Дифракция света

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 342.

Одним из свойств светового излучения, которое изучается в курсе физики в 11 классе, является способность к дифракции. Кратко познакомимся с этой темой, приведем примеры дифракционных картин.

Сущность дифракции света

Видимый свет — это электромагнитное излучение с длиной волны порядка 400–700 нм. Как и любой другой волновой процесс, световая волна способна огибать препятствия, изменяя при этом направление распространения. Это явление называется дифракцией.

Дифракцию механических волн можно видеть на поверхности воды, если на пути волны разместить препятствие с небольшим отверстием. Волны, прошедшие сквозь отверстие, не продолжают распространение узким конусом, а расходятся более широким фронтом. Если отверстие достаточно мало, то волны могут распространяться после него полукругами во все стороны, как если бы отверстие само было источником этих волн.

Дифракция света происходит точно так же. Однако из-за того, что длина волны света очень невелика, наблюдать дифракцию света достаточно трудно. Впервые это сделал Ф. Гримальди в середине XVII в. Он обратил внимание на то, что если в пучок света помещать тонкие нити, то тень от них будет немного шире, чем следует из законов геометрической оптики. Кроме того, на краях тени граница имела радужные переливы.

Теория дифракции Френеля

Количественная теория дифракции была создана в начале XIX в. О. Френелем.

В основу этой теории был положен дополненный принцип Гюйгенса.

Этот принцип был введен Х. Гюйгенсом во второй половине XVII в. и гласит, что каждая точка среды, до которой дошла волна, сама становится источником волны. Огибающая фронтов всех вторичных волн становится общим фронтом волны в следующий момент времени.

Принцип Гюйгенса хорошо объясняет законы геометрической оптики, однако объяснить явление дифракции он не может. Необходимо было объединить этот принцип с идеей интерференции вторичных волн. Именно благодаря интерференции граница тени перестает быть четкой, и на ней появляется картина максимумов и минимумов.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля дифракции света каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причем все вторичные волны когерентны, а результирующее световое поле определяется интерференцией этих волн.

Для определения амплитуды волны в любой точке источник окружается замкнутой поверхностью, и амплитуда в точке этой поверхности определяется интерференцией волн вторичных источников этой поверхности. Ее величина рассчитывается по специальным формулам.

Вторичные источники распространяют волны во все стороны, однако в результате интерференции все волны гасятся, кроме одной, вектор распространения которой нормален к поверхности, и, если поверхность сферическая, то этот вектор совпадает с радиусом. Таким образом Френель объяснил, почему свет распространяется прямолинейно.

Кроме того, Френель рассмотрел случаи дифракционной картины для препятствий различной формы, а также для дифракционной решетки.

Рис. 3. Дифракционная картина различных препятствий.

На одном из заседаний Французской академии наук оппоненты, оспаривавшие теорию Френеля, обратили внимание, что из этой теории следует абсурдный вывод: если перекрыть луч кружком, то при определенном соотношении размера кружка и расстояния до экрана в центре тени должно быть светлое пятно; если пропустить луч через маленькое отверстие, то при определенном соотношении размера отверстия и расстояния до экрана — в центре должно быть темное пятно. Однако поставленные эксперименты показали, что это так и есть, что серьезно поддержало идеи и теорию Френеля.

Что мы узнали?

Дифракция света — это способность световых волн огибать препятствия с изменением направления распространения. Теория дифракции была разработана О. Френелем на основе принципа Гюйгенса-Френеля, согласно которому точки волнового фронта являются источником вторичных когерентных волн, которые далее интерферируют друг с другом.