Kırınım tezahürünün bir örneği. Okul ansiklopedisi

Işığın bir ortamda yayılırken dalga doğasından kaynaklanan bir dizi olay olarak ışık kırınımının özellikleri. Enine dalgadaki bozuklukların dağılımının simetrisinin ihlali. Kırınım etkilerinin ve dalga polarizasyonunun özü.

İyi çalışmanızı bilgi tabanına göndermek basittir. Aşağıdaki formu kullanın

Bilgi tabanını çalışmalarında ve çalışmalarında kullanan öğrenciler, lisansüstü öğrenciler, genç bilim insanları size çok minnettar olacaklardır.

Yayınlanan http://www.allbest.ru/

Işığın kırınımı, ışığın dalga doğasından kaynaklanan ve belirgin homojensizliklere sahip bir ortamda yayıldığında (örneğin, opak ekranlardaki deliklerden geçerken, opak cisimlerin sınırlarının yakınında vb.) gözlemlenen bir dizi olaydır. ) Daha dar anlamda kırınım, ışığın küçük engeller etrafında bükülmesi olgusu olarak anlaşılmaktadır; geometrik optik yasalarından sapmalar ve sonuç olarak ışığın geometrik gölge bölgesine nüfuz etmesi.

Fresnel, ikincil dalgaların girişimi sonucu ışığın kırınmasını Huygens-Fresnel ilkesine göre açıkladı. [Huygens-Fresnel prensibi, özellikle ışık dalgaları olmak üzere dalga yayılım problemlerini çözmek için kullanılan yaklaşık bir yöntemdir. Huygens-Fresnel prensibine göre, dalganın belirli bir anda ulaştığı yüzeyin her bir elemanı, bir sonraki anda zarfı dalga yüzeyi olacak olan temel dalgaların merkezidir. Yayılan bir dalganın şekli, zamanın herhangi bir anında tüm ikincil (temel) dalgaların zarfı ile temsil edilebilir, Şekil 1. İkincil dalgaların kaynakları, birincil dalganın ön tarafının bir önceki anda ulaştığı noktalardır. İkincil dalgaların yalnızca “ileri” olarak yayıldığı varsayılmaktadır; dış normalin birincil dalganın önüne doğru yönü ile dar açı yapan yönlerde. Huygens ilkesi ışığın yansıma ve kırılma yasalarını açıklamamıza izin verir, ancak kırınım modelini açıklamak yeterli değildir.

kırınım ışığı polarizasyon dalgası

Daha geniş bir yorumda kırınım, dalgaların homojen olmayan ortamlarda yayılması sırasında ve ayrıca uzayda sınırlı dalgaların yayılması sırasında ortaya çıkan çok çeşitli olaylarla ilişkilidir. Kırınım, girişim olgusu ile yakından ilişkilidir; uzayda aynı anda yayılan iki veya daha fazla tutarlı dalganın genliğinin karşılıklı olarak arttırılması veya zayıflatılması. Uzayda değişen maksimum ve minimum yoğunluk eşlik eder. Girişimin sonucu (girişim deseni - hologram), üst üste gelen dalgaların faz farkına bağlıdır. iki yüzeyden yansıyan elektromanyetik dalgaların eklendiği ince filmlerdeki girişim (dalga cephesi bölme yöntemi). Filmin kalınlığı ile radyasyonun dalga boyu arasındaki ilişkiye bağlı olarak renkte artış veya azalma gözlenir.

Beyaz ışıkla (farklı dalga boylarının bir karışımı) aydınlatıldığında, filmin kalınlığa bağlı bir rengi ortaya çıkar (örneğin, sudaki bir yağ tabakası üzerinde gökkuşağı lekeleri). Açıklanan renklendirme yöntemi doğada kullanılır: Kelebek kanatlarının alacalı renkleri, renklendirici bir pigmentin varlığından değil, ışığın ince şeffaf kanat pullarına müdahalesinden kaynaklanmaktadır. Teknolojide, yüksek yansıtıcılığa sahip aynalar ("dielektrik aynalar") oluşturmak ve optikleri aydınlatmak (karmaşık merceklerin çok sayıda mercek yüzeyinden yansıyan dalgaları zayıflatmak) için girişim kaplamaları kullanılır. Gözlemlenen yoğunluk dağılım modelinin girişim yapan ışınların yol farkına karşı yüksek duyarlılığı, girişimölçer adı verilen bir dizi ultra hassas cihazın temelini oluşturur. Örneğin, ultra düşük hareket hızlarının ölçülmesi (yılda birkaç santimetre): buzulların kayması, kıtaların kayması vb.

Yüksek kaliteli hologramların üretimi, girişim yapan ışınların yolundaki büyük farklılıklara rağmen istikrarlı bir girişim deseni üretebilen güçlü monokromatik radyasyon kaynakları olan lazerlerin yaratılmasından sonra mümkün oldu.

Dahası, kırınım olgusunun kendisi sıklıkla özel bir girişim durumu (ikincil dalgaların girişimi) olarak yorumlanır.

Işık kırınımı olgusunu kullanan, dağıtma elemanı olarak kırınım ızgarasına sahip son derece hassas spektral cihazlar (monokromatörler, spektrograflar, spektrofotometreler, vb.) yaygınlaştı. Şeffaf ortamda ultrasonik dalgaların kırınımı, bir maddenin elastik sabitlerini belirlemenin yanı sıra akustik-optik ışık modülatörleri oluşturmayı da mümkün kılar.

Kuantum optik fenomenine dayalı cihazların pratik uygulama kapsamı çok geniştir - fotoseller ve fotomultiplierler, görüntü parlaklık yükselticileri (elektron-optik dönüştürücüler), verici televizyon tüpleri vb. Fotoseller yalnızca radyasyonu kaydetmek için değil, aynı zamanda Güneş'in radyant enerjisini elektrik, radyo ve diğer ekipmanlara (güneş panelleri adı verilen) güç sağlamak için elektriğe dönüştüren cihazlar olarak da kullanılır. Fotokromik malzemelere dayalı olarak, bilgisayar teknolojisinin ihtiyaçları için bilgi kaydetme ve depolamaya yönelik yeni sistemler geliştirilmekte ve yoğunluğu arttıkça ışık emiliminin otomatik olarak artmasıyla koruyucu ışık filtreleri oluşturulmaktadır. Farklı dalga boylarına sahip güçlü monokromatik lazer radyasyonu akışlarının üretilmesi, izotopları ayırmak ve kimyasal reaksiyonların yönlendirilmiş oluşumunu teşvik etmek için optik yöntemlerin geliştirilmesinin yolunu açtı ve biyofizikte yeni, alışılmadık uygulamalar bulmayı mümkün kıldı (lazer etkisi) moleküler düzeyde biyolojik nesneler üzerindeki ışık akışları) ve tıp (bkz. Lazer radyasyonu). Teknolojide lazerlerin kullanılması, malzemelerin işlenmesi için optik yöntemlerin ortaya çıkmasına yol açmıştır.

Dalgaların kırınımı, doğasına bakılmaksızın gözlemlenir ve kendini gösterebilir:

· Dalgaların mekansal yapısının dönüşümünde. Bazı durumlarda, böyle bir dönüşüm, dalgaların engellerin "etrafında bükülmesi", diğer durumlarda ise dalga ışınlarının yayılma açısının genişlemesi veya bunların belirli bir yönde sapması olarak düşünülebilir;

· Dalgaların frekans spektrumlarına göre ayrıştırılmasında;

Newton, bir güneş ışınının üçgen bir cam prizmadan geçmesiyle elde edilen, gökkuşağına benzer çok renkli bir bandı belirtmek için 1671-1672'de spektrum terimini bilimsel kullanıma soktu. Örneğin, Güneş bir yağmur perdesini aydınlattığında gökkuşağı oluşur. Yağmur azalıp durdukça gökkuşağı solar ve yavaş yavaş kaybolur. Gökkuşağında gözlenen renkler, bir güneş ışığı ışınının bir prizmadan geçirilmesiyle elde edilen spektrumdakiyle aynı sırayla değişir.

· dalga polarizasyonunun dönüşümünde;

Dalga polarizasyonu, enine bir dalgadaki bozuklukların dağılımının simetrisinin (örneğin, elektromanyetik dalgalardaki elektrik ve manyetik alanların kuvvetleri), yayılma yönüne göre kırılması olgusudur. Boyuna bir dalgada, bu tür dalgalardaki bozulmalar her zaman yayılma yönüyle çakıştığı için polarizasyon meydana gelemez. Çoğu zaman bu fenomen, çeşitli optik efektler oluşturmak için ve ayrıca sağ ve sol gözlere yönelik görüntüleri ayırmak için polarizasyonun kullanıldığı 3D sinemada (IMAX teknolojisi) kullanılır.

· Dalgaların faz yapısını değiştirmede.

Kırınım etkileri, dalga boyu ile ortamdaki homojensizliklerin karakteristik boyutu veya dalganın kendi yapısındaki homojensizlikler arasındaki ilişkiye bağlıdır. Doğada kırınıma bir örnek seraplardır - bunlar bazı şeylerin veya olayların sıcak kum, asfalt, deniz vb. yüzeyindeki yansımalarıdır. Bunun nedeni, sıcaklığın farklı hava katmanlarında farklı olması ve sıcaklık farkının bir ayna görevi görmesidir. Serap, gerçeklik olarak kabul ettiğimiz, yansıyan nesnelerden veya olgulardan farklı bir şeydir.

Auroralar, Dünya'ya yakın uzayın plazma tabakası olarak adlandırılan bir bölgesinden jeomanyetik alan çizgileri boyunca Dünya'ya doğru hareket eden yüklü parçacıkların atmosferin üst katmanlarını bombalaması sonucu meydana gelir. Plazma katmanının jeomanyetik alan çizgileri boyunca dünya atmosferine izdüşümü, kuzey ve güney manyetik kutuplarını çevreleyen halkalar şeklindedir.

Listeedebiyat

Miroshnikov M.M. Optik-elektronik cihazların teorik temelleri: enstrüman yapımı üniversiteleri için bir ders kitabı. - 2. baskı, revize edilmiş. ve ek - St. Petersburg: Makine Mühendisliği, 2003 - 696 s.

Born M., Wolf E. Optiğin temelleri. - M .: Nauka, 1970. - 856 s.

Vikipedi

Allbest.ru'da yayınlandı

Benzer belgeler

Olayın teorisi. Kırınım, ışığın keskin homojensizliklere sahip bir ortamda yayılması sırasında meydana gelen bir dizi olaydır. Yuvarlak bir delikten kırınım sırasında ışık yoğunluğu dağılım fonksiyonunun bulunması ve incelenmesi. Kırınımın matematiksel modeli.

kurs çalışması, 28.09.2007 eklendi


Işık kırınımı teorisinin temelleri. Işık kırınımı üzerine deneyler, oluşma koşulları. Düzlem dalga kırınımının özellikleri. Huygens-Fresnel ilkesini kullanarak elektromanyetik dalgaların yayılmasının açıklaması. Bir açıklık tarafından Fraunhofer kırınımı.

sunum, 23.08.2013 eklendi


Yakınsak ışın kırınımının (Fresnel) gözden geçirilmesi. Işık dalgalarının yuvarlak bir delik ve bir disk tarafından kırılımına ilişkin kurallar. Fraunhofer kırınım diyagramı. Ekrandaki ışık yoğunluğu dağılımının incelenmesi. Kırınım deseninin karakteristik parametrelerinin belirlenmesi.

sunum, 24.09.2013 eklendi


Mekanik dalgaların kırınımı. Jung'un deneyi örneğini kullanarak ışık girişimi olguları arasındaki bağlantı. Dalga teorisinin ana varsayımı olan ve kırınım olayını açıklamayı mümkün kılan Huygens-Fresnel ilkesi. Geometrik optiğin uygulanabilirliğinin sınırları.

sunum, 11/18/2014 eklendi


Bir ışık dalgasının özellikleri hakkında bilgi edinmek için ekrandaki ışık yoğunluğunun dağılımının incelenmesi, ışık kırınımının incelenmesinin görevidir. Huygens-Fresnel ilkesi. Fresnel bölge yöntemi, bir bölge plakası kullanılarak ışık yoğunluğunun arttırılması.

sunum, 18.04.2013 eklendi


Kırınım çalışması, ışığın engellerin yanından geçerken doğrusal yayılma yönünden sapması olgusu. Işık dalgalarının opak cisimlerin sınırları etrafında bükülmesinin özellikleri ve ışığın geometrik bir gölge bölgesine nüfuz etmesi.

sunum, 06/07/2011 eklendi


Işık dalgalarının kırınımı kavramı. Yarık paralel bir monokromatik ışık ışınıyla aydınlatıldığında kırınım desenindeki ışık yoğunluğu dağılımı. Kırınım ızgarası, Huygens-Fresnel ilkesi, bölge yöntemi. Tek yarık Fraunhofer kırınımı.

özet, eklendi: 09/07/2010


Elektromanyetik dalga yayılım teorilerinin analizi. Işığın dağılım, girişim ve polarizasyonunun özellikleri. İki yarıkta Fraunhofer kırınımının incelenmesine yönelik metodoloji. Kırınımın optik cihazların çözünürlüğü üzerindeki etkisi.

kurs çalışması, eklendi 01/19/2015


Girişim ve kırınım olaylarının incelenmesi. Işık dalgalarının enine doğasını gösteren deneysel gerçekler. Elektromanyetik dalgaların varlığına ilişkin sonuç, ışığın elektromanyetik teorisi. Eliptik olarak polarize bir dalganın uzaysal yapısı.

sunum, 12/11/2009 eklendi


Işık dalgasının özellikleri hakkında bilgi edinmek amacıyla ekrandaki ışık yoğunluğunun dağılımının incelenmesi. Ana kırınım türleri. Işık dalgalarının geometrik gölge bölgesine nüfuzunun Huygens ilkesi kullanılarak açıklanması. Von Fresnel yöntemi.

Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısının konuları: ışık kırınımı, kırınım ızgarası.

Dalganın yolunda bir engel belirirse, o zaman kırınım - dalganın doğrusal yayılımdan sapması. Bu sapma, yansımaya veya kırılmaya ve ayrıca ortamın kırılma indisindeki bir değişiklik nedeniyle ışınların yolunun eğriliğine indirgenemez.Kırınım, dalganın engelin kenarı etrafında bükülmesi ve içeri girmesi gerçeğinden oluşur. geometrik gölgenin bölgesi.

Örneğin oldukça dar bir yarığa sahip bir ekranın üzerine bir düzlem dalganın düşmesine izin verin (Şekil 1). Yarıktan çıkışta ıraksak bir dalga belirir ve yarığın genişliği azaldıkça bu ıraksama artar.

Genel olarak kırınım olgusu, engel ne kadar küçük olursa, o kadar net ifade edilir. Kırınım, engelin boyutunun daha küçük olduğu veya dalga boyu mertebesinde olduğu durumlarda en belirgindir. Şekil deki yarık genişliğinin karşılaması gereken tam da bu koşuldur. 1.

Kırınım, girişim gibi, her türlü dalganın (mekanik ve elektromanyetik) karakteristiğidir. Görünür ışık, elektromanyetik dalgaların özel bir durumudur; bu nedenle gözlemlenebilmesi şaşırtıcı değil
ışığın kırınımı.

Yani, Şekil 2'de. Şekil 2'de lazer ışınının 0,2 mm çapındaki küçük bir delikten geçirilmesi sonucu elde edilen kırınım deseni görülmektedir.

Beklendiği gibi merkezi bir parlak nokta görüyoruz; Noktadan çok uzakta karanlık bir alan var - geometrik bir gölge. Ancak merkezi noktanın etrafında - net bir ışık ve gölge sınırı yerine! - değişen açık ve koyu halkalar var. Merkezden uzaklaştıkça ışık halkaları daha az parlak hale gelir; yavaş yavaş gölge bölgeye doğru kaybolurlar.

Bana müdahaleyi hatırlatıyor, değil mi? O da bu; bu halkalar girişim maksimumları ve minimumlarıdır. Buraya hangi dalgalar müdahale ediyor? Yakında bu konuyu ele alacağız ve aynı zamanda kırınımın neden ilk etapta gözlemlendiğini de öğreneceğiz.

Ancak öncelikle, ışığın müdahalesine ilişkin ilk klasik deneyden, kırınım olgusunun önemli ölçüde kullanıldığı Young deneyinden bahsetmeden geçemeyiz.

Jung'un deneyimi.

Işığın girişimiyle ilgili her deney, iki tutarlı ışık dalgası üretmenin bir yöntemini içerir. Fresnel aynaları ile yapılan deneyde, hatırlayacağınız gibi tutarlı kaynaklar, her iki aynada da elde edilen aynı kaynağın iki görüntüsüydü.

Aklıma ilk gelen en basit fikir şu oldu. Bir karton parçasına iki delik açıp onu güneş ışınlarına maruz bırakalım. Bu delikler tutarlı ikincil ışık kaynakları olacak çünkü tek bir birincil kaynak var: Güneş. Sonuç olarak, deliklerden ayrılan ışınların üst üste bindiği alanda ekranda bir girişim deseni görmeliyiz.

Böyle bir deney Jung'dan çok önce İtalyan bilim adamı Francesco Grimaldi (ışığın kırınımını keşfeden kişi) tarafından gerçekleştirilmişti. Ancak herhangi bir müdahale gözlenmedi. Neden? Bu soru çok basit değildir ve nedeni Güneş'in bir nokta değil, geniş bir ışık kaynağı olmasıdır (Güneş'in açısal boyutu 30 yay dakikadır). Güneş diski, her biri ekranda kendi girişim desenini üreten birçok nokta kaynağından oluşur. Üst üste binen bu bireysel desenler birbirini "lekeler" ve sonuç olarak ekran, ışınların üst üste geldiği alanın eşit şekilde aydınlatılmasını sağlar.

Ancak Güneş aşırı derecede "büyük" ise, o zaman yapay olarak yaratmak gerekir. leke birincil kaynak. Bu amaçla Young'ın deneyinde küçük bir ön delik kullanıldı (Şekil 3).

Pirinç. 3. Jung'un deneyim diyagramı

İlk deliğe bir düzlem dalga düşer ve deliğin arkasında kırınım nedeniyle genişleyen bir ışık konisi belirir. İki tutarlı ışık konisinin kaynağı haline gelen sonraki iki deliğe ulaşır. Şimdi - birincil kaynağın noktasal yapısı sayesinde - konilerin üst üste geldiği bölgede bir girişim deseni gözlemlenecek!

Thomas Young bu deneyi gerçekleştirdi, girişim saçaklarının genişliğini ölçtü, bir formül çıkardı ve bu formülü kullanarak ilk kez görünür ışığın dalga boylarını hesapladı. Bu deneyin fizik tarihinin en ünlü deneylerinden biri olmasının nedeni budur.

Huygens-Fresnel prensibi.

Huygens ilkesinin formülasyonunu hatırlayalım: Dalga sürecine dahil olan her nokta, ikincil küresel dalgaların kaynağıdır; bu dalgalar belli bir noktadan, sanki bir merkezden geliyormuşçasına, her yöne yayılır ve birbirleriyle örtüşürler.

Ancak doğal bir soru ortaya çıkıyor: "örtüşme" ne anlama geliyor?

Huygens, ilkesini, orijinal dalga yüzeyinin her noktasından genişleyen bir küre ailesinin zarfı olarak yeni bir dalga yüzeyi oluşturmanın tamamen geometrik bir yöntemine indirgedi. İkincil Huygens dalgaları gerçek dalgalar değil, matematiksel kürelerdir; bunların toplam etkisi yalnızca zarf üzerinde, yani dalga yüzeyinin yeni konumunda kendini gösterir.

Bu haliyle Huygens ilkesi, bir dalganın yayılması sırasında neden ters yönde hareket eden bir dalganın ortaya çıkmadığı sorusuna cevap veremiyordu. Kırınım fenomeni de açıklanamadı.

Huygens prensibindeki değişiklik yalnızca 137 yıl sonra gerçekleşti. Augustin Fresnel, Huygens'in yardımcı geometrik kürelerini gerçek dalgalarla değiştirdi ve bu dalgaların müdahale etmek birlikte.

Huygens-Fresnel prensibi. Dalga yüzeyinin her noktası ikincil küresel dalgaların kaynağı olarak hizmet eder. Tüm bu ikincil dalgalar, birincil kaynaktan gelen ortak kökenleri nedeniyle tutarlıdır (ve dolayısıyla birbirlerine müdahale edebilirler); çevredeki uzaydaki dalga süreci ikincil dalgaların girişiminin sonucudur.

Fresnel'in fikri Huygens'in ilkesini fiziksel anlamla doldurdu. Müdahale eden ikincil dalgalar, dalga yüzeylerinin zarfı üzerinde “ileri” yönde birbirlerini güçlendirerek dalganın daha fazla yayılmasını sağlar. Ve “geri” yönde orijinal dalgaya müdahale ederler, karşılıklı iptal gözlenir ve geriye doğru bir dalga oluşmaz.

Özellikle ışık, ikincil dalgaların karşılıklı olarak güçlendirildiği yerde yayılır. İkincil dalgaların zayıfladığı yerlerde ise uzayın karanlık alanlarını göreceğiz.

Huygens-Fresnel prensibi önemli bir fiziksel fikri ifade eder: Kaynağından uzaklaşan bir dalga, daha sonra "kendi hayatını yaşar" ve artık bu kaynağa bağlı değildir. Uzayda yeni alanlar yakalayan dalga, ilerledikçe uzayın farklı noktalarında uyarılan ikincil dalgaların girişimi nedeniyle giderek daha da yayılır.

Huygens-Fresnel ilkesi kırınım olayını nasıl açıklıyor? Örneğin kırınım neden bir delikte meydana gelir? Gerçek şu ki, gelen dalganın sonsuz düz dalga yüzeyinden, ekran deliği yalnızca küçük bir ışıklı diski keser ve sonraki ışık alanı, tüm düzlemde bulunmayan ikincil kaynaklardan gelen dalgaların müdahalesi sonucu elde edilir. , ancak yalnızca bu diskte. Doğal olarak yeni dalganın yüzeyleri artık düz olmayacak; ışınların yolu bükülür ve dalga, orijinaliyle örtüşmeyen farklı yönlerde yayılmaya başlar. Dalga deliğin kenarlarından geçerek geometrik gölge alanına nüfuz eder.

Kesilen ışık diskinin farklı noktalarından yayılan ikincil dalgalar birbirine müdahale eder. Girişimin sonucu ikincil dalgaların faz farkıyla belirlenir ve ışınların sapma açısına bağlıdır. Sonuç olarak, Şekil 2'de gördüğümüz gibi, girişimin maksimum ve minimumları arasında bir değişim meydana gelir. 2.

Fresnel, yalnızca Huygens ilkesini ikincil dalgaların tutarlılığı ve girişimi fikriyle desteklemekle kalmadı, aynı zamanda kırınım problemlerini çözmek için sözde dalgaların inşasına dayanan ünlü yöntemini de ortaya çıkardı. Fresnel bölgeleri. Fresnel bölgelerinin incelenmesi okul müfredatına dahil değildir - bunları bir üniversite fizik dersinde öğreneceksiniz. Burada sadece Fresnel'in teorisi çerçevesinde geometrik optiğin ilk yasamız olan ışığın doğrusal yayılımı yasasına bir açıklama getirmeyi başardığından bahsedeceğiz.

Kırınım ızgarası.

Kırınım ızgarası, ışığı spektral bileşenlere ayırmanıza ve dalga boylarını ölçmenize olanak tanıyan optik bir cihazdır. Kırınım ızgaraları şeffaf ve yansıtıcıdır.

Şeffaf bir kırınım ızgarasını ele alacağız. Genişlik aralıklarıyla ayrılmış çok sayıda genişlikteki yuvadan oluşur (Şekil 4). Işık yalnızca yarıklardan geçer; boşluklar ışığın geçmesine izin vermez. Bu miktara kafes periyodu denir.

Pirinç. 4. Kırınım ızgarası

Kırınım ızgarası, camın veya şeffaf filmin yüzeyine çizgiler uygulayan, bölme makinesi adı verilen bir makine kullanılarak yapılır. Bu durumda vuruşlar opak alanlar haline gelir ve el değmemiş yerler çatlak görevi görür. Örneğin, bir kırınım ızgarası milimetre başına 100 çizgi içeriyorsa, bu tür bir ızgaranın periyodu şuna eşit olacaktır: d = 0,01 mm = 10 mikron.

Öncelikle monokromatik ışığın, yani kesin olarak tanımlanmış bir dalga boyuna sahip ışığın ızgaradan nasıl geçtiğine bakacağız. Monokromatik ışığın mükemmel bir örneği, dalga boyu yaklaşık 0,65 mikron olan bir lazer işaretleyicinin ışınıdır.

İncirde. Şekil 5'te böyle bir ışının standart kırınım ızgaralarından birinin üzerine düştüğünü görüyoruz. Izgara yarıkları dikey olarak yerleştirilmiştir ve ızgaranın arkasındaki ekranda belirli aralıklarla dikey şeritler görülmektedir.

Zaten anladığınız gibi bu bir girişim modelidir. Bir kırınım ızgarası, gelen dalgayı her yöne yayılan ve birbirine müdahale eden birçok uyumlu ışına böler. Bu nedenle, ekranda maksimum ve minimum girişim - açık ve koyu şeritlerin bir dönüşümünü görüyoruz.

Kırınım ızgaraları teorisi çok karmaşıktır ve bütünüyle okul müfredatının kapsamının çok ötesindedir. Tek bir formülle ilgili yalnızca en temel şeyleri bilmelisiniz; bu formül, kırınım ızgarasının arkasındaki ekranın maksimum aydınlatmasının konumlarını açıklar.

Öyleyse, düz bir monokromatik dalganın bir periyotlu bir kırınım ızgarasının üzerine düşmesine izin verin (Şekil 6). Dalga boyu .

Pirinç. 6. Izgara yoluyla kırınım

Girişim desenini daha net hale getirmek için ızgara ile ekran arasına bir mercek yerleştirebilir ve ekranı merceğin odak düzlemine yerleştirebilirsiniz. Daha sonra farklı yarıklardan paralel olarak ilerleyen ikincil dalgalar ekranın bir noktasında (merceğin yan odağı) birleşecektir. Ekran yeterince uzağa yerleştirilmişse, merceğe özel bir ihtiyaç yoktur - ekranın belirli bir noktasına çeşitli yarıklardan gelen ışınlar zaten birbirine neredeyse paralel olacaktır.

Bir açı kadar sapan ikincil dalgaları ele alalım: Bitişik yarıklardan gelen iki dalga arasındaki yol farkı, hipotenüslü bir dik üçgenin küçük bacağına eşittir; ya da aynı şey, bu yol farkı üçgenin bacağına eşittir. Ancak kenarları birbirine dik olan dar açılar olduğundan açı açıya eşittir. Dolayısıyla yol farkımız eşittir.

Yol farkının tam sayıda dalga boyuna eşit olduğu durumlarda girişim maksimumları gözlemlenir:

(1)

Bu koşul karşılanırsa, farklı yarıklardan bir noktaya gelen tüm dalgalar aynı fazda toplanacak ve birbirini güçlendirecektir. Bu durumda, farklı ışınların mercekten farklı yollardan geçmesine rağmen mercek ek bir yol farkı yaratmaz. Bu neden oluyor? Tartışma fizikteki Birleşik Devlet Sınavının kapsamının ötesine geçtiği için bu konuya girmeyeceğiz.

Formül (1), maksimumlara doğru yönleri belirten açıları bulmanızı sağlar:

. (2)

Bunu aldığımızda merkezi maksimum, veya sıfır sipariş maksimum.Sapma olmadan ilerleyen tüm ikincil dalgaların yollarındaki fark sıfıra eşittir ve merkezi maksimumda bunların toplamı sıfır faz kayması ile tamamlanır. Merkezi maksimum, maksimumların en parlak olanı olan kırınım modelinin merkezidir. Ekrandaki kırınım deseni merkezi maksimuma göre simetriktir.

Açıyı bulduğumuzda:

Bu açı yönleri belirler. birinci dereceden maksimum. Bunlardan iki tane var ve merkezi maksimuma göre simetrik olarak yerleştirilmişler. Birinci dereceden maksimumlardaki parlaklık, merkezi maksimumdakinden biraz daha azdır.

Benzer şekilde şu açıya da sahibiz:

Yönerge veriyor ikinci dereceden maksimum. Bunlardan iki tane var ve bunlar da merkezi maksimuma göre simetrik olarak yerleştirilmişler. İkinci derece maksimumlardaki parlaklık, birinci derece maksimumlardan biraz daha azdır.

İlk iki mertebenin maksimumlarına doğru yönlerin yaklaşık bir resmi Şekil 2'de gösterilmektedir. 7.

Pirinç. 7. İlk iki derecenin maksimumları

Genel olarak iki simetrik maksimum k-sıra açıya göre belirlenir:

. (3)

Küçük olduğunda karşılık gelen açılar genellikle küçüktür. Örneğin, μm ve μm'de birinci dereceden maksimumlar bir açıyla yerleştirilmiştir. k-Büyümeyle birlikte düzen giderek azalır k. Kaç tane maksimum görebiliyorsun? Bu soruyu formül (2) kullanarak cevaplamak kolaydır. Sonuçta sinüs birden büyük olamaz, bu nedenle:

Yukarıdakiyle aynı sayısal verileri kullanarak şunu elde ederiz: . Bu nedenle, belirli bir kafes için mümkün olan en yüksek maksimum sıra 15'tir.

Şekil 2'ye tekrar bakın. 5. Ekranda 11 maksimumu görebiliyoruz. Bu, merkezi maksimumun yanı sıra birinci, ikinci, üçüncü, dördüncü ve beşinci derecelerin iki maksimumudur.

Kırınım ızgarası kullanarak bilinmeyen bir dalga boyunu ölçebilirsiniz. Izgaraya bir ışık huzmesi yönlendiriyoruz (periyodunu bildiğimiz), ilkinin maksimumundaki açıyı ölçüyoruz
sırayla, formül (1)'i kullanırız ve şunu elde ederiz:

Spektral bir cihaz olarak kırınım ızgarası.

Yukarıda bir lazer ışını olan monokromatik ışığın kırınımını ele aldık. Çoğu zaman uğraşmak zorundasın tek renkli olmayan radyasyon. Çeşitli monokromatik dalgaların bir karışımıdır. menzil bu radyasyonun. Örneğin beyaz ışık, kırmızıdan mora kadar görünür aralıktaki dalgaların bir karışımıdır.

Optik cihaz denir spektral Işığı tek renkli bileşenlere ayırmanıza ve böylece radyasyonun spektral bileşimini incelemenize izin veriyorsa. En basit spektral cihaz sizin tarafınızdan iyi bilinmektedir - bu bir cam prizmadır. Spektral cihazlar ayrıca bir kırınım ızgarası içerir.

Beyaz ışığın bir kırınım ızgarasına düştüğünü varsayalım. Formül (2)'ye dönelim ve bundan ne gibi sonuçlar çıkarılabileceğini düşünelim.

Merkezi maksimumun () konumu dalga boyuna bağlı değildir. Kırınım deseninin merkezinde sıfır yol farkıyla birleşecekler Tüm Beyaz ışığın monokromatik bileşenleri. Bu nedenle merkezi maksimumda parlak beyaz bir şerit göreceğiz.

Ancak maksimum mertebenin konumları dalga boyu tarafından belirlenir. Verilen bir açı ne kadar küçük olursa, açı da o kadar küçük olur. Bu nedenle maksimum kÜçüncü dereceden monokromatik dalgalar uzayda ayrılır: mor şerit merkezi maksimuma en yakın olacak, kırmızı şerit ise en uzak olacaktır.

Sonuç olarak, her sırada beyaz ışık bir kafes tarafından bir spektrum halinde düzenlenir.
Tüm monokromatik bileşenlerin birinci dereceden maksimumları birinci dereceden bir spektrum oluşturur; daha sonra ikinci, üçüncü ve benzeri siparişlerin spektrumları vardır. Her düzenin spektrumu, mordan kırmızıya kadar gökkuşağının tüm renklerinin mevcut olduğu bir renk bandı biçimindedir.

Beyaz ışığın kırınımı Şekil 2'de gösterilmektedir. 8. Merkezi maksimumda beyaz bir şerit görüyoruz ve yanlarda birinci dereceden iki spektrum var. Sapma açısı arttıkça şeritlerin rengi mordan kırmızıya doğru değişir.

Ancak bir kırınım ızgarası yalnızca spektrumların gözlemlenmesine, yani radyasyonun spektral bileşiminin niteliksel bir analizinin yapılmasına izin vermekle kalmaz. Kırınım ızgarasının en önemli avantajı niceliksel analiz olanağıdır - yukarıda belirtildiği gibi, onun yardımıyla şunları yapabiliriz: ölçmek dalga boyları. Bu durumda ölçüm prosedürü çok basittir: aslında yön açısının maksimumda ölçülmesine gelir.

Doğada bulunan kırınım ızgaralarının doğal örnekleri kuş tüyleri, kelebek kanatları ve deniz kabuğunun sedef yüzeyidir. Güneş ışığına gözlerinizi kısarak baktığınızda kirpiklerin çevresinde gökkuşağı rengi görebilirsiniz.Bu durumda kirpiklerimiz Şekil 2'deki şeffaf bir kırınım ızgarası gibi davranır. 6 ve lens, kornea ve lensin optik sistemidir.

Kırınım ızgarası tarafından verilen beyaz ışığın spektral ayrışımı, en kolay şekilde sıradan bir kompakt diske bakılarak gözlemlenir (Şekil 9). Diskin yüzeyindeki izlerin yansıtıcı bir kırınım ızgarası oluşturduğu ortaya çıktı!

Işığın kırınımı, keskin homojensizliklerin olduğu bir ortamda ışığın doğrusal yayılımdan sapması olgusudur; ışık dalgaları engellerin etrafında bükülür, ancak ikincisinin boyutlarının ışık dalgasının uzunluğuyla karşılaştırılabilir olması şartıyla. Kırmızı ışık için dalga boyu λкр≈8∙10 -7 m ve mor ışık için - λ f ≈4∙10 -7 m'dir.Kırınım olgusu mesafelerde gözlenir ben D engelin doğrusal boyutu, λ ise dalga boyu olmak üzere bir engelden. Bu nedenle, kırınım olayını gözlemlemek için engellerin boyutu, engelden ışık kaynağına olan mesafeler ve ışık kaynağının gücü gibi belirli gereksinimlerin karşılanması gerekir. İncirde. Şekil 1, çeşitli engellerden gelen kırınım desenlerinin fotoğraflarını göstermektedir: a) ince bir tel, b) yuvarlak bir delik, c) yuvarlak bir ekran.

Pirinç. 1

Kırınım problemlerini çözmek için - engeller içeren bir ortamda yayılan bir ışık dalgasının yoğunluklarının ekrandaki dağılımını bulmak - Huygens ve Huygens-Fresnel prensiplerine dayanan yaklaşık yöntemler kullanılır.

Huygens prensibi: AB dalga cephesinin her S 1, S 2,…,S n noktası (Şekil 2) yeni, ikincil dalgaların kaynağıdır. A 1 B 1 dalga cephesinin zamandan sonra yeni konumu
ikincil dalgaların zarf yüzeyini temsil eder.

Huygens-Fresnel ilkesi: dalganın yüzeyinde bulunan tüm ikincil kaynaklar S 1, S 2,…, S n birbiriyle uyumludur, yani. aynı dalga boyuna ve sabit faz farkına sahiptir. M uzayının herhangi bir noktasındaki dalganın genliği ve fazı, ikincil kaynaklardan yayılan dalgaların girişiminin sonucudur (Şekil 3).

Pirinç. 2

Pirinç. 3

Homojen bir ortamda S kaynağından yayılan SM ışınının (Şekil 3) doğrusal yayılımı Huygens-Fresnel prensibi ile açıklanmaktadır. Segmentin küçük bir bölümünde yer alan kaynaklardan gelen dalgalar hariç, AB dalga cephesinin yüzeyinde bulunan ikincil kaynaklardan yayılan tüm ikincil dalgalar, girişimin bir sonucu olarak iptal edilir. ab, SM'ye dik. Işık çok küçük bir tabana sahip dar bir koni boyunca hareket eder; neredeyse düz ileri.

Kırınım ızgarası.

Kırınım olgusu, dikkat çekici bir optik cihazın (kırınım ızgarası) tasarımının temelini oluşturur. Kırınım ızgarası optikte, üzerinde ışık kırınımının meydana geldiği sınırlı bir alanda yoğunlaşan çok sayıda engel ve delikten oluşan bir koleksiyondur.

En basit kırınım ızgarası, düz opak bir ekrandaki N adet aynı paralel yarıktan oluşan bir sistemdir. İyi bir ızgara, özel bir plaka üzerinde paralel vuruşlar üreten özel bir bölme makinesi kullanılarak yapılır. Vuruş sayısı 1 mm'de birkaç bine ulaşır; toplam vuruş sayısı 100.000'i aşıyor (Şekil 4).

Şekil 5

Pirinç. 4

Şeffaf alanların (veya yansıtıcı şeritlerin) genişliği B, ve opak alanların (veya ışık saçan şeritlerin) genişliği A, ardından değer d=b+a isminde kırınım ızgarasının sabiti (periyodu)(Şekil 5).

Huygens-Fresnel ilkesine göre, her şeffaf boşluk (veya yarık), birbirine müdahale edebilen tutarlı ikincil dalgaların kaynağıdır. Paralel ışık ışınlarından oluşan bir ışın, kendisine dik bir kırınım ızgarasına düşerse, merceğin odak düzleminde bulunan E ekranında (Şekil 5) bir kırınım açısında φ, bir kırınım maksimum ve minimum sistemi olacaktır. çeşitli yarıklardan gelen ışığın girişimi sonucu gözlemlenir.

Yarıklardan gelen dalgaların birbirini güçlendirdiği durumu bulalım. Bu amaçla φ açısının belirlediği doğrultuda yayılan dalgaları ele alalım (Şekil 5). Bitişik yarıkların kenarlarından gelen dalgalar arasındaki yol farkı parçanın uzunluğuna eşittir DK=d∙sinφ. Eğer bu segment tam sayıda dalga boyu içeriyorsa, o zaman tüm yarıklardan gelen dalgalar toplanarak birbirini güçlendirecektir.

Büyük Yüksekler bir ızgara ile kırınım sırasında koşulu karşılayan φ açısında gözlenir d∙sinφ=mλ, Nerede m=0,1,2,3… ana maksimumun sırası denir. Büyüklük δ=DK=d∙sinφ benzer ışınlar arasındaki optik yol farkıdır B.M. Ve DN komşu çatlaklardan geliyor.

Büyük düşüşler Bir kırınım ızgarası üzerinde, her yarığın farklı kısımlarından gelen ışığın girişimin bir sonucu olarak tamamen söndüğü kırınım açılarında φ gözlenir. Ana maksimumun koşulu, bir yarıktaki zayıflama koşuluyla örtüşür d∙sinφ=nλ (n=1,2,3…).

Kırınım ızgarası, dalga boylarını ölçmek için en basit ve oldukça doğru cihazlardan biridir. Izgara periyodu biliniyorsa, dalga boyunun belirlenmesi, maksimum yöne karşılık gelen φ açısının ölçülmesine indirgenir.

Işığın dalga doğasından kaynaklanan olayları, özellikle de kırınımı gözlemlemek için, yüksek derecede tutarlı ve tek renkli radyasyonun kullanılması gerekir; Lazer radyasyonu. Lazer, düzlemsel bir elektromanyetik dalga kaynağıdır.

Çift yarık kırınımı

Kırınım- dalgalar yayıldığında ortaya çıkan bir olgu (örneğin, ışık ve ses dalgaları). Bu olgunun özü, dalganın engellerin etrafından bükülebilmesidir. Bu durum dalga hareketinin engelin arkasında, dalganın doğrudan ulaşamayacağı bir alanda gözlemlenmesine neden olur. Bu fenomen, opak nesnelerin kenarlarındaki dalgaların girişimi veya dalga yayılma yolu boyunca farklı ortamlar arasındaki homojensizliklerle açıklanmaktadır. Bir örnek, opak bir ekranın kenarından gölge alanında renkli ışık şeritlerinin görünmesi olabilir.

Dalga yolundaki engelin boyutu, uzunluğuyla karşılaştırılabilir veya daha az olduğunda kırınım kendini iyi gösterir.

Akustik kırınım- ses dalgalarının düz çizgi yayılımından sapma.

1. Yarık kırınımı

Bir yarıktan kırınım sırasında ışık ve gölge bölgelerinin oluşum şeması

Bir dalganın yarıklı bir ekrana düşmesi durumunda kırınıma bağlı olarak nüfuz eder, ancak ışınların doğrusal yayılımından bir sapma gözlenir. Ekranın arkasındaki dalgaların müdahalesi, konumu gözlemin yapıldığı yöne, ekrandan uzaklığa vb. bağlı olan karanlık ve aydınlık alanların ortaya çıkmasına neden olur.

2. Doğada ve teknolojide kırınım

Engellerin arkasından bize ulaşan sesleri duyduğumuzda, günlük yaşamda ses dalgalarının kırınımı sıklıkla gözlemlenir. Sudaki küçük engellerin etrafından dolaşan dalgaları gözlemlemek kolaydır.

Kırınım olgusunun bilimsel ve teknik kullanımları çeşitlidir. Kırınım ızgaraları, ışığı bir spektruma bölmek ve aynalar oluşturmak (örneğin yarı iletken lazerler için) için kullanılır. Kristal katıların yapısını incelemek için X-ışını, elektron ve nötron kırınımı kullanılır.

Kırınım süresi, mikroskoplar gibi optik cihazların çözünürlüğüne sınırlamalar getirir. Boyutları görünür ışığın dalga boyundan (400-760 nm) daha küçük olan nesneler optik mikroskopla görüntülenemez. Benzer bir sınırlama, yarı iletken endüstrisinde entegre devre üretiminde yaygın olarak kullanılan litografi yönteminde de mevcuttur. Bu nedenle spektrumun ultraviyole bölgesindeki ışık kaynaklarının kullanılması gerekmektedir.

3. Işığın kırınımı

Işık kırınımı olgusu, ışığın parçacık dalga doğası teorisini açıkça doğrulamaktadır.

Işığın kırınımını gözlemlemek zordur, çünkü dalgalar yalnızca engellerin boyutunun yaklaşık olarak ışığın dalga boyuna eşit olması ve çok küçük olması koşuluyla girişimden gözle görülür açılarda sapar.

İlk kez girişimi keşfeden Young, farklı renkteki ışık ışınlarına karşılık gelen dalga boylarının incelendiği ışığın kırınımı üzerine bir deney gerçekleştirdi. Kırınım çalışması, prensipte ışığın herhangi bir engel etrafında bükülmesi sonucu ortaya çıkan kırınım desenini hesaplamaya izin veren kırınım teorisini oluşturan O. Fresnel'in çalışmalarında tamamlandı. Fresnel, Huygens ilkesini ikincil dalgaların girişimi fikriyle birleştirerek bu başarıya ulaştı. Huygens-Fresnel ilkesi şu şekilde formüle edilir: ikincil dalgaların girişimi nedeniyle kırınım meydana gelir.

Hafif bir esinti geldi ve su yüzeyi boyunca dalgalar (küçük uzunlukta ve genlikte bir dalga) ilerledi, yolunda, su yüzeyinin üzerinde, bitki gövdeleri, ağaç dalları üzerinde çeşitli engellerle karşılaştı. Dalın arkasında kalan tarafta su sakindir, herhangi bir rahatsızlık yoktur ve dalga bitki saplarının etrafında kıvrılır.

DALGA KIRINIMI (enlem. difraktus– kırık) dalgalar çeşitli engellerin etrafında bükülüyor. Dalga kırınımı herhangi bir dalga hareketinin karakteristiğidir; engelin boyutları dalga boyundan küçükse veya onunla karşılaştırılabilirse meydana gelir.

Işığın kırınımı, engellerin yanından geçerken ışığın doğrusal yayılma yönünden sapması olgusudur. Kırınım sırasında ışık dalgaları opak cisimlerin sınırları etrafında bükülür ve geometrik gölge bölgesine nüfuz edebilir.
Engel bir delik, bir boşluk veya opak bir bariyerin kenarı olabilir.

Işığın kırınımı, ışığın doğrusal yayılma yasasını ihlal ederek geometrik bir gölge bölgesine girmesiyle kendini gösterir. Örneğin, ışığı küçük yuvarlak bir delikten geçirirken, ekranda doğrusal yayılmayla beklenenden daha büyük bir parlak nokta buluruz.

Işığın dalga boyunun kısa olması nedeniyle ışığın doğrusal yayılma yönünden sapma açısı küçüktür. Bu nedenle kırınımı net bir şekilde gözlemlemek için çok küçük engeller kullanmak veya ekranı engellerden uzağa yerleştirmek gerekir.

Kırınım Huygens-Fresnel ilkesine göre açıklanır: Dalga cephesindeki her nokta ikincil dalgaların kaynağıdır. Kırınım deseni ikincil ışık dalgalarının girişiminden kaynaklanır.

A ve B noktalarında oluşan dalgalar tutarlıdır. Ekranda O, M, N noktalarında ne görülüyor?

Kırınım yalnızca mesafelerde açıkça gözlenir

burada R, engelin karakteristik boyutlarıdır. Daha kısa mesafelerde geometrik optik yasaları geçerlidir.

Kırınım olgusu, optik aletlerin (örneğin bir teleskop) çözünürlüğüne bir sınırlama getirir. Sonuç olarak teleskobun odak düzleminde karmaşık bir kırınım modeli oluşur.

Kırınım ızgarası – Aynı düzlemde yer alan, opak boşluklarla ayrılmış çok sayıda dar, paralel, birbirine yakın, ışığa karşı şeffaf alanların (yarıkların) birleşimidir.

Kırınım ızgaraları ışığı yansıtıcı veya iletici olabilir. Çalışma prensibi aynıdır. Izgara, bir cam veya metal plaka üzerinde periyodik paralel vuruşlar yapan bir bölme makinesi kullanılarak yapılır. İyi bir kırınım ızgarası 100.000'e kadar çizgi içerir. Şunu belirtelim:

A– ışığa karşı şeffaf olan yarıkların (veya yansıtıcı şeritlerin) genişliği;
B– opak alanların (veya ışık saçan alanların) genişliği.
Büyüklük d = a + b kırınım ızgarasının periyodu (veya sabiti) olarak adlandırılır.

Izgara tarafından oluşturulan kırınım modeli karmaşıktır. Yarık tarafından kırınıma bağlı olarak ana maksimum ve minimumları, ikincil maksimumları ve ek minimumları gösterir.
Spektrumdaki dar parlak çizgiler olan ana maksimumlar, bir kırınım ızgarası kullanarak spektrumları incelerken pratik öneme sahiptir. Beyaz ışık bir kırınım ızgarasına düştüğünde, bileşimindeki her rengin dalgaları kendi kırınım maksimumlarını oluşturur. Maksimumun konumu dalga boyuna bağlıdır. Sıfır yüksek (k = 0 ) tüm dalga boyları gelen ışının yönünde oluşturulur (β = 0 ), bu nedenle kırınım spektrumunda merkezi bir parlak bant vardır. Solunda ve sağında farklı derecelerde renk kırınım maksimumları gözlenir. Kırınım açısı dalga boyuyla orantılı olduğundan kırmızı ışınlar mor ışınlara göre daha fazla saptırılır. Kırınım ve prizmatik spektrumdaki renklerin sırasındaki farklılığa dikkat edin. Bu sayede spektral aparat olarak bir kırınım ızgarası ve prizma kullanılır.

Bir kırınım ızgarasından geçerken, uzunluğa sahip bir ışık dalgası λ ekran minimum ve maksimum yoğunluk dizisini verecektir. Maksimum yoğunluk β açısında gözlemlenecektir:

burada k, kırınım maksimumunun sırası adı verilen bir tamsayıdır.

Temel özet: