.

Optické zařízení se nazývá spektrální, pokud umožňuje rozkládat světlo na monochromatické složky a tím studovat spektrální složení záření. Nejjednodušší spektrální zařízení je vám dobře známé – je to skleněný hranol. Spektrální zařízení také obsahují difrakční mřížku.

Předpokládejme, že bílé světlo dopadá na difrakční mřížku. Vraťme se ke vzorci (2) a zamysleme se nad tím, jaké závěry z něj lze vyvodit.

Poloha centrálního maxima () nezávisí na vlnové délce. Ve středu difrakčního vzoru budou konvergovat s nulovým rozdílem dráhy Všechno monochromatické složky bílého světla. Proto při centrálním maximu uvidíme jasný bílý pruh.

Ale polohy řádových maxim jsou určeny vlnovou délkou. Čím menší, tím menší je úhel pro daný. Proto na maximum k Monochromatické vlny třetího řádu jsou v prostoru odděleny: fialový pruh bude nejblíže centrálnímu maximu, červený pruh bude nejdále.

V důsledku toho je v každém řádu bílé světlo rozloženo mřížkou do spektra.
Maxima prvního řádu všech monochromatických složek tvoří spektrum prvního řádu; pak jsou zde spektra druhého, třetího a tak dále řádů. Spektrum každého řádu má podobu barevného pásu, ve kterém jsou přítomny všechny barvy duhy – od fialové po červenou.

Difrakce bílého světla je znázorněna na Obr. 8. V centrálním maximu vidíme bílý pruh a po stranách jsou dvě spektra prvního řádu. S rostoucím úhlem vychýlení se barva pruhů mění z fialové na červenou.

Ale difrakční mřížka umožňuje nejen pozorovat spektra, to znamená provádět kvalitativní analýzu spektrálního složení záření. Nejdůležitější výhodou difrakční mřížky je možnost kvantitativní analýzy - jak již bylo zmíněno výše, s její pomocí můžeme měřit vlnové délky. V tomto případě je postup měření velmi jednoduchý: ve skutečnosti jde o měření úhlu směru na maximum.

Přirozenými příklady difrakčních mřížek nalezených v přírodě jsou ptačí peří, motýlí křídla a perleťový povrch mořské mušle. Když přimhouříte oči a podíváte se do slunečního světla, uvidíte kolem řas duhovou barvu.Naše řasy působí v tomto případě jako průhledná difrakční mřížka na Obr. 6, a čočka je optický systém rohovky a čočky.

Spektrální rozklad bílého světla, daný difrakční mřížkou, nejsnáze pozorujeme pohledem na obyčejný kompaktní disk (obr. 9). Ukázalo se, že stopy na povrchu disku tvoří reflexní difrakční mřížku!

Difrakce světla je jev odchylky světla od lineárního šíření v prostředí s ostrými nehomogenitami, tzn. světelné vlny se ohýbají kolem překážek, ale za předpokladu, že rozměry těchto překážek jsou srovnatelné s délkou světelné vlny. Pro červené světlo je vlnová délka λкр≈8∙10 -7 m a pro fialové světlo - λ f ≈4∙10 -7 m. Jev difrakce je pozorován na vzdálenosti l od překážky, kde D je lineární velikost překážky, λ je vlnová délka. Pro pozorování jevu difrakce je tedy nutné splnit určité požadavky na velikost překážek, vzdálenosti od překážky ke zdroji světla a také výkon zdroje světla. Na Obr. Obrázek 1 ukazuje fotografie difrakčních obrazců z různých překážek: a) tenký drát, b) kruhový otvor, c) kruhové síto.

Rýže. 1

K řešení difrakčních problémů - zjištění rozložení intenzit světelné vlny šířící se v prostředí s překážkami na stínítku - se používají přibližné metody založené na Huygensově a Huygens-Fresnelově principu.

Huygensův princip: každý bod S 1, S 2,…,S n čela vlny AB (obr. 2) je zdrojem nových, sekundárních vln. Nová poloha čela vlny A 1 B 1 po čase
představuje obalovou plochu sekundárních vln.

Huygens-Fresnelův princip: všechny sekundární zdroje S 1, S 2,…,S n umístěné na povrchu vlny jsou vzájemně koherentní, tzn. mají stejnou vlnovou délku a konstantní fázový rozdíl. Amplituda a fáze vlny v libovolném bodě M ​​prostoru je výsledkem interference vln emitovaných sekundárními zdroji (obr. 3).

Rýže. 2

Rýže. 3

Přímé šíření paprsku SM (obr. 3) emitovaného zdrojem S v homogenním prostředí je vysvětleno Huygens-Fresnelovým principem. Veškeré sekundární vlny emitované sekundárními zdroji umístěnými na povrchu čela vlny AB jsou v důsledku interference vyrušeny, kromě vln ze zdrojů umístěných v malé části segmentu ab, kolmo na SM. Světlo se šíří po úzkém kuželu s velmi malou základnou, tzn. téměř přímo vpřed.

Difrakční mřížka.

Fenomén difrakce je základem pro návrh pozoruhodného optického zařízení – difrakční mřížky. Difrakční mřížka v optice je souborem velkého množství překážek a děr soustředěných v omezeném prostoru, na kterém dochází k ohybu světla.

Nejjednodušší difrakční mřížkou je systém N identických rovnoběžných štěrbin v plochém neprůhledném stínítku. Dobrý rošt se vyrábí pomocí speciálního dělicího stroje, který vytváří paralelní tahy na speciální desce. Počet zdvihů dosahuje několik tisíc na 1 mm; celkový počet zdvihů přesahuje 100 000 (obr. 4).

Obr.5

Rýže. 4

Pokud je šířka průhledných mezer (nebo reflexních pruhů) b, a šířku neprůhledných mezer (nebo pruhů rozptylujících světlo) A, pak hodnotu d=b+a volal konstanta (perioda) difrakční mřížky(obr. 5).

Podle Huygens-Fresnelova principu je každá průhledná mezera (nebo štěrbina) zdrojem koherentních sekundárních vln, které se mohou vzájemně rušit. Dopadá-li paprsek rovnoběžných světelných paprsků na difrakční mřížku, která je k němu kolmá, pak při difrakčním úhlu φ na stínítku E (obr. 5), umístěném v ohniskové rovině čočky, vznikne soustava difrakčních maxim a minim. pozorované, vyplývající z interference světla z různých štěrbin.

Pojďme najít podmínky, za kterých se vlny vycházející ze štěrbin navzájem posilují. Za tímto účelem uvažujme vlny šířící se ve směru určeném úhlem φ (obr. 5). Dráhový rozdíl mezi vlnami od okrajů sousedních štěrbin je roven délce segmentu DK=d∙sinφ. Pokud tento segment obsahuje celé číslo vlnových délek, pak se vlny ze všech štěrbin, sečtené, vzájemně posílí.

Major Highs při difrakci mřížkou jsou pozorovány pod úhlem φ, splňující podmínku d∙sinφ=mλ, Kde m=0,1,2,3… se nazývá řád hlavního maxima. Velikost δ=DK=d∙sinφ je rozdíl optické dráhy mezi podobnými paprsky B.M. A DN, pocházející ze sousedních trhlin.

Hlavní minima na difrakční mřížce jsou pozorovány při takových difrakčních úhlech φ, pro které je světlo z různých částí každé štěrbiny zcela zhasnuto v důsledku interference. Podmínka hlavních maxim se shoduje s podmínkou útlumu u jedné štěrbiny d∙sinφ=nλ (n=1,2,3…).

Difrakční mřížka je jedním z nejjednodušších, poměrně přesných zařízení pro měření vlnových délek. Pokud je známa perioda mřížky, pak se určení vlnové délky redukuje na měření úhlu φ odpovídajícího směru k maximu.

Pro pozorování jevů způsobených vlnovou povahou světla, zejména difrakcí, je nutné použít záření vysoce koherentní a monochromatické, tzn. laserové záření. Laser je zdrojem rovinných elektromagnetických vln.

Dvouštěrbinová difrakce

Difrakce- jev, ke kterému dochází při šíření vlnění (například světelné a zvukové vlny). Podstatou tohoto jevu je, že se vlna dokáže ohnout kolem překážek. To má za následek, že pohyb vln je pozorován v oblasti za překážkou, kam se vlna nemůže dostat přímo. Jev se vysvětluje interferencí vlnění na okrajích neprůhledných předmětů nebo nehomogenitami mezi různými prostředími podél dráhy šíření vln. Příkladem může být výskyt barevných světlých pruhů v oblasti stínu od okraje neprůhledné obrazovky.

Difrakce se dobře projevuje, když je velikost překážky v dráze vlny srovnatelná s její délkou nebo menší.

Akustická difrakce- odchylka od přímočarého šíření zvukových vln.

1. Štěrbinové difrakce

Schéma vzniku oblastí světla a stínu při difrakci štěrbinou

V případě, že vlna dopadá na stínítko se štěrbinou, proniká difrakcí, ale je pozorována odchylka od přímočarého šíření paprsků. Rušení vln za stínítkem vede ke vzniku tmavých a světlých oblastí, jejichž umístění závisí na směru pozorování, vzdálenosti od stínítka atd.

2. Difrakce v přírodě a technologii

Difrakce zvukových vln je často pozorována v každodenním životě, když slyšíme zvuky, které se k nám dostávají zpoza překážek. Je snadné pozorovat vlny na vodě, které obcházejí malé překážky.

Vědecké a technické využití jevu difrakce je různé. Difrakční mřížky se používají k rozdělení světla do spektra a k vytvoření zrcadel (například pro polovodičové lasery). Rentgenová, elektronová a neutronová difrakce se používá ke studiu struktury krystalických pevných látek.

Difrakční čas omezuje rozlišení optických přístrojů, jako jsou mikroskopy. Objekty, jejichž rozměry jsou menší než vlnová délka viditelného světla (400-760 nm), nelze pozorovat optickým mikroskopem. Podobné omezení existuje u litografické metody, která je široce používána v polovodičovém průmyslu pro výrobu integrovaných obvodů. Proto je nutné používat světelné zdroje v ultrafialové oblasti spektra.

3. Difrakce světla

Fenomén difrakce světla jednoznačně potvrzuje teorii korpuskulárně-vlnné povahy světla.

Je obtížné pozorovat difrakci světla, protože vlny se odchylují od interference pod patrnými úhly pouze za podmínky, že velikost překážek je přibližně stejná jako vlnová délka světla a je velmi malá.

Poprvé, když Young objevil interferenci, provedl experiment s difrakcí světla, s jehož pomocí byly studovány vlnové délky odpovídající světelným paprskům různých barev. Studium difrakce bylo dokončeno v pracích O. Fresnela, který zkonstruoval teorii difrakce, která v zásadě umožňuje vypočítat difrakční obrazec, který vzniká v důsledku ohybu světla kolem jakýchkoli překážek. Fresnel dosáhl takového úspěchu spojením Huygensova principu s myšlenkou interference sekundárních vln. Huygens-Fresnelův princip je formulován následovně: k difrakci dochází v důsledku interference sekundárních vln.

Přišel lehký vánek a vlnky (vlna malé délky a amplitudy) běžely po hladině vody a na své cestě narážely na různé překážky, nad hladinou, stonky rostlin, větve stromů. Na závětrné straně za větví je voda klidná, neruší se a vlna se ohýbá kolem stonků rostlin.

VLNOVÁ DIFRAKCE (z lat. difraktus– rozbité) vlny ohýbající se kolem různých překážek. Vlnová difrakce je charakteristická pro jakýkoli vlnový pohyb; nastane, pokud jsou rozměry překážky menší než vlnová délka nebo s ní srovnatelné.

Difrakce světla je jev odchylky světla od přímočarého směru šíření při průchodu blízko překážek. Při difrakci se světelné vlny ohýbají kolem hranic neprůhledných těles a mohou pronikat do oblasti geometrického stínu.
Překážkou může být díra, mezera nebo okraj neprůhledné bariéry.

Difrakce světla se projevuje tím, že světlo proniká do oblasti geometrického stínu v rozporu se zákonem přímočarého šíření světla. Například při průchodu světla malým kulatým otvorem najdeme na stínítku větší světlý bod, než by se dalo očekávat při lineárním šíření.

Vzhledem ke krátké vlnové délce světla je úhel vychýlení světla ze směru přímočarého šíření malý. Pro jasné pozorování difrakce je proto nutné použít velmi malé překážky nebo umístit stínítko daleko od překážek.

Difrakce je vysvětlena na základě Huygens-Fresnelova principu: každý bod na vlnoplobě je zdrojem sekundárních vln. Difrakční obrazec je výsledkem interference sekundárních světelných vln.

Vlny vytvořené v bodech A a B jsou koherentní. Co je pozorováno na obrazovce v bodech O, M, N?

Difrakce je zřetelně pozorována pouze na vzdálenosti

kde R jsou charakteristické rozměry překážky. Na kratší vzdálenosti platí zákony geometrické optiky.

Fenomén difrakce omezuje rozlišení optických přístrojů (například dalekohledu). V důsledku toho se v ohniskové rovině dalekohledu vytvoří složitý difrakční obrazec.

Difrakční mřížka – je souborem velkého množství úzkých, rovnoběžných, blízko sebe průhledných až světlých ploch (štěrbin) umístěných ve stejné rovině, oddělených neprůhlednými mezerami.

Difrakční mřížky mohou být buď reflexní, nebo propouštějící světlo. Princip jejich fungování je stejný. Mřížka se vyrábí pomocí dělicího stroje, který provádí periodické paralelní tahy na skleněnou nebo kovovou desku. Dobrá difrakční mřížka obsahuje až 100 000 čar. Označme:

A– šířka štěrbin (nebo reflexních pruhů) propustných pro světlo;
b– šířka neprůhledných prostorů (nebo oblastí rozptylujících světlo).
Velikost d = a + b se nazývá perioda (neboli konstanta) difrakční mřížky.

Difrakční obrazec vytvořený mřížkou je složitý. Vykazuje hlavní maxima a minima, sekundární maxima a další minima díky difrakci štěrbinou.
Hlavní maxima, kterými jsou úzké jasné čáry ve spektru, mají praktický význam při studiu spekter pomocí difrakční mřížky. Pokud bílé světlo dopadá na difrakční mřížku, vlny každé barvy obsažené v jejím složení tvoří svá vlastní difrakční maxima. Poloha maxima závisí na vlnové délce. Nulové výšky (k = 0 ) pro všechny vlnové délky se tvoří ve směrech dopadajícího paprsku (β = 0 ), proto je v difrakčním spektru centrální jasný pás. Vlevo a vpravo od něj jsou pozorována maxima barevné difrakce různých řádů. Protože difrakční úhel je úměrný vlnové délce, jsou červené paprsky vychylovány více než fialové paprsky. Všimněte si rozdílu v pořadí barev v difrakčním a prizmatickém spektru. Díky tomu se jako spektrální aparát používá difrakční mřížka spolu s hranolem.

Při průchodu difrakční mřížkou světelná vlna o délce λ obrazovka zobrazí sekvenci minima a maxima intenzity. Maxima intenzity budou pozorována pod úhlem β:

kde k je celé číslo nazývané řád difrakčního maxima.

Základní shrnutí: