Меню

Какие явления наблюдаются при дифракции света



Дифракция света

Консультации по выполнению всех типов работ

Что такое дифракция света

Дифракция света — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.

Изначально под ней подразумевалось преломление световой волной препятствия. Однако сегодня данное толкование считается частичным. С более подробным изучением передвижения волны света под дифракцией стали подразумеваться разнообразные формы распространения света в неоднородной среде. Это может быть, как огибание препятствия, так и преломление волны из-за него. Кроме того, свет может переходить от точки к точке постепенно. Это образует криволинейный волновой пучок, что связано не с дифракцией, а с геометрической оптикой.

Таким образом, в волновой теории под дифракцией понимается любое отклонение от норм геометрической оптики. Суть процесса заключается в том, что свет при входе в геометрическую тень огибает препятствие.

Где применяется, принцип Гюйгенса – Френеля

Впервые процесс распространения света был подробно представлен в работах Гюйгенса .

Принцип Гюйгенса заключается в следующем: все, что находится по близости распространения света, является причиной появления новых сферических волн. Сформированные волны рассеиваются от встретившейся точки во всех направлениях, как от излучаемого свет центра. В результате этого происходит их наложение друг на друга.

Теория Гюйгенса была дополнена Френелем. Ученый доказал, что полученная от столкновения с препятствием волна является реальной. В комплексе они интерферируют, то есть взаимодействуют друг с другом. От этого становятся сильнее, что позволяет им распространяться не только вперед, но и назад. Во время движения назад происходит контакт с первоисточником. В результате чего начинается угасание всех световых волн.

Получается, что вторичные волны усиливаются при направлении вперед, а в местах ослабления будут заметны темные участки пространства.

В подобных случаях очевидно появление дифракции на отверстии, поскольку волна огибает его края по направлению к области геометрической тени. Это объясняется тем, что отверстие вырезает светящийся диск, соразмерный его диаметру. Дальнейшее световое поле — это процесс взаимодействия волны вторичных источников, полученных на диске отверстия. В результате этого ход лучей искривляется, поскольку искривленная волна рассеивается в разных направлениях, что не совпадает с первоначальным движением.

Качество волны света, возникшей от разных точек, зависит от фазы и угла отклонения лучей. Это приводит к чередованию максимумов и минимумов.

Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны. А результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

Условия для возникновения дифракции

Главным условием для возникновения дифракции является наличие препятствия и первоисточника света.

Длина препятствия не должна быть больше длины волны. В противном случае волна просто рассеется или будет заметна только вблизи. Чтобы можно было заметить постоянную картину дифракции, волны должны быть от разных источников. Этого добиться несложно: достаточно иметь один источник света и несколько препятствий. Когда волна попадает на препятствие, она становится новым световым источником. В результате данного взаимодействия световых волн от разных препятствий можно получить устойчивую дифракционную картину.

Таким образом, для возникновения дифракции длина световой волны должна быть соразмерна длине препятствия. Если размеры препятствия больше длины волны, то образуется тень, поскольку волны за нее не проникают. Если размер препятствия слишком мал, то свет с ним не взаимодействует. Чем меньше отверстие препятствия, тем быстрее световая волна расходится в стороны.

Получается, что дифракционное изображение напрямую связано с геометрическими особенностями препятствия.

Где можно наблюдать в природных условиях

Яркие примеры прохождения света через препятствие можно встретить в природе. Речь идет о случаях, когда облака прикрывают солнце или луну. Солнечный свет не может продолжить прямолинейное движение сквозь призму возникшего препятствия. В результате этого лучи преломляются и образуют дугу вокруг самого светила. Кроме того, в зависимости от структуры облака, свет может рассеиваться сквозь дождевые капли. Картина преломления при этом будет представлена разноцветным сиянием.

Читайте также:  Как высчитать свет по квитанции

Радуга на небе или блики масляного пятна на воде также являются примером преломления световой волной препятствия в природных условиях.

Если смотреть на пылающее пламя сквозь запотевшее окно, то можно заметить, как огонь начинает неестественно двигаться в разных направлениях. При этом он окружается разноцветным ореолом, что тоже объясняется световым преломлением препятствия.

Что такое дифракционная решетка

Сфера отклонения света от прямолинейного направления нашла свое применение в повседневной жизни. Примером тому служит светоотражение на CD или DVD дисках. На первый взгляд отражение напоминает радугу. Но при более подробном изучении становится очевидным, что характеристика данного светоотражения имеет достаточно сложную структуру. На диск наносятся на одинаковом расстоянии друг от друга дорожки. Это создает совокупность щелей. При попадании на них света происходит дифракция. Она становится причиной появления световой радуги.

Дифракционная решетка — это совокупность многочисленных щелей и расстояний между ними.

Изображение на решетке является взаимодействием волн света, которые произошли от всех имеющихся щелей одновременно. В физике этот процесс называется многолучевой интерференцией.

Наиболее сложным образцом световой дифракции считается голограмма на кредитных картах. Это связано с наличием на ней дифракционной решетки более сложного вида. В центре голограммы имеется яркое световое кольцо. При попадании на него света можно получить отражение в виде луны или солнца. Это обусловлено игрой света и тени: при попадании света голограммы на тень от пластика образуется некая световая волна.

Связь дифракции и разрешающей способности оптических приборов

Дифракция света считается ограничителем разрешения для оптических приборов: телескопа, микроскопа. В том числе и для человеческого глаза.

Размер препятствий должен быть намного больше длины волны света. Кроме того, рассматривается преломление световой волны препятствия на круглом отверстии.

В качестве примера возьмем 2 звезды на небе. Звездный свет попадает в глаз через зрачок. Таким образом, на сетчатке глаза обе звезды сформируют 2 картины. Они представлены двумя центральными максимумами. Если свет будет падать под определенным углом, то звезды сольются в одну звезду.

Получается, что разрешение можно увеличить или уменьшить, если изменить диаметр объектива или сократить длину волны.

Принцип увеличения используют в телескопах, что позволяет уменьшению рассматриваемого объекта до удобных для рассматривания размеров. Уменьшение объектива используют в изготовлении микроскопов. Это позволяет увеличить маленький элемент до удобных для рассматривания размеров.

Получите помощь лучших авторов по вашей теме

Источник

Дифракция света: явление, наблюдение, примеры

Шесть важных явлений описывают поведение световой волны, если она встречает на своем пути какое-либо препятствие. К этим явлениям относятся отражение, преломление, поляризация, дисперсия, интерференция и дифракция света. В данной статье речь пойдет о последнем из них.

Споры о природе света и опыты Томаса Юнга

В середине XVII века на равных правах существовали две теории, касающиеся природы световых лучей. Основоположником одной из них был Исаак Ньютон, который полагал, что свет — это совокупность быстро движущихся частичек материи. Вторую теорию выдвинул голландский ученый Кристиан Гюйгенс. Он считал, что свет — это особый тип волн, распространяющийся в среде подобно тому, как звук движется в воздухе. Средой для света, согласно Гюйгенсу, был эфир.

Поскольку эфира никто не обнаружил, а авторитет Ньютона был огромным на то время, теорию Гюйгенса отклонили. Однако в 1801 году англичанин Томас Юнг провел следующий эксперимент: он пропускал монохроматический свет через две узкие щели, расположенные близко друг от друга. Проходящий свет он проецировал на стену.

Читайте также:  Как создать свет для видеосъемки

Каков был результат этого опыта? Если бы свет представлял собой частицы (корпускулы), как полагал Ньютон, то изображение на стене соответствовало бы четким двум ярким полосам, происходящим от каждой из щелей. Однако Юнг наблюдал совершенно иную картину. На стене появлялась череда темных и светлых полос, причем светлые линии появлялись даже за пределами обеих щелей. Схематическое изображение описанной световой картины представлено на рисунке ниже.

Эта картина говорила об одном: свет является волной.

Явление дифракции

Световая картина в опытах Юнга связана с явлениями интерференции и дифракции света. Оба явления трудно отделить друг от друга, поскольку в ряде экспериментов можно наблюдать их совокупный результат.

Дифракция света заключается в изменении волнового фронта, когда он встречает на своем пути препятствие, размеры которого сравнимы или меньше длины волны. Из этого определения понятно, что дифракция характерна не только для света, но и для любых других волн, например звуковых или волн на поверхности моря.

Также понятно, почему в природе не удается наблюдать это явление (длина световой волны составляет несколько сотен нанометров, поэтому любые макроскопические объекты отбрасывают четкие тени).

Принцип Гюйгенса — Френеля

Явление дифракции света объясняется благодаря названному принципу. Его суть заключается в следующем: распространяющийся прямолинейный плоский волновой фронт приводит к возбуждению вторичных волн. Эти волны являются сферическими, однако если среда однородная, то, налагаясь друг на друга, они приведут к первоначальному плоскому фронту.

Как только возникает какое-либо препятствие (например, две щели в опыте Юнга), то оно становится источником вторичных волн. Поскольку количество этих источников ограничено и определяется геометрическими особенностями препятствия (в случае двух тонких щелей вторичных источников всего два), то результирующая волна уже не даст первоначальный плоский фронт. Последний изменит свою геометрию (например, приобретет сферическую форму), более того, появятся максимумы и минимумы интенсивности света в разных его частях.

Принцип Гюйгенса — Френеля демонстрирует, что явления интерференции и дифракции света являются неразделимыми.

Какие условия необходимы, чтобы можно было наблюдать дифракцию?

Одно из них уже было озвучено выше: это наличие небольших (порядка длины волны) препятствий. Если же препятствие будет относительно больших геометрических размеров, то дифракционная картина будет наблюдаться только вблизи его краев.

Вторым важным условием дифракции света является когерентность волн от разных источников. Это означает, что они должны иметь постоянную разность фаз. Только в этом случае благодаря интерференции можно будет наблюдать устойчивую картину.

Когерентность источников достигается простым способом, достаточно любой световой фронт от одного источника пропустить через одно или несколько препятствий. Вторичные источники от этих препятствий уже будут действовать, как когерентные.

Заметим, что для наблюдения интерференции и дифракции света совершенно не обязательно, чтобы первичный источник был монохроматическим. Об этом будет сказано ниже при рассмотрении дифракционной решетки.

Дифракция Френеля и Фраунгофера

Говоря простым языком, дифракция Френеля заключается в рассмотрении картины на экране, расположенном близко к щели. Дифракция же Фраунгофера рассматривает картину, которая получается на расстоянии гораздо большем ширины щели, кроме того, она предполагает, что падающий на щель волновой фронт является плоским.

Выделяют эти два вида дифракции потому, что картины в них получаются разными. Связано это со сложностью рассматриваемого явления. Дело в том, что для получения точного решения дифракционной задачи необходимо использовать теорию электромагнитных волн Максвелла. Принцип же Гюйгенса — Френеля, упомянутый ранее, является хорошим приближением для получения практически пригодных результатов.

Ниже на рисунке показано, как изменяется изображение на дифракционной картине, когда экран удаляют от щели.

На рисунке красная стрелка показывает направление приближения экрана к щели, то есть верхний рисунок соответствует дифракции Фраунгофера и нижний — Френеля. Как видно, при приближении экрана к щели картина становится более сложной.

Читайте также:  Как правильно пишется цвет или свет светофора

Далее в статье будем рассматривать только дифракцию Фраунгофера.

Дифракция на тонкой щели (формулы)

Как выше отмечалось, дифракционная картина зависит от геометрии препятствия. В случае тонкой щели, имеющей ширину a, которую освещают монохроматическим светом с длиной волны λ, положение минимумов (тени) можно наблюдать для углов, соответствующих равенству

sin(θ) = m × λ/a, где m = ±1, 2, 3.

Угол тета здесь отсчитывается от перпендикуляра, соединяющего центр щели и экран. Благодаря этой формуле можно рассчитать, при каких углах будет происходить полное гашение волн на экране. Более того, можно рассчитать порядок дифракции, то есть число m.

Поскольку речь идет о дифракции Фраунгофера, то L>>a, где L — расстояние до экрана от щели. Последнее неравенство позволяет заменить синус угла простым отношением координаты y к расстоянию L, что приводит к следующей формуле:

Здесь ym — это координата положения минимума порядка m на экране.

Дифракция на тонкой щели (анализ)

Приведенные в предыдущем пункте формулы позволяют проанализировать изменения дифракционной картины при изменении длины волны λ или ширины щели a. Так, увеличение величины a приведет к уменьшению координаты минимума первого порядка y1, то есть свет будет концентрироваться в узком центральном максимуме. Уменьшение же ширины щели приведет к растяжению центрального максимума, то есть он становится расплывчатым. Эта ситуация продемонстрирована на рисунке ниже.

Изменение длины волны действует наоборот. Большие значения λ приводят к размыванию картины. Это означает, что длинные волны лучше дифрагируют, чем короткие. Последнее имеет принципиальное значение при определении разрешающей способности оптических приборов.

Дифракция и разрешающая способность оптических приборов

Наблюдение дифракции света является ограничителем разрешающей способности любых оптических приборов, например телескопа, микроскопа и даже человеческого глаза. Когда речь идет об этих приборах, то рассматривают дифракцию не на щели, а на круглом отверстии. Тем не менее все выводы, сделанные ранее, остаются верными.

Для примера будем рассматривать две светящиеся звезды, которые находятся на огромном расстоянии от нашей планеты. Отверстие, через которое свет попадает в наш глаз, называется зрачком. От двух звезд на сетчатке глаза формируются две дифракционные картины, каждая из которых имеет центральный максимум. Если в зрачок свет от звезд падает под некоторым критическим углом, то оба максимума будут сливаться в один. В этом случае человек будет видеть одну-единственную звезду.

Критерий разрешающей способности был установлен лордом Дж. У. Рэлеем, поэтому в настоящее время он носит его фамилию. Соответствующая математическая формула выглядит так:

Здесь D — диаметр круглого отверстия (объектив, зрачок и так далее).

Таким образом, разрешающую способность можно увеличить (уменьшить θc), если увеличить диаметр объектива или уменьшить длину волны. Первый вариант реализуется в телескопах, позволяющих в несколько раз уменьшать θc по сравнению с глазом человека. Второй вариант, то есть уменьшение λ, находит применение в электронных микроскопах, которые обладают в 100 тысяч раз лучшей разрешающей способностью, чем аналогичные световые приборы.

Дифракционная решетка

Она представляет собой совокупность тонких щелей, находящихся на расстоянии d друг от друга. Если фронт волны является плоским и падает параллельно на эту решетку, тогда положение максимумов на экране описывается выражением

sin(θ) = m×λ/d, где m = 0, ±1, 2, 3.

Формула показывает, что максимум нулевого порядка возникает по центру, остальные расположены под некоторыми углами θ.

Поскольку в формуле стоит зависимость θ от длины волны λ, то это означает, что дифракционная решетка может разлагать свет на цвета подобно призме. Этот факт применяют в спектроскопии для анализа спектров различных светящихся объектов.

Пожалуй, самым известным примером дифракции света является наблюдение цветных оттенков на DVD-диске. Бороздки на нем представляют собой дифракционную решетку, которая, отражая свет, разлагает его на ряд цветов.

Источник