Дифракцией называется изменение направления распространения волн при прохождении их вблизи препятствий.

Дифракцией называется изменение направления распространения волн при прохождении их вблизи препятствий.

Фотография морского побережья с высоты птичьего полёта довольно хорошо иллюстрирует определение явления: на свободной акватории поверхностные волны, условно говоря, движутся на северо-запад. Приблизительно их можно считать плоскими. Мыс и скалистый остров, являясь препятствиями для плоских волн, пропускают в пролив между собой почти «сферическую», то есть, круговую волну, с осевым направлением на север.

Дифракция предстаёт в самых неожиданных обличиях: Многим не раз доводилось смотреть на ночной фонарь через полупрозрачный тюль оконных занавесок. Выглядело это приблизительно так:

Так вот, это тоже дифракция.

Начинать осмысление столь многоликого явления, лучше всего отталкиваясь от геометрической оптики. В её рамках справедливо понятие геометрической тени: «крайние» лучи, то есть, лучи, проходящие от источника через края препятствия, ограничивают область за препятствием, куда свет вообще не должен попадать.

Причём, как бы далеко за препятствие мы не ушли, геометрическая тень должна остаться непроницаемо чёрной, а её края неизменно чёткими. Это не согласуется с повседневным опытом. На следующей фотографии хорошо видно, что при освещении предмета закатным солнцем края тени размываются по мере удаления от предмета.

Конечно, это дифракция вносит свои коррективы. Благодаря ей, лучи, проходящие вблизи края препятствия, изменяют направление и попадают в область геометрической тени.

В результате, настоящая геометрическая тень получается только вблизи препятствия, а дальше её граница со светом становится всё более нечёткой, и тень теряет свою густоту. Вообще-то это свойство дифракции нужно выделить особо.

Чем меньше размер отверстия, тем больше угол дифракции

· Принцип Гюйгенса-Френеля.

Опыт показывает, что при очень малых размерах отверстия угол дифракции близок к 180°. То есть, можно сказать, что точечное отверстие в результате дифракции является источником полукруговой волны в двухмерной среде и полусферической волны в трёхмерной среде. Это обстоятельство в своё время натолкнуло знаменитого нидерландского учёного Христиана Гюйгенса (1629-1695) на любопытную мысль. Он рассуждал в терминах волнового фронта (п.1.6.6), поэтому она звучала так. Если фронт волны натыкается на препятствие, в котором есть точечное отверстие или очень узкая щель, то препятствие «гасит» возмущения, принесённые волной, во всех точках фронта кроме отверстия. А поскольку, за препятствие падающая волна проходит в виде полусферической или полукруговой волны, то непогашенное на волновом фронте возмущение является источником этой волны. Значит, все точки свободного волнового фронта являются источниками полусферических или полукруговых волн. Точки свободного волнового фронта Гюйгенс назвал вторичными источниками (имеется в виду, что первичный источник - это источник всей волны, волновой фронт которой мы рассматриваем). Полусферические или полукруговые волны от вторичных источников Гюйгенс назвал вторичными волнами и сформулировал свой принцип (принцип Гюйгенса):

Распространение волны от первичного источника за пределами охватывающей его замкнутой поверхности, можно представить как результат интерференции волн от вторичных источников расположенных на этой поверхности.

С помощью принципа Гюйгенса-Френеля можно объяснить прямолинейность распространения света в однородной оптической среде (в геометрической оптике это объяснялось принципом Ферма (п.3.6.1)).

Рассмотрим свет, идущий от точечного монохроматического источника S и попадающий, например, в глаз (монохроматический - это значит одного цвета, то есть, одной частоты). В качестве поверхности вторичных источников будем использовать любую волновую поверхность (п.1.6.6), которая для вторичных источников, очевидно, представляет собой сферу, концентричную источнику S. Проведём линию зрения, то есть прямую, соединяющую первичный источник с глазом. Точку пересечения линии зрения со сферой вторичных источников назовём полюсом A.

Оказывается, интерференция всех вторичных источников кроме полюсного даёт на месте глаза интерференционный минимум с интенсивностью, равной. Это выполняется для любого расстояния первичный источник-глаз и для любой волновой поверхности. Важна только её сферичность и осевая симметрия по отношению к линии зрения. Значит, вся энергия первичного источника переносится в глаз через полюс, то есть, по линии зрения.

Луч в волновой оптике - это траектория распространения фазы колебаний. «Волновой» луч всегда перпендикулярен волновой поверхности. А в геометрической оптике луч - это траектория распространения световой энергии. Значит, линия зрения на последнем рисунке является «геометрическим» лучом. А поскольку, она перпендикулярна волновой поверхности в полюсе A как радиальная, то она является и «волновым» лучом. Таким образом,

Если бы не было регулярной структуры препятствия, не было бы избранных направлений главных дифракционных максимумов, разделённых угловыми промежутками, в направлениях которых интерференционная интенсивность близка к 0.

Последовательный вывод условия отбора направлений главных дифракционных максимумов сложен даже в случае одномерной решётки. Но кое-что «нафантазировать» можно. Следствием регулярного строения дифракционной решётки является наличие сходственных точек. Можно догадаться, что интерференционный максимум всех вторичных источников решётки, скорее всего, возникнет тогда, когда возникнет интерференционный максимум от всех сходственных точек. А он возникнет тогда, когда реализуется интерференционный максимум от двух ближайших из них.

Итак, сформулируем наше утверждение, используя условие интерференционного максимума двух волн (п.3.6.5):

Дифракцией называется изменение направления распространения волн при прохождении их вблизи препятствий.

Так вот, это тоже дифракция.

12 3 4 Следующая ⇒