Šviesos difrakcijos pavyzdys yra Šviesos difrakcijos reiškinio tyrimas. Kaip pasireiškia šviesos difrakcija?

APIBRĖŽIMAS

Difrakcija- lenkimas aplink kliūtis su banga.

Kadangi šviesa yra bangų rinkinys, ji, kaip ir bet kuri banga, yra difrakcijai. Tačiau kadangi šviesos ilgis yra labai mažas, jis gali nukrypti nuo tiesinio sklidimo juntamais kampais tik tuo atveju, jei kliūčių matmenys yra palyginami su bangos ilgiais, tai yra, labai maži.

Bendresnis šviesos difrakcijos apibrėžimas pateikiamas taip. Šviesos difrakcija yra reiškinių, susijusių su bangine šviesos prigimtimi, paketas, kurį galima pastebėti, kai ji sklinda ryškių nehomogeniškumo medžiagoje. Eksperimentai, įrodantys šviesos difrakcijos reiškinį, yra šie: šviesos nuokrypis nuo tiesinio sklidimo, kai praeina per nepermatomų ekranų skylutes, lenkiant aplink nepermatomų kūnų ribas.

Griežtas bangų lygčių sprendimas svarstant difrakcijos problemas yra gana sudėtinga problema. Todėl dažnai naudojami apytiksliai sprendimo būdai.

Difrakcijos reiškinys nustato geometrinės optikos dėsnių pritaikomumo ribas ir nustato optinių prietaisų skiriamosios gebos ribą.

Frenelio teorija

O. Fresnelis papildė Hiugenso principą antrinių bangų idėja ir sukūrė kiekybinę difrakcijos teoriją. Jis eksperimentiškai ištyrė įvairius difrakcijos variantus ir sukūrė kiekybinę teoriją, leidžiančią kiekybiškai apibūdinti difrakcijos modelį, kuris atsiranda šviesos bangai apeinant bet kokią kliūtį. Frenelio teorijos pagrindas buvo pozicija, kad bangos paviršius tam tikru laiko momentu yra ne tik antrinių bangų gaubtas, bet ir jų trukdžių rezultatas. Ši pozicija vadinama Huygens-Fresnelio principu.

Remiantis Frenelio teorija, norint apskaičiuoti šviesos bangos amplitudę savavališkame erdvės taške, teoriškai šviesos šaltinį reikėtų apsupti uždaru paviršiumi. Bangų iš antrinių šaltinių, esančių ant gauto paviršiaus, superpozicija nulems amplitudę tiriamame erdvės taške. Arba, kitaip tariant, už įsivaizduojamo paviršiaus iš tikrųjų sklindanti banga gali būti pakeista nuoseklių fiktyvių antrinių bangų, kurios trukdo, rinkiniu.

Kai kuriose difrakcijos problemose, turinčiose ašinę simetriją, antrinių bangų trukdžių skaičiavimas supaprastinamas naudojant geometrinį metodą, kai bangos frontas yra padalintas į dalis - žiedus. Šios sritys vadinamos Frenelio zonomis. Padalijimo į zonas procedūra atliekama taip, kad optinio kelio skirtumas nuo panašių ribų nuo kiekvienos gretimų zonų poros iki svarstymo taško būtų lygus pusei bangos ilgio. Šiuo atveju antrinės bangos iš panašių gretimų zonų poros taškų patenka į svarstymo tašką, turinčios priešingas fazes, todėl susilpnina viena kitą, kai jos yra uždėtos.

Frenelio zonos numerio n () spindulys yra lygus:

kur a yra atstumas nuo šviesos šaltinio iki nepermatomo ekrano skylės; b – atstumas nuo skylės iki stebėjimo taško.

Difrakcinė gardelė

Difrakcijos gardelės įtaisas pagrįstas difrakcijos reiškiniu. Tai siaurų plyšių rinkinys, skiriantis siaurus nepermatomus tarpus. Kampų (), kurie gaunami nukreipus į difrakcijos spektro maksimumus, atsirandančius naudojant difrakcijos gardelę, reikšmės nustatomos pagal išraišką:

kur d yra gardelės periodas. Difrakcinės gardelės pagalba balta šviesa suskaidoma į spektrą. Jis gali būti naudojamas apskaičiuojant šviesos bangos ilgį.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

1 PAVYZDYS

Pratimas	Koks yra atstumas nuo skylės iki stebėjimo taško (b), jei skylė atskleidžia tris Frenelio zonas? Šiuo atveju taškinis šviesos šaltinis yra a=1 m atstumu nuo diafragmos su apvalia 1 mm spindulio anga (1 pav.), m.
Sprendimas	Apsvarstykite statųjį trikampį SCB. Jam: Tuo pačiu metu aišku, kad šviesos bangos ilgis () yra daug mažesnis nei atstumai a ir . Kitam trikampiui (BCA) turime: Sulyginkite teisingas (1.1) ir (1.2) išraiškų dalis, atsižvelkite į tai, kad turime: Į formulę (1.1) pakeičiame dešinę išraiškos pusę (1.3), o ne x, gauname: Vertės gali būti nepaisoma, palyginti su . Galima laikyti, kad: Iš (1.5) išreikškime norimą reikšmę b, turime: Atlikime skaičiavimus:
Atsakymas	m

2 PAVYZDYS

Pratimas	Monochromatinė banga paprastai krenta ant difrakcijos gardelės, kurios periodas yra m, kuris yra lygus bangos ilgiui, jei kampas tarp pirmos ir antros eilės spektrų yra .
Sprendimas	Norėdami išspręsti problemą, naudojame sąlygą difrakcijos gardelės spektro maksimumams: Kadangi nagrinėjame pirmos ir antros eilės spektrus, formulė (2.1) pateiks tokias išraiškas:

1 apibrėžimas

Šviesos difrakcija – tai reiškinys, kai šviesa nukrypsta nuo tiesinės sklidimo krypties, kai važiuojama šalia kliūčių.

Klasikinėje fizikoje difrakcijos reiškinys apibūdinamas kaip bangų trukdžiai pagal Huygens-Fresnelio principą. Šie būdingi elgesio modeliai atsiranda, kai banga susiduria su kliūtimi arba tarpu, kurio dydis yra panašus į bangos ilgį. Panašūs efektai atsiranda, kai šviesos banga praeina per terpę, kurios lūžio rodiklis keičiasi, arba kai garso banga praeina per terpę, kurios akustinė varža pasikeičia. Difrakcija atsiranda su visų rūšių bangomis, įskaitant garso bangas, vėjo bangas ir elektromagnetines bangas, taip pat matomą šviesą, rentgeno spindulius ir radijo bangas.

Kadangi fizikiniai objektai turi bangines savybes (atominiame lygmenyje), difrakcija taip pat vyksta su medžiagomis ir gali būti tiriama pagal kvantinės mechanikos principus.

Pavyzdžiai

Kasdieniame gyvenime dažnai susiduriama su difrakcijos efektu. Ryškiausi difrakcijos pavyzdžiai yra tie, kurie susiję su šviesa; pavyzdžiui, glaudžiai išdėstyti takeliai kompaktiniuose arba DVD diskuose veikia kaip difrakcijos grotelės. Difrakcija mažų dalelių atmosferoje gali sukelti ryškų žiedą, kuris matomas šalia ryškios šviesos šaltinio, pavyzdžiui, saulės ar mėnulio. Dėmės, atsirandančios lazerio spinduliui atsitrenkus į optiškai nelygų paviršių, taip pat yra difrakcija. Visi šie efektai yra to, kad šviesa sklinda kaip banga, pasekmė.

1 pastaba

Difrakcija gali atsirasti esant bet kokiai bangai.

Vandenyno bangos išsisklaido aplink prieplaukas ir kitas kliūtis. Garso bangos gali lūžti aplink objektus, todėl galite išgirsti ką nors šaukiant net tada, kai jie slepiasi už medžio.

Istorija

Šviesos difrakcijos poveikis buvo gerai žinomas Francesco Maria Grimaldi laikais, kuris taip pat sukūrė difrakcijos terminą. Grimaldi gauti rezultatai buvo paskelbti po mirties 1665 USD. Thomas Youngas atliko garsųjį eksperimentą už 1803 USD, parodydamas trukdžius iš dviejų glaudžiai išdėstytų plyšių. Aiškindamas savo rezultatus bangų, sklindančių iš dviejų skirtingų plyšių, trukdžių, jis padarė išvadą, kad šviesa turi sklisti bangų pavidalu. Fresnelis atliko tikslesnius difrakcijos tyrimus ir skaičiavimus, kurie buvo paskelbti 1815 USD. Savo teorijos pagrindu Fresnelis naudoja Christiano Huygenso sukurtą šviesos apibrėžimą, papildydamas jį antrinių bangų trukdžių idėja. Eksperimentinis Frenelio teorijos patvirtinimas tapo vienu iš pagrindinių šviesos banginės prigimties įrodymų. Ši teorija dabar žinoma kaip Huygens-Fresnelio principas.

Šviesos difrakcija

Plyšinė difrakcija

Ilgas be galo mažo pločio plyšys, kurį apšviečia šviesa, laužia šviesą į apskritų bangų seką ir į bangos frontą, kuris atsiranda iš plyšio ir yra vienodo intensyvumo cilindrinė banga. Plyšys, kuris yra platesnis už bangos ilgį, sukuria trukdžių efektus erdvėje ties plyšio išėjimu. Juos galima paaiškinti tuo, kad plyšys elgiasi taip, lyg jame būtų daug taškinių šaltinių, kurie tolygiai pasiskirstę per visą plyšio plotį. Šios sistemos analizė supaprastėja, jei atsižvelgsime į vieno bangos ilgio šviesą. Jei krintanti šviesa yra koherentiška, visi šie šaltiniai turi tą pačią fazę.

Difrakcinė gardelė

Difrakcinė gardelė yra periodinės struktūros optinis komponentas, kuris skaido ir išsklaido šviesą į daugybę spindulių, sklindančių skirtingomis kryptimis.

Gardelių išsklaidyta šviesa nustatoma sumuojant nuo kiekvieno elemento išsklaidytą šviesą ir iš esmės yra difrakcijos ir trukdžių modelių konvoliucija.

L3 -4

Šviesos difrakcija

Difrakcija vadinamas bangų lenkimas aplink kliūtis, sutinkamas jų kelyje, arba platesne prasme – bet koks bangų sklidimo šalia kliūčių nukrypimas nuo geometrinės optikos dėsnių. Dėl difrakcijos bangos gali patekti į geometrinio šešėlio sritį, apeiti kliūtis, prasiskverbti pro mažą skylutę ekranuose ir pan.

Nėra reikšmingo fizinio skirtumo tarp trukdžių ir difrakcijos. Abu reiškiniai susideda iš šviesos srauto perskirstymo dėl bangų superpozicijos (superpozicijos). Dėl istorinių priežasčių nukrypimas nuo šviesos pluoštų nepriklausomybės dėsnio, atsirandantis dėl koherentinių bangų superpozicijos, paprastai vadinamas bangų trukdžiais. Nukrypimas nuo tiesinio šviesos sklidimo dėsnio, savo ruožtu, vadinamas bangų difrakcija.

Difrakcijos stebėjimas paprastai atliekamas pagal šią schemą. Iš kokio nors šaltinio sklindančios šviesos bangos kelyje dedamas nepermatomas barjeras, dengiantis dalį šviesos bangos bangos paviršiaus. Už barjero yra ekranas, ant kurio atsiranda difrakcijos raštas.

Yra du difrakcijos tipai. Jei šviesos šaltinis S ir stebėjimo taškas P esantis taip toli nuo kliūties, kad spinduliai krenta ant kliūties ir spinduliai eina į tašką P, sudaro beveik lygiagrečias sijas, kalba apie difrakcija lygiagrečiuose pluoštuose arba apie Fraunhoferio difrakcija. Kitu atveju kalbėkite apie Frenelio difrakcija. Fraunhoferio difrakciją galima stebėti pastatant už šviesos šaltinio S ir priešais stebėjimo tašką P išilgai objektyvo taip, kad taškai S Ir P buvo atitinkamo lęšio židinio plokštumoje (pav.).

Iš esmės Fraunhoferio difrakcija nesiskiria nuo Frenelio difrakcijos. Kiekybinis kriterijus, leidžiantis nustatyti, kokia difrakcija vyksta, yra nustatomas pagal bematio parametro reikšmę, kur b yra būdingas kliūties dydis, l yra atstumas tarp kliūties ir ekrano, kuriame stebimas difrakcijos modelis,  yra bangos ilgis. Jeigu

Difrakcijos reiškinys kokybiškai paaiškinamas naudojant Huygenso principą, pagal kurį kiekvienas taškas, kurį pasiekia banga, yra antrinių bangų centras, o šių bangų gaubtas nustato bangos fronto padėtį kitu laiko momentu. Monochromatinei bangai bangos paviršius yra paviršius, ant kurio toje pačioje fazėje vyksta svyravimai.

Tegul plokštumos banga paprastai patenka į skylę nepermatomame ekrane (pav.). Anot Huygenso, kiekvienas bangos fronto atkarpos taškas, kurį išskiria skylė, yra antrinių bangų šaltinis (izotropinėje terpėje jos yra sferinės). Tam tikrą laiko momentą sukonstravę antrinių bangų gaubtą, matome, kad bangos frontas patenka į geometrinio šešėlio sritį, t.y. apvynioja aplink skylės kraštą.

Huygenso principas išsprendžia tik bangos fronto sklidimo krypties problemą, bet neturi įtakos amplitudės klausimui, taigi ir intensyvumui bangos fronte. Iš kasdienės patirties žinoma, kad daugeliu atvejų šviesos spinduliai nenukrypsta nuo savo tiesinio sklidimo. Taigi taškinio šviesos šaltinio apšviesti objektai suteikia ryškų šešėlį. Taigi reikia papildyti Huygenso principą, kuris leidžia nustatyti bangos intensyvumą.

Fresnelis papildė Huygenso principą antrinių bangų trukdžių idėja. Pagal Huygens-Fresnelio principas, šviesos banga, kurią sužadina koks nors šaltinis S, gali būti pavaizduotas kaip koherentinių antrinių bangų superpozicijos rezultatas, skleidžiamas mažų uždaro paviršiaus elementų, gaubiančių šaltinį. S. Paprastai šiuo paviršiumi pasirenkamas vienas iš bangų paviršių, todėl antrinių bangų šaltiniai veikia fazėje. Analitine forma taškiniam šaltiniui šis principas parašytas kaip

, (1) kur E yra šviesos vektorius, kuris apima priklausomybę nuo laiko
, k yra bangos skaičius, r- atstumas nuo taško P paviršiuje S iki taško P, K- koeficientas, priklausantis nuo aikštelės orientacijos šaltinio ir taško atžvilgiu P. (1) formulės ir funkcijos formos galiojimas K yra nustatyta šviesos elektromagnetinės teorijos rėmuose (optinėje aproksimacijoje).

Tuo atveju, kai tarp šaltinio S ir stebėjimo taškas P yra nepermatomų ekranų su skylutėmis, į šių ekranų poveikį galima atsižvelgti taip. Nepermatomų ekranų paviršiuje antrinių šaltinių amplitudės laikomos lygiomis nuliui; skylių srityje šaltinių amplitudės yra tokios pat kaip ir nesant ekrano (vadinamoji Kirchhoff aproksimacija).

Frenelio zonos metodas. Atsižvelgus į antrinių bangų amplitudes ir fazes, iš esmės galima rasti gautos bangos amplitudę bet kuriame erdvės taške ir išspręsti šviesos sklidimo problemą. Bendruoju atveju antrinių bangų trukdžių apskaičiavimas pagal (1) formulę yra gana sudėtingas ir sudėtingas. Tačiau nemažai problemų galima išspręsti taikant itin vizualią techniką, kuri pakeičia sudėtingus skaičiavimus. Šis metodas vadinamas metodu Frenelio zonos.

Metodo esmę panagrinėsime taškinio šviesos šaltinio pavyzdžiu S. Bangų paviršiai šiuo atveju yra koncentrinės sferos, kurių centras yra S. Padalinkime paveikslėlyje parodytą bangos paviršių į žiedines zonas, sudarytas taip, kad atstumai nuo kiekvienos zonos kraštų iki taško P skirtis pagal
. Zonos su šia savybe vadinamos Frenelio zonos. Iš pav. matyti, kad atstumas nuo išorinio krašto m-toji zona iki taško P lygus

, Kur b yra atstumas nuo bangos paviršiaus viršaus O iki taško P.

Vibracijos artėja prie taško P iš panašių dviejų gretimų zonų taškų (pavyzdžiui, taškai, esantys zonų viduryje arba išoriniuose zonų kraštuose) yra priešfazėje. Todėl vibracijos iš gretimų zonų susilpnins viena kitą ir susidariusios šviesos vibracijos amplitudę taške P

, (2) kur , , … yra 1-osios, 2-osios, … zonų sužadintų virpesių amplitudės.

Norėdami įvertinti virpesių amplitudes, randame Frenelio zonų plotus. Tegul išorinė siena m-toji zona parenka sferinį aukščio segmentą bangos paviršiuje . Žymi šio segmento plotą , surask tai, sritis m Frenelio zona yra lygi
. Iš paveikslo matyti, kad. Po paprastų transformacijų, atsižvelgiant į
Ir
, mes gauname

. Sferinio segmento plotas ir plotas m Frenelio zonos yra atitinkamai lygios

,
. (3) Taigi, ne per dideliam m Frenelio zonų plotai yra vienodi. Remiantis Fresnelio prielaida, atskirų zonų veikimas taške P kuo mažesnis, tuo didesnis kampas tarp normalių n į zonos paviršių ir kryptį į P, t.y. zonų veikimas palaipsniui mažėja nuo centrinės iki periferinės. Be to, spinduliavimo intensyvumas taško kryptimi P mažėja augant m o dėl atstumo nuo zonos iki taško padidėjimo P. Taigi virpesių amplitudės sudaro monotoniškai mažėjančią seką

Bendras Frenelio zonų, telpančių pusrutulyje, skaičius yra labai didelis; pavyzdžiui, kada
Ir
zonų skaičius siekia ~10 6 . Tai reiškia, kad amplitudė mažėja labai lėtai, todėl galime apytiksliai apsvarstyti

. (4) Tada po pertvarkymo išraiška (2) sumuojama

, (5), nes skliausteliuose esantys posakiai pagal (4) yra lygūs nuliui, o paskutinio nario indėlis yra nereikšmingas. Taigi, atsirandančių svyravimų amplitudė savavališkame taške P yra tarsi nulemtas centrinės Frenelio zonos pusės veikimo.

Kai ne per didelis m segmento aukštis
, todėl galime manyti
. Pakeičiant vertę , gauname išorinės ribos spinduliui m toji zona

. (6) Kada
Ir
pirmosios (centrinės) zonos spindulys
. Todėl šviesos sklidimas iš SĮ P atsiranda taip, tarsi šviesos srautas patektų į labai siaurą kanalą SP, t.y. tiesmukai.

Bangų fronto padalijimo į Frenelio zonas teisėtumas buvo patvirtintas eksperimentiškai. Tam naudojama zonos plokštė - paprasčiausiu atveju stiklo plokštė, susidedanti iš kintamų skaidrių ir nepermatomų koncentrinių žiedų sistemos, turinčios tam tikros konfigūracijos Frenelio zonos spindulius. Jei zonos plokštę pastatysite griežtai apibrėžtoje vietoje (atstumu a iš taškinio šaltinio ir per atstumą b nuo stebėjimo taško), tada gaunama amplitudė bus didesnė nei esant visiškai atviram bangos frontui.

Frenelio difrakcija pagal apskritą skylę. Frenelio difrakcija stebima baigtiniu atstumu nuo difrakciją sukėlusios kliūties, šiuo atveju ekrano su skylute. Sferinė banga, sklindanti iš taškinio šaltinio S, pakeliui sutinka ekraną su skylute. Difrakcijos raštas stebimas ekrane, lygiagrečiame ekranui su skylute. Jo išvaizda priklauso nuo atstumo tarp skylės ir ekrano (tam tikram skylės skersmeniui). Lengviau nustatyti šviesos virpesių amplitudę paveikslo centre. Norėdami tai padaryti, atvirą bangos paviršiaus dalį padalijame į Frenelio zonas. Visų zonų sužadinta virpesių amplitudė lygi

, (7) kur pliuso ženklas atitinka nelyginį m o minusas – lygus m.

Kai skylė atveria nelyginį Frenelio zonų skaičių, tada amplitudė (intensyvumas) centriniame taške bus didesnė nei tada, kai banga sklinda laisvai; jei ir tada amplitudė (intensyvumas) bus lygi nuliui. Pavyzdžiui, jei skylė atveria vieną Frenelio zoną, amplitudė
, tada intensyvumas (
) keturis kartus daugiau.

Virpesių amplitudės skaičiavimas ne ašies ekrano dalyse yra sudėtingesnis, nes atitinkamos Frenelio zonos iš dalies sutampa nepermatomu ekranu. Kokybiškai aišku, kad difrakcijos modelis turės kintamų tamsių ir šviesių žiedų formą su bendru centru (jei m net, tada centre bus tamsus žiedas, jei m nelyginis – tada šviesi dėmė), o intensyvumas ties maksimumais mažėja tolstant nuo nuotraukos centro. Jei skylė apšviečiama ne monochromatine, o balta šviesa, tai žiedai yra spalvoti.

Panagrinėkime ribinius atvejus. Jei skylė atskleidžia tik dalį centrinės Frenelio zonos, ekrane gaunama išsklaidyta šviesi dėmė; šviesių ir tamsių žiedų kaitaliojimas šiuo atveju nevyksta. Jei skylė atveria daug zonų, tada
ir amplitudė centre
, t.y. toks pat kaip ir su visiškai atviru bangos frontu; šviesių ir tamsių žiedų kaitaliojimas vyksta tik labai siauroje geometrinio šešėlio ribos srityje. Tiesą sakant, difrakcijos modelis nepastebimas, o šviesos sklidimas iš tikrųjų yra tiesus.

Frenelio difrakcija diske. Sferinė banga, sklindanti iš taškinio šaltinio S, pakeliui sutinka diską (pav.). Ekrane stebimas difrakcijos modelis yra centre simetriškas. Nustatykime šviesos svyravimų centre amplitudę. Leiskite diskui užsidaryti m pirmosios Frenelio zonos. Tada virpesių amplitudė lygi

Arba
, (8), nes skliausteliuose esančios išraiškos yra lygios nuliui. Todėl centre visada stebimas difrakcijos maksimumas (šviesi dėmė), atitinkanti pusę pirmosios atviros Frenelio zonos veikimo. Centrinį maksimumą supa tamsūs ir šviesūs žiedai, koncentruoti su juo. Esant nedideliam uždarų zonų skaičiui, amplitudė
mažai skiriasi nuo . Todėl intensyvumas centre bus beveik toks pat, kaip ir nesant disko. Ekrano apšvietimo pokytis atsižvelgiant į atstumą nuo paveikslo centro parodytas Fig.

Panagrinėkime ribinius atvejus. Jei diskas dengia tik nedidelę centrinės Frenelio zonos dalį, jis visiškai nemeta šešėlio – ekrano apšvietimas visur išlieka toks pat, kaip ir nesant disko. Jei diskas apima daug Frenelio zonų, šviesių ir tamsių žiedų kaita pastebima tik siauroje geometrinio šešėlio ribos srityje. Tokiu atveju
, kad centre nebūtų ryškios dėmės, o apšvietimas geometrinio šešėlio srityje beveik visur būtų lygus nuliui. Tiesą sakant, difrakcijos modelis nepastebimas, o šviesos sklidimas yra tiesus.

Fraunhoferio difrakcija viename plyšyje. Tegul plokštuma monochromatinė banga krinta normaliai siauro pločio plyšio plokštumai a. Optinio kelio skirtumas tarp kraštutinių spindulių, ateinančių iš plyšio tam tikra kryptimi 

.

Atvirą bangos paviršiaus dalį plyšio plokštumoje padalinkime į Frenelio zonas, kurios turi lygiagrečių plyšiui vienodo dydžio juostų formą. Kadangi kiekvienos zonos plotis parenkamas toks, kad kelio skirtumas nuo šių zonų kraštų būtų lygus
, tuomet tiks lizdo plotis
zonos. Antrinių bangų amplitudės plyšio plokštumoje bus lygios, nes Frenelio zonos turi tą patį plotą ir yra vienodai pasvirusios į stebėjimo kryptį. Kaimyninių Frenelio zonų poros virpesių fazės skiriasi , todėl bendra šių virpesių amplitudė lygi nuliui.

Jei Frenelio zonų skaičius lygus, tada

, (9a) ir taške B yra minimalus apšvietimas (tamsi sritis), bet jei Frenelio zonų skaičius yra nelyginis, tada

(9b) ir stebimas apšvietimas, artimas maksimumui, atitinkantis vienos nekompensuotos Frenelio zonos veikimą. Kryptimi
plyšys veikia kaip viena Frenelio zona, ir didžiausias apšvietimas stebimas šia kryptimi, taškas atitinka centrinį arba pagrindinį apšvietimo maksimumą.

Apšvietimo apskaičiavimas priklausomai nuo krypties duoda

, (10) kur yra apšvietimas difrakcijos modelio viduryje (prieš objektyvo centrą), - apšvietimas taške, kurio padėtis nustatoma pagal kryptį . Funkcijos (10) grafikas parodytas fig. Apšvietos maksimumai atitinka  reikšmes, atitinkančias sąlygas

,
,
ir tt Vietoj šių maksimumų sąlygų galima apytiksliai naudoti ryšį (9b), kuris suteikia artimas kampų reikšmes. Antrinių maksimumų dydis greitai mažėja. Pagrindinių ir vėlesnių maksimumų intensyvumo skaitinės vertės yra susijusios kaip

ir pan., t.y. didžioji dalis per plyšį perduodamos šviesos energijos yra sutelkta pagrindiniame maksimume.

Plyšio susiaurėjimas lemia tai, kad centrinis maksimumas išsiskleidžia, o jo apšvietimas sumažėja. Priešingai, kuo plyšys platesnis, tuo vaizdas ryškesnis, tačiau difrakcijos pakraščiai siauresni, o pačių kraštelių skaičius didesnis. At
centre gaunamas ryškus šviesos šaltinio vaizdas, t.y. šviesa sklinda tiesia linija.

Prekė: Fizika

Klasė: 11 klasių.

Tema:Šviesos difrakcija

Pagrindinis klausimas: Gali šviesa lenktis aplink kliūtis ir Kaip tai atsitiktų.

Hipotezė:

Šviesa sklinda tiesia linija, todėl negali apeiti kliūčių.

Tikslai:

Šviesos reiškinių tyrimas naudojant difrakcijos pavyzdį ir jos atsiradimo sąlygų bei jos taikomų geometrinės optikos dėsnių taikymo apribojimų nustatymas.

Užduotys:

1. Iš teorijos tirti difrakcijos reiškinį, jo atsiradimo sąlygas ir sąlygas, kuriomis jis apriboja geometrinės optikos dėsnių taikymą.
2. Atlikite eksperimentus, kurie aiškiai parodytų / paaiškintų difrakcijos reiškinį.

Etapai:

1. Susipažinkite su teorija ir informacija internete.
2. Vykdykite konsultaciją su fizikos mokytojais ir analizuokite anksčiau internete rastų eksperimentų vaizdo įrašus.
3. Atlikite savo eksperimentus (eksperimentai su popieriumi, su segtuku ir kompaktiniu disku).
4. Išanalizuokite rezultatus.
5. Daryti išvadas.

Mokslinės literatūros tyrimo rezultatai

Difrakcijašviesa vadinamas šviesos nukrypimo nuo tiesinės sklidimo krypties reiškiniu, kai pravažiuojama šalia kliūčių.

Kaip rodo patirtis, tam tikromis sąlygomis šviesa gali patekti į geometrinio šešėlio sritį.

Jei lygiagretaus šviesos pluošto kelyje yra apvali kliūtis (apvalus diskas, rutulys arba apvali skylė nepermatomame ekrane), tada ekrane, esančiame pakankamai dideliu atstumu nuo kliūties, atsiranda difrakcijos raštas - a šviesių ir tamsių žiedų kaitaliojimo sistema.

Jei kliūtis linijinė (plyšys, sriegis, ekrano kraštas), tai ekrane atsiranda lygiagrečių difrakcijos kraštelių sistema.

Difrakcijos reiškiniai buvo gerai žinomi net Niutono laikais, tačiau paaiškėjo, kad jų neįmanoma paaiškinti remiantis korpuskuline šviesos teorija. Pirmąjį kokybinį difrakcijos reiškinio paaiškinimą, pagrįstą bangų sampratomis, pateikė anglų mokslininkas T. Jungas.

Difrakcijos reiškinys nustato geometrinės optikos dėsnių taikymo apribojimus:

Šviesos tiesinio sklidimo dėsnis, šviesos atspindžio ir lūžio dėsniai pakankamai tiksliai įvykdomi tik tuo atveju, jei kliūčių matmenys yra daug didesni už šviesos bangos ilgį.

Difrakcija apriboja optinių prietaisų skiriamąją gebą:

- mikroskopu, stebint labai mažus objektus, vaizdas yra neryškus
- teleskope, stebėdami žvaigždes, vietoj taško vaizdo gauname šviesių ir tamsių juostų sistemą.

Eksperimentų nustatymas:
PATIRTIS SU POPIERIU

Šviesos difrakciją taip pat galite pamatyti apvalioje skylėje juodo popieriaus lape.
Padarykite didelę skylę, pavyzdžiui, naudodami skylių perforatorių. Tada po padidinamuoju stiklu iš išorės išilgai jo kraštų bus matomas šviesios spalvos kraštelis. Šviesos spindulys, išeinantis iš didelės skylės, beveik neturi difrakcijos modelio. Daugeliu atvejų į jį galima visai nepaisyti, darant prielaidą, kad šviesa sklinda išskirtinai tiesia linija. Mažytės skylutės, adata pradurtos popieriuje, difrakcijos modelis yra daug didesnis už save ir atrodo kaip žiedų sistema.

Šiuo atveju skylė veikia kaip šviesos šaltinis su mažais kampiniais matmenimis. Jį galima pakeisti bet kokios kilmės šviečiančiu tašku.

Pavyzdžiui, pažvelgus į saulės atspindį rutulyje nuo guolio, gulinčio juodame fone, galima pamatyti ryškų raštą, susidedantį iš žiedų, tarsi difrakciją ant skylės.

Saulės atspindys balione yra ne kas kita, kaip optiškai sumažintas jo vaizdas! Taigi, pavyzdžiui, 3 mm skersmens rutulyje matome saulę taip, kaip ji būtų matoma iš labai tolimos planetos. Todėl daug toliau nuo mūsų esančios žvaigždės prieš įprasto teleskopo okuliarą iškyla kaip mažyčiai šviečiantys taškeliai, kuriuos padidinus matyti tik jų difrakcijos raštai.

PATIRTIS SU PIN kodu

Paprastas smeigtukas su žiedu tvirtinamas ant medžio gabalo ir apšviečiamas žibintuvėlio lempute iš 1 - 1,5 m atstumo.Žiūrėjus į smeigtuką per padidinamąjį stiklą, difrakcijos raštas tampa aiškiai matomas.

Lygiai taip pat, žiūrint per mikroskopą mažus objektus labai dideliu padidinimu, galima aiškiai matyti jų difrakcijos modelius, be to, jie dažnai painiojami su tikromis detalėmis, o tai kartais lemia klaidingus atradimus.

Difrakcijos gamtoje ir kasdieniame gyvenime pavyzdžiai:

Plonas vandens lašelių sluoksnis, dengiantis saulę ar mėnulį, veikia kaip difrakcijos gardelė. Atrodo, kad šviestuvą juosia įvairiaspalvė karūna (vaivorykštės aureolė). Esant smailiems, lediniams debesims, susidaro kitoks reiškinys: siauras didelio spindulio žiedas aplink saulę ar mėnulį. Tai atsiranda dėl šviesos lūžio.

Jei žiūrite į žvakės liepsną per aprasojusį stiklą, pabarstytą labai smulkiais milteliais, tada atrodo, kad liepsna yra apsupta vaivorykštės aureolės.

Vaivorykštė atsiranda daugiausia dėl saulės spindulių lūžio ir visiško atspindžio sferiniuose lietaus lašuose. Vaivorykštė susideda iš spektro, išdėstyto taip, kad išorinė vaivorykštės pusė būtų raudona, o vidinis kraštas – violetinis; nuo išorinio krašto iki violetinės yra visos kitos spektro spalvos. Puslankio spindulys matomas 42,5º matymo kampu. Antrinės vaivorykštės vidinis spindulys matomas 51º kampu ir yra raudonos spalvos viduje ir violetinės spalvos išorėje.

Išvados:

1. Išstudijavę teoriją ir atlikę eksperimentus, padarėme išvadą, kad terpėje, kurioje bangos greitis sklandžiai kinta (palyginti su bangos ilgiu) iš taško į tašką, bangos pluošto sklidimas yra kreivinis.
2. Šiuo atveju šviesos banga taip pat gali apeiti kliūtį, tačiau kliūties matmenys turėtų būti palyginami su jos bangos ilgiu, todėl mūsų hipotezė nebuvo teisinga.
3. Išsiaiškinome, kad difrakcijos reiškinys nustato geometrinės optikos dėsnių taikymo apribojimus: tiesinio šviesos sklidimo dėsnis, šviesos atspindžio ir lūžio dėsniai pakankamai tiksliai įvykdomi tik tuo atveju, jei kliūčių matmenys yra daug didesni. nei šviesos bangos ilgis.

Difrakcija nustato optinių instrumentų raiškos ribą: mikroskope, stebint labai mažus objektus, vaizdas būna neryškus; teleskopu, stebėdami žvaigždes, vietoj taško vaizdo gauname šviesių ir tamsių juostų sistemą.

http://www.physics.ru Informacinis portalas apie fiziką "PHYSICON"

https://ru.wikipedia.org/wiki/Difrakcija „Vikipedija“ – enciklopedija.

http://class-fizika.spb.ru/ "Šaunu! Fizika - įdomūs puslapiai"

http://www.scienceforum.ru/ Mokslinis forumas

Pristatymas

Difrakcija yra banga aplink kliūtis. Šviesos atveju difrakcijos apibrėžimas gali skambėti taip:

Difrakcija - tai bet kokie šviesos bangų sklidimo nukrypimai nuo geometrinės optikos dėsnių, visų pirma, tai yra šviesos prasiskverbimas į geometrinio šešėlio sritį.

Kartais naudojamas platesnis apibrėžimas:

Difrakcija vadinamas visuma reiškinių, kurie stebimi sklindant bangoms terpėje su ryškiais nehomogeniškumais.

Klasikinis difrakcijos pavyzdys- sferinės šviesos bangos praėjimas per mažą apvalią skylutę, kai ekrane vietoj apšviesto apskritimo su aiškiomis ribomis yra šviesus apskritimas su neryškiomis ribomis, pažymėtas kintančiais tamsiais ir šviesiais žiedais.

Pakeitę skylės skersmenį pamatysime, kad vaizdas ekrane pasikeis, ypač apšviesto apskritimo centre atsiras ir išnyks tamsi dėmė. Šis reiškinys buvo paaiškintas Frenelis. Jis suskirstė bangos frontą į zonas taip, kad atstumai nuo gretimų zonų iki stebėjimo taško skirtųsi puse bangos ilgio. Tada antrinės bangos, ateinančios iš gretimų zonų, panaikina viena kitą. Todėl, jei skylėje yra lyginis zonų skaičius, apšviesto apskritimo centre bus tamsi dėmė, jei nelyginis skaičius yra šviesus.

Difrakcinė gardelė- Tai yra optinis įrenginys, kuris yra plokštė, ant kurios uždedama daug reguliariais intervalais esančių potėpių. Vietoj potėpių ant plokštelės gali būti reguliariai išdėstytų plyšių, griovelių arba iškyšų.

Tokiose periodinėse struktūrose gautas difrakcijos modelis turi įvairaus intensyvumo kintamų maksimumų ir minimumų formą. medžiaga iš svetainės

Spektriniuose prietaisuose naudojamos difrakcijos gardelės. Jų tikslas – ištirti elektromagnetinės spinduliuotės spektrinę sudėtį. Darbui ultravioletinėje srityje naudojamos grotelės, kuriose yra 3600-1200 smūgių per 1 mm, matomoje - 1200-600 smūgių / mm, infraraudonųjų spindulių - 300 ar mažiau smūgių / mm. Ultratrumpoms rentgeno bangoms difrakcinę gardelę sukūrė gamta – tai kietųjų medžiagų kristalinė gardelė.

Ilgesnio ilgio bangos labiau difraktuoja, todėl pravažiuojant kliūtį raudoni spinduliai labiau nukrypsta nuo tiesaus kelio nei mėlyni. Kai balta šviesa krinta ant prizmės, spinduliai nukreipiami atvirkštine tvarka dėl sklaidos. Raudonųjų spindulių šviesos greitis stikle yra didesnis, o atitinkamai lūžio rodiklis mažesnis nei mėlynųjų spindulių. Dėl to raudoni spinduliai mažiau nukrypsta nuo pradinės krypties.