Un exemplu de difracție a luminii este Studiul fenomenului de difracție a luminii. Cum se manifestă difracția luminii?

DEFINIȚIE

Difracţie- aplecarea în jurul obstacolelor cu un val.

Deoarece lumina este o colecție de unde, atunci, ca orice undă, este supusă difracției. Dar, deoarece lungimea luminii este foarte mică, ea se poate abate de la propagarea rectilinie prin unghiuri perceptibile doar dacă dimensiunile obstacolelor sunt comparabile cu lungimile de undă, adică foarte mici.

O definiție mai generală a difracției luminii este dată după cum urmează. Difracția luminii este un pachet de fenomene asociate cu natura ondulatorie a luminii, care poate fi observată atunci când aceasta se propagă într-o substanță cu neomogenități pronunțate. Experimentele care demonstrează fenomenul de difracție a luminii sunt: ​​abaterea luminii de la propagarea rectilinie la trecerea prin găurile din ecranele opace, îndoirea în jurul limitelor corpurilor opace.

Rezolvarea riguroasă a ecuațiilor de undă atunci când se analizează problemele de difracție este o problemă destul de complicată. Prin urmare, se folosesc adesea metode de rezolvare aproximativă.

Fenomenul de difracție impune limite de aplicabilitate a legilor opticii geometrice și determină limita rezoluției instrumentelor optice.

Teoria Fresnel

O. Fresnel a completat principiul Huygens cu ideea undelor secundare și a construit o teorie cantitativă a difracției. El a investigat experimental diferite variante de difracție și a creat o teorie cantitativă care face posibilă caracterizarea cantitativă a modelului de difracție care apare dacă o undă luminoasă ocolește orice obstacol. Baza teoriei lui Fresnel a fost poziția că suprafața undei la un moment arbitrar de timp nu este doar anvelopa undelor secundare, ci este rezultatul interferenței acestora. Această poziție se numește principiul Huygens-Fresnel.

În conformitate cu teoria lui Fresnel, pentru a calcula amplitudinea unei unde luminoase într-un punct arbitrar din spațiu, teoretic ar trebui să înconjoare sursa de lumină cu o suprafață închisă. Suprapunerea undelor din surse secundare care se află pe suprafața rezultată va determina amplitudinea în punctul din spațiu studiat. Sau, cu alte cuvinte, în afara suprafeței imaginare, unda care se propagă efectiv poate fi înlocuită cu un set de unde secundare fictive coerente care interferează.

În unele probleme de difracție care au simetrie axială, calculul interferenței undelor secundare este simplificat folosind o metodă geometrică în care frontul de undă este împărțit în secțiuni - inele. Aceste zone sunt numite zone Fresnel. Procedura de împărțire în zone este efectuată în așa fel încât diferența de cale optică de la granițele similare de la fiecare pereche de zone învecinate până la punctul de considerare să fie egală cu jumătate din lungimea de undă. În acest caz, undele secundare din puncte similare ale unei perechi de zone învecinate ajung la punctul de vedere, având faze opuse, prin urmare, se slăbesc reciproc atunci când sunt suprapuse.

Raza numărului zonei Fresnel n () este egală cu:

unde a este distanța de la sursa de lumină la gaura din ecranul opac; b este distanța de la gaură până la punctul de observare.

Rețeaua de difracție

Dispozitivul unui rețele de difracție se bazează pe fenomenul de difracție. Este o colecție de fante înguste care separă golurile opace înguste. Valorile unghiurilor (), care sunt obținute atunci când sunt direcționate către maximele spectrului de difracție, care apar atunci când se utilizează un rețele de difracție, sunt determinate de expresia:

unde d este perioada de grilaj. Cu ajutorul unui rețele de difracție, lumina albă este descompusă într-un spectru. Poate fi folosit pentru a calcula lungimea de undă a luminii.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu	Care este distanța de la gaură până la punctul de observare (b) dacă gaura dezvăluie trei zone Fresnel? În acest caz, sursa de lumină punctuală este situată la o distanță a=1 m față de diafragma cu o gaură rotundă cu o rază de 1 mm (Fig. 1), m.
Soluţie	Luați în considerare un triunghi dreptunghic SCB. Pentru el: În același timp, este clar că lungimea de undă a luminii () este mult mai mică decât distanța a și . Pentru un alt triunghi (BCA), avem: Echivalați părțile corecte ale expresiilor (1.1) și (1.2), luați în considerare că , avem: Înlocuim partea dreaptă a expresiei (1.3) în loc de x în formula (1.1), obținem: Valoarea poate fi neglijată în comparație cu . Se poate considera ca: Să exprimăm din (1.5) valoarea dorită b, avem: Hai sa facem calculele:
Răspuns	m

EXEMPLUL 2

Exercițiu	O undă monocromatică cade în mod normal pe un rețele de difracție cu o perioadă de m, care este egală cu lungimea de undă dacă unghiul dintre spectrele primului și al doilea ordin este .
Soluţie	Ca bază pentru rezolvarea problemei, folosim condiția pentru maximele spectrului rețelei de difracție: Deoarece luăm în considerare spectre de ordinul întâi și al doilea, formula (2.1) va da următoarele expresii:

Definiția 1

Difracția luminii este fenomenul de abatere a luminii de la direcția rectilinie de propagare la trecerea în apropierea obstacolelor.

În fizica clasică, fenomenul de difracție este descris ca interferență de undă conform principiului Huygens-Fresnel. Aceste modele caracteristice de comportament apar atunci când o undă întâlnește un obstacol sau un gol care este comparabil ca mărime cu lungimea sa de undă. Efecte similare apar atunci când o undă de lumină trece printr-un mediu cu un indice de refracție în schimbare sau când o undă sonoră trece printr-un mediu cu o schimbare a impedanței acustice. Difracția are loc cu toate tipurile de unde, inclusiv unde sonore, unde vântului și unde electromagnetice, precum și cu lumina vizibilă, raze X și unde radio.

Deoarece obiectele fizice au proprietăți de undă (la nivel atomic), difracția are loc și cu substanțe și poate fi studiată după principiile mecanicii cuantice.

Exemple

Efectele de difracție sunt adesea întâlnite în viața de zi cu zi. Cele mai izbitoare exemple de difracție sunt cele asociate cu lumina; de exemplu, piesele apropiate de pe CD-uri sau DVD-uri acționează ca o rețea de difracție. Difracția într-o atmosferă de particule mici poate duce la un inel strălucitor care este vizibil în apropierea unei surse de lumină strălucitoare, cum ar fi soarele sau luna. Patarea care apare atunci când un fascicul laser lovește o suprafață neuniformă optic este, de asemenea, difracție. Toate aceste efecte sunt o consecință a faptului că lumina călătorește ca undă.

Observația 1

Difracția poate apărea cu orice fel de undă.

Valurile oceanului se împrăștie în jurul digurilor și a altor obstacole. Undele sonore se pot refracta în jurul obiectelor, astfel încât puteți auzi pe cineva strigând chiar și atunci când se ascunde în spatele unui copac.

Poveste

Efectele difracției luminii erau bine cunoscute pe vremea lui Francesco Maria Grimaldi, care a inventat și termenul de difracție. Rezultatele obținute de Grimaldi au fost publicate postum în 1665 USD. Thomas Young a efectuat un experiment celebru în 1803 USD, demonstrând interferența din două fante apropiate. Explicând rezultatele sale cu ajutorul interferenței undelor emanate din două fante diferite, el a ajuns la concluzia că lumina trebuie să se propage sub formă de unde. Fresnel a făcut studii și calcule mai precise ale difracției, care au fost publicate în $ 1815. Fresnel și-a bazat teoria pe definiția luminii dezvoltată de Christian Huygens, completând-o cu ideea interferenței undelor secundare. Confirmarea experimentală a teoriei lui Fresnel a devenit una dintre principalele dovezi ale naturii ondulatorii a luminii. Această teorie este acum cunoscută sub numele de principiul Huygens-Fresnel.

Difracția luminii

Difracția fantei

O fantă lungă de lățime infinitezimală, care este iluminată de lumină, refractă lumina într-o serie de unde circulare și într-un front de undă care iese din fantă și este o undă cilindrică de intensitate uniformă. O fantă care este mai largă decât lungimea de undă produce efecte de interferență în spațiu la ieșirea din fantă. Ele pot fi explicate prin faptul că fanta se comportă ca și cum ar avea un număr mare de surse punctiforme, care sunt distribuite uniform pe toată lățimea fantei. Analiza acestui sistem este simplificată dacă luăm în considerare lumina de o lungime de undă. Dacă lumina incidentă este coerentă, toate aceste surse au aceeași fază.

Rețeaua de difracție

O rețea de difracție este o componentă optică cu o structură periodică care împarte și difractează lumina în mai multe raze care se propagă în direcții diferite.

Lumina difractată de rețea este determinată prin însumarea luminii difractate de la fiecare dintre elemente și este în esență o convoluție a modelelor de difracție și interferență.

L3 -4

Difracția luminii

Difracția se numește curbarea undelor în jurul obstacolelor întâlnite în calea lor sau, într-un sens mai larg - orice abatere a propagării undelor în apropierea obstacolelor de la legile opticii geometrice. Datorită difracției, undele pot pătrunde în regiunea unei umbre geometrice, pot ocoli obstacole, pot pătrunde printr-o mică gaură din ecrane etc.

Nu există nicio diferență fizică semnificativă între interferență și difracție. Ambele fenomene constau în redistribuirea fluxului luminos ca urmare a suprapunerii (suprapunerii) undelor. Din motive istorice, abaterea de la legea independenței fasciculelor de lumină rezultată din suprapunerea undelor coerente se numește de obicei interferență de undă. Abaterea de la legea propagării rectilinie a luminii, la rândul său, se numește difracție de undă.

Observarea difracției se realizează de obicei conform următoarei scheme. O barieră opacă este plasată pe calea unei unde de lumină care se propagă de la o sursă, acoperind o parte a suprafeței undei de lumină. În spatele barierei se află un ecran pe care apare un model de difracție.

Există două tipuri de difracție. Dacă sursa de lumină S si punct de observatie P situat atât de departe de obstacol încât razele incid asupra obstacolului și razele mergând spre punct P, formează grinzi aproape paralele, vorbim de difracție în fascicule paralele sau despre Difracția Fraunhofer. Altfel, vorbește despre Difracția Fresnel. Difracția Fraunhofer poate fi observată prin plasarea în spatele unei surse de lumină S iar în faţa punctului de observaţie P de-a lungul lentilei astfel încât punctele SȘi P erau în planul focal al lentilei corespunzătoare (Fig.).

În principiu, difracția Fraunhofer nu diferă de difracția Fresnel. Criteriul cantitativ care face posibilă stabilirea tipului de difracție are loc este determinat de valoarea parametrului adimensional, unde b este dimensiunea caracteristică a obstacolului, l este distanța dintre obstacol și ecranul pe care se observă modelul de difracție,  este lungimea de undă. Dacă

Fenomenul de difracție este explicat calitativ folosind principiul Huygens, conform căruia fiecare punct la care ajunge o undă servește ca centru al undelor secundare, iar anvelopa acestor unde stabilește poziția frontului de undă în momentul următor în timp. Pentru o undă monocromatică, suprafața undei este suprafața pe care au loc oscilații în aceeași fază.

Lasă o undă plană să cadă în mod normal pe o gaură dintr-un ecran opac (Fig.). Potrivit lui Huygens, fiecare punct al secțiunii frontului de undă distins prin gaură servește ca sursă de unde secundare (într-un mediu izotrop sunt sferice). După ce am construit anvelopa undelor secundare pentru un anumit moment de timp, vedem că frontul de undă intră în regiunea umbrei geometrice, adică. se înfășoară în jurul marginii găurii.

Principiul lui Huygens rezolvă doar problema direcției de propagare a frontului de undă, dar nu afectează problema amplitudinii și, în consecință, a intensității la frontul de undă. Din experiența de zi cu zi se știe că într-un număr mare de cazuri razele de lumină nu se abat de la propagarea lor rectilinie. Deci, obiectele iluminate de o sursă de lumină punctuală dau o umbră ascuțită. Astfel, principiul Huygens trebuie suplimentat, ceea ce face posibilă determinarea intensității undei.

Fresnel a completat principiul lui Huygens cu ideea interferenței undelor secundare. Conform principiul Huygens-Fresnel, o undă luminoasă excitată de o sursă S, poate fi reprezentat ca rezultat al unei suprapuneri de unde secundare coerente emise de elemente mici ale unei suprafețe închise care înconjoară sursa S. De obicei, ca această suprafață se alege una dintre suprafețele undelor, deci sursele undelor secundare acționează în fază. În formă analitică, pentru o sursă punctuală, acest principiu este scris ca

, (1) unde E este vectorul luminos, care include dependența de timp
, k este numărul de undă, r- distanta fata de punct P la suprafață S până la punctul P, K- coeficient în funcţie de orientarea amplasamentului faţă de sursă şi punct P. Valabilitatea formulei (1) și forma funcției K se stabilește în cadrul teoriei electromagnetice a luminii (în aproximarea optică).

În cazul în care între sursă S si punct de observatie P există ecrane opace cu găuri, efectul acestor ecrane poate fi luat în considerare după cum urmează. Pe suprafața ecranelor opace, se presupune că amplitudinile surselor secundare sunt zero; în regiunea găurilor, amplitudinile surselor sunt aceleași ca în absența unui ecran (așa-numita aproximare Kirchhoff).

Metoda zonei Fresnel. Luarea în considerare a amplitudinilor și fazelor undelor secundare face posibilă, în principiu, găsirea amplitudinii undei rezultate în orice punct din spațiu și rezolvarea problemei propagării luminii. În cazul general, calculul interferenței undelor secundare conform formulei (1) este destul de complicat și greoi. Totuși, o serie de probleme pot fi rezolvate prin aplicarea unei tehnici extrem de vizuale care înlocuiește calculele complexe. Această metodă se numește metodă Zone Fresnel.

Vom analiza esența metodei folosind exemplul unei surse de lumină punctiforme S. Suprafețele undelor sunt în acest caz sfere concentrice centrate pe S. Să împărțim suprafața undei prezentată în figură în zone inelare construite în așa fel încât distanțele de la marginile fiecărei zone până la punct P diferă prin
. Zonele cu această proprietate sunt numite Zone Fresnel. Din fig. se vede că distanţa de la marginea exterioară m-a zona la punct P egală

, Unde b este distanța de la vârful suprafeței undei O până la punctul P.

Vibrațiile ajung la un punct P din puncte similare a două zone învecinate (de exemplu, puncte situate în mijlocul zonelor sau la marginile exterioare ale zonelor) sunt în antifază. Prin urmare, vibrațiile din zonele învecinate se vor atenua reciproc și amplitudinea vibrației luminii rezultate în punctul respectiv. P

, (2) unde , , … sunt amplitudinile oscilațiilor excitate de zonele 1, 2, ….

Pentru a estima amplitudinile de oscilație, găsim zonele zonelor Fresnel. Lasă granița exterioară m-a zonă selectează un segment de înălțime sferică pe suprafața valului . Indicând aria acestui segment prin , găsiți că, zonă m zona Fresnel este egală cu
. Din figură se poate observa că . După transformări simple, ținând cont
Și
, primim

. Aria și zona segmentului sferic m zonele Fresnel sunt, respectiv, egale cu

,
. (3) Astfel, pentru nu prea mare m zonele zonelor Fresnel sunt aceleaşi. Conform ipotezei lui Fresnel, acțiunea zonelor individuale la un punct P cu cât este mai mic, cu atât unghiul este mai mare între normal n la suprafata zonei si directia catre P, adică acţiunea zonelor scade treptat de la central la periferic. În plus, intensitatea radiației în direcția punctului P scade odata cu cresterea m si datorita cresterii distantei de la zona la punct P. Astfel, amplitudinile oscilației formează o secvență monoton descrescătoare

Numărul total de zone Fresnel care se potrivesc pe o emisferă este foarte mare; de exemplu, când
Și
numărul zonelor ajunge la ~10 6 . Aceasta înseamnă că amplitudinea scade foarte lent și, prin urmare, putem lua în considerare aproximativ

. (4) Apoi se însumează expresia (2) după rearanjare

, (5) întrucât expresiile din paranteză, conform (4), sunt egale cu zero, iar contribuția ultimului termen este neglijabilă. Astfel, amplitudinea oscilațiilor rezultate într-un punct arbitrar P este determinată, parcă, de jumătatea acțiunii zonei centrale Fresnel.

Când nu este prea mare mînălțimea segmentului
, deci putem presupune că
. Înlocuirea valorii pentru , obținem pentru raza limitei exterioare m a-a zonă

. (6) Când
Și
raza primei zone (centrale).
. Prin urmare, propagarea luminii din S La P apare ca și cum fluxul de lumină ar fi intrat în interiorul unui canal foarte îngust de-a lungul SP, adică direct.

Legitimitatea împărțirii frontului de undă în zone Fresnel a fost confirmată experimental. Pentru aceasta, se folosește o placă de zonă - în cel mai simplu caz, o placă de sticlă, constând dintr-un sistem de inele concentrice alternative transparente și opace, cu raze de zonă Fresnel de o configurație dată. Dacă plasați placa de zonă într-un loc strict definit (la distanță A de la o sursă punctuală și la distanță b din punctul de observație), atunci amplitudinea rezultată va fi mai mare decât în ​​cazul unui front de undă complet deschis.

Difracția Fresnel printr-o gaură circulară. Difracția Fresnel se observă la o distanță finită de obstacolul care a provocat difracția, în acest caz un ecran cu o gaură. Undă sferică care se propagă dintr-o sursă punctuală S, întâlnește un paravan cu o gaură pe drum. Modelul de difracție este observat pe un ecran paralel cu ecranul cu gaura. Aspectul său depinde de distanța dintre gaură și ecran (pentru un diametru dat de gaură). Este mai ușor să determinați amplitudinea vibrațiilor luminii în centrul imaginii. Pentru a face acest lucru, împărțim partea deschisă a suprafeței valului în zone Fresnel. Amplitudinea oscilației excitate de toate zonele este egală cu

, (7) unde semnul plus corespunde cu impar mși minus - chiar m.

Când gaura deschide un număr impar de zone Fresnel, atunci amplitudinea (intensitatea) în punctul central va fi mai mare decât atunci când unda se propagă liber; dacă chiar și atunci amplitudinea (intensitatea) va fi egală cu zero. De exemplu, dacă gaura deschide o zonă Fresnel, amplitudinea
, apoi intensitatea (
) de patru ori mai mult.

Calculul amplitudinii oscilației în secțiunile în afara axei ecranului este mai complicat, deoarece zonele Fresnel corespunzătoare sunt parțial suprapuse de un ecran opac. Este clar din punct de vedere calitativ că modelul de difracție va avea forma unor inele alternative întunecate și luminoase cu un centru comun (dacă m chiar, atunci va fi un inel întunecat în centru, dacă m impar - apoi un punct luminos), iar intensitatea la maxime scade odată cu distanța de la centrul imaginii. Dacă gaura este iluminată nu cu lumină monocromatică, ci cu lumină albă, atunci inelele sunt colorate.

Să luăm în considerare cazurile limită. Dacă gaura dezvăluie doar o parte din zona centrală Fresnel, se obține un punct luminos difuz pe ecran; alternarea inelelor deschise și întunecate nu apare în acest caz. Dacă gaura deschide un număr mare de zone, atunci
și amplitudine în centru
, adică la fel ca și cu un front de undă complet deschis; alternanța inelelor deschise și întunecate are loc numai într-o zonă foarte îngustă de la marginea umbrei geometrice. De fapt, modelul de difracție nu este observat, iar propagarea luminii, de fapt, este rectilinie.

Difracția Fresnel pe un disc. Undă sferică care se propagă dintr-o sursă punctuală S, întâlnește un disc pe drum (Fig.). Modelul de difracție observat pe ecran este simetric central. Să determinăm amplitudinea oscilațiilor luminii în centru. Lasă discul să se închidă m primele zone Fresnel. Atunci amplitudinea oscilației este egală cu

Sau
, (8) deoarece expresiile din paranteze sunt egale cu zero. În consecință, se observă întotdeauna un maxim de difracție (punctul luminos) în centru, corespunzând la jumătate din acțiunea primei zone Fresnel deschise. Maximul central este înconjurat de inele întunecate și luminoase concentrice cu acesta. Cu un număr mic de zone închise, amplitudinea
putin diferit de . Prin urmare, intensitatea în centru va fi aproape aceeași ca și în absența discului. Modificarea iluminării ecranului cu distanța de la centrul imaginii este prezentată în Fig.

Să luăm în considerare cazurile limită. Dacă discul acoperă doar o mică parte din zona centrală Fresnel, nu aruncă deloc o umbră - iluminarea ecranului rămâne aceeași peste tot ca în absența discului. Dacă discul acoperă multe zone Fresnel, alternanța inelelor luminoase și întunecate se observă doar într-o regiune îngustă la limita umbrei geometrice. În acest caz
, astfel încât să nu existe un punct luminos în centru, iar iluminarea în regiunea umbrei geometrice este aproape peste tot egală cu zero. De fapt, modelul de difracție nu este observat, iar propagarea luminii este rectilinie.

Difracția Fraunhofer la o singură fantă. Fie ca o undă monocromatică plană să fie incidentă normală cu planul unei fante înguste de lățime A. Diferența de cale optică între razele extreme care vin din fantă într-o anumită direcție 

.

Să împărțim partea deschisă a suprafeței undei din planul slotului în zone Fresnel, care au forma unor benzi de dimensiuni egale paralele cu fanta. Deoarece lățimea fiecărei zone este aleasă astfel încât diferența de cale față de marginile acestor zone să fie egală cu
, atunci lățimea slotului se va potrivi
zone. Amplitudinile undelor secundare în planul slotului vor fi egale, deoarece zonele Fresnel au aceeași zonă și sunt egal înclinate față de direcția de observație. Fazele oscilațiilor dintr-o pereche de zone Fresnel învecinate diferă cu , prin urmare, amplitudinea totală a acestor oscilații este egală cu zero.

Dacă numărul de zone Fresnel este par, atunci

, (9a) și la punctul B există un minim de iluminare (zonă întunecată), dar dacă numărul de zone Fresnel este impar, atunci

(9b) și se observă o iluminare apropiată de maxim, corespunzătoare acțiunii unei zone Fresnel necompensate. In directia
fanta acționează ca o singură zonă Fresnel, iar cea mai mare iluminare este observată în această direcție, punct corespunde maximului de iluminare centrală sau principală.

Calculul iluminării în funcție de direcția dă

, (10) unde este iluminarea în mijlocul modelului de difracție (împotriva centrului lentilei), - iluminarea într-un punct a cărui poziţie este determinată de direcţia . Graficul funcției (10) este prezentat în fig. Maximele de iluminare corespund valorilor lui  care îndeplinesc condițiile

,
,
etc. În locul acestor condiții pentru maxime, se poate folosi aproximativ relația (9b), care dă valori apropiate ale unghiurilor. Mărimea maximelor secundare scade rapid. Valorile numerice ale intensităților maximelor principale și ulterioare sunt legate ca

etc., adică cea mai mare parte a energiei luminoase transmise prin fantă este concentrată în maximul principal.

Îngustarea fantei duce la faptul că maximul central se extinde, iar iluminarea sa scade. Dimpotrivă, cu cât fanta este mai largă, cu atât imaginea este mai luminoasă, dar franjurile de difracție sunt mai înguste, iar numărul de franjuri în sine este mai mare. La
în centru, se obține o imagine clară a sursei de lumină, adică. lumina se propagă în linie dreaptă.

Articol: Fizică

Clasă: 11 clase.

Subiect: Difracția luminii

Întrebare principală: Se poate îndoi lumina în jurul obstacolelor și Cum s-ar întâmpla asta.

Ipoteză:

Lumina se deplasează în linie dreaptă și, prin urmare, nu poate ocoli obstacolele.

Obiective:

Studiul fenomenelor luminoase folosind exemplul difracției și identificarea condițiilor de apariție a acesteia și a restricțiilor pe care aceasta le impune aplicării legilor opticii geometrice.

Sarcini:

1. Să studieze din teorie fenomenul difracției, condițiile de apariție a acestuia și condițiile în care acesta impune o restricție în aplicarea legilor opticii geometrice.
2. Efectuați experimente care să arate/explica clar fenomenul de difracție.

Etape:

1. Familiarizați-vă cu teoria și informațiile de pe Internet.
2. Realizați o consultare cu profesorii de fizică și analizați videoclipuri cu experimente găsite anterior pe Internet.
3. Efectuați propriile experimente (experimente cu hârtie, cu un ac și un CD).
4. Analizați rezultatele.
5. A trage concluzii.

Rezultatele studiului literaturii științifice

Difracţie lumina se numește fenomenul de abatere a luminii de la direcția rectilinie de propagare la trecerea în apropierea obstacolelor.

După cum arată experiența, în anumite condiții, lumina poate pătrunde în regiunea unei umbre geometrice.

Dacă un obstacol rotund este situat pe calea unui fascicul de lumină paralel (un disc rotund, o bilă sau o gaură rotundă într-un ecran opac), atunci pe ecran apare un model de difracție situat la o distanță suficient de mare de obstacol - un sistem de alternare a inelelor luminoase și întunecate.

Dacă obstacolul este liniar (fantă, fir, marginea ecranului), atunci pe ecran apare un sistem de franjuri de difracție paralele.

Fenomenele de difracție erau bine cunoscute chiar și pe vremea lui Newton, dar s-a dovedit imposibil de explicat pe baza teoriei corpusculare a luminii. Prima explicație calitativă a fenomenului de difracție bazată pe concepte de undă a fost dată de savantul englez T. Jung.

Fenomenul de difracție impune restricții în aplicarea legilor opticii geometrice:

Legea propagării rectilinie a luminii, legile reflexiei și refracției luminii sunt îndeplinite suficient de precis doar dacă dimensiunile obstacolelor sunt mult mai mari decât lungimea de undă a luminii.

Difracția impune o limită a rezoluției instrumentelor optice:

- la microscop, la observarea obiectelor foarte mici, imaginea este neclară
- la telescop, la observarea stelelor, în loc de imaginea unui punct, obținem un sistem de dungi luminoase și întunecate.

Configurarea experimentelor:
EXPERIENTA CU HÂRTIA

De asemenea, puteți vedea difracția luminii pe o gaură rotundă dintr-o foaie de hârtie neagră.
Faceți o gaură mare, de exemplu, folosind un perforator. Apoi, sub lupă, un chenar de culoare deschisă va fi vizibil de-a lungul marginilor sale din exterior. O rază de lumină care iese dintr-o gaură mare nu are aproape niciun model de difracție. În cele mai multe cazuri, poate fi ignorată deloc, presupunând că lumina se propagă exclusiv în linie dreaptă. Modelul de difracție al unei mici găuri perforate în hârtie cu un ac este mult mai mare decât el și arată ca un sistem de inele.

În acest caz, gaura acționează ca o sursă de lumină cu dimensiuni unghiulare mici. Poate fi înlocuit cu un punct luminos de orice origine.

Luând, de exemplu, reflexia soarelui într-o minge dintr-un rulment situat pe un fundal negru, se poate vedea un model distinct format din inele, ca difracția pe o gaură.

Reflectarea soarelui în balon nu este altceva decât imaginea sa redusă optic! Deci, de exemplu, într-o minge cu diametrul de 3 mm, vedem soarele așa cum ar fi văzut de pe o planetă foarte îndepărtată. Prin urmare, stelele care sunt mult mai departe de noi apar în fața ocularului unui telescop obișnuit ca puncte luminoase minuscule, când sunt mărite, pot fi văzute doar modelele lor de difracție.

EXPERIENȚĂ CU UN PIN

Un știft obișnuit cu un inel este fixat pe o bucată de lemn și iluminat de o lampă cu lanternă de la o distanță de 1 - 1,5 m. Dacă priviți știința printr-o lupă, modelul de difracție devine clar vizibil.

În același mod, vizualizarea obiectelor mici printr-un microscop la o mărire foarte mare face posibilă vedea în mod clar modelele lor de difracție și sunt adesea confundate cu detalii reale, conducând uneori la descoperiri false.

Exemple de difracție în natură și în viața de zi cu zi:

Un strat subțire de picături de apă care acoperă soarele sau luna acționează ca o rețea de difracție. Lumina pare să fie înconjurată de o coroană multicoloră (aureola curcubeu). În cazul norilor aciculari, înghețați, rezultă un fenomen diferit: un inel îngust de rază mare în jurul soarelui sau lunii. Apare din cauza refracției luminii.

Dacă privești flacăra unei lumânări printr-un pahar aburit stropit cu o pulbere foarte fină, atunci flacăra pare să fie înconjurată de un halou irizat.

Un curcubeu apare în principal datorită refracției și reflectării totale a razelor solare în picături sferice de ploaie. Curcubeul constă dintr-un spectru aranjat în așa fel încât partea exterioară a curcubeului să fie colorată în roșu, iar marginea interioară să fie violet; de la marginea exterioară la violet sunt toate celelalte culori ale spectrului. Raza semicercului este vizibilă la un unghi de vedere de 42,5º. Curcubeul secundar are o rază interioară văzută la un unghi de 51º și este colorat în roșu pe interior și violet pe exterior.

Concluzii:

1. După studierea teoriei și efectuarea experimentelor, am ajuns la concluzia că în mediile în care viteza undei se modifică fără probleme (comparativ cu lungimea de undă) de la un punct la altul, propagarea unui fascicul de undă este curbiliniară.
2. În acest caz, unda luminoasă poate ocoli obstacolul, dar dimensiunile obstacolului ar trebui să fie comparabile cu lungimea sa de undă, prin urmare ipoteza noastră nu a fost corectă.
3. Am aflat că fenomenul de difracție impune restricții în aplicarea legilor opticii geometrice: legea propagării rectilinie a luminii, legile reflexiei și refracției luminii sunt îndeplinite suficient de precis doar dacă dimensiunile obstacolelor sunt mult mai mari. decât lungimea de undă a luminii.

Difracția impune o limită rezoluției instrumentelor optice: la microscop, la observarea unor obiecte foarte mici, imaginea este neclară; într-un telescop, când observăm stelele, în loc de imaginea unui punct, obținem un sistem de dungi luminoase și întunecate.

http://www.physics.ru Portal de informații despre fizică „PHYSICON”

https://ru.wikipedia.org/wiki/Diffraction „Wikipedia” - Enciclopedie.

http://class-fizika.spb.ru/ „Cool! Fizica - pagini interesante”

http://www.scienceforum.ru/ Forum științific

Prezentare

Difracţie este valul din jurul obstacolelor. În cazul luminii definiția difracției ar putea suna asa:

Difracţie - acestea sunt orice abateri în propagarea undelor luminoase de la legile opticii geometrice, în special, aceasta este pătrunderea luminii în regiunea unei umbre geometrice.

Uneori se folosește o definiție mai largă:

Difracţie numită ansamblu de fenomene care se observă în timpul propagării undelor într-un mediu cu neomogenități ascuțite.

Clasic exemplu de difracție- trecerea unei unde de lumină sferică printr-un mic orificiu rotund, când pe ecran, în locul unui cerc iluminat cu limite clare, există un cerc luminos cu limite neclare, punctat cu inele întunecate și deschise alternând.

Schimbând diametrul găurii, vom vedea că imaginea de pe ecran se va schimba, în special, o pată întunecată va apărea și va dispărea în centrul cercului iluminat. Acest fenomen a fost explicat Fresnel. El a împărțit frontul de undă în zone, astfel încât distanțele de la zonele învecinate până la punctul de observație să difere cu jumătate de lungime de undă. Apoi undele secundare care vin din zonele învecinate se anulează reciproc. Prin urmare, dacă un număr par de zone este plasat în gaură, atunci va exista o pată întunecată în centrul cercului iluminat, dacă un număr impar este luminos.

Rețeaua de difracție- Acesta este un dispozitiv optic, care este o placă pe care se aplică un număr mare de curse distanțate în mod regulat. În loc de lovituri pe placă, pot exista fante, caneluri sau proeminențe distanțate în mod regulat.

Modelul de difracție obținut pe astfel de structuri periodice are forma de maxime și minime alternante de diferite intensități. material de pe site

Rețelele de difracție sunt utilizate în instrumentele spectrale. Scopul lor este de a studia compoziția spectrală a radiațiilor electromagnetice. Pentru a lucra în regiunea ultravioletă, se folosesc grătare, în care există 3600-1200 de curse pe 1 mm, în vizibil - 1200-600 de lovituri / mm, în infraroșu - 300 sau mai puțin de lovituri / mm. Pentru undele ultrascurte de raze X, rețeaua de difracție a fost creată de natură - aceasta este rețeaua cristalină a solidelor.

Undele cu o lungime mai mare difractează mai mult, așa că atunci când trec printr-un obstacol, razele roșii se abat mai mult de la o cale dreaptă decât cele albastre. Când lumina albă cade pe o prismă, razele sunt deviate în ordine inversă ca urmare a dispersării. Viteza luminii razelor roșii din sticlă este mai mare și, în consecință, indicele de refracție este mai mic decât cel al razelor albastre. Ca urmare, razele roșii se abat mai puțin de la direcția inițială.