ДИФРАКЦИЯ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Если на пути светового луча поставить экран, то за ним возникает область тени. А вот от звука отгородиться не так-то просто — слышать можно и из-за угла. Проникновение волны в область геометрической тени называют дифракцией. Дифракция проявляется, когда длина волны сравнима с размером препятствия. Звуковые волны имеют длину порядка метров и легко огибают края препятствия. Точно так же можно наблюдать дифракцию волн на поверхности воды. А дифракцию света, имеющего длину волны порядка долей микрометров, в обычных условиях заметить трудно. Долгое время даже считали, что световые лучи всегда распространяются прямолинейно.

В 1815 г. французский инженер О. Френель за участие в военных действиях против Наполеона после его возвращения с острова Эльба, в период Ста дней, был уволен с работы и вынужден удалиться в местечко Матье, где занялся оптическими исследованиями. Он знал об опытах английского физика Т. Юнга по интерференции света и хотел повторить его опыты. Но ему удалось сделать гораздо больше. Уже в 1818 г. Френель представил обширный мемуар по дифракции на конкурс Французской академии наук.

Этот мемуар рассматривала комиссия, в которую входил маститый ученый Пуассон. Теория Френеля обладала математической строгостью и красотой, но, основываясь на ней, Пуассон получил парадокс. Сделав соответствующие расчеты, он показал, что при определенном размере и положении шарика между источником света и экраном на экране за шариком вместо геометрической тени получается светлое пятно. Пуассон написал об этом Френелю как о доказательстве несостоятельности его теории. И Френель сам проделал этот опыт. Результат получился неожиданным — действительно, за шариком на экране можно было увидеть светлое пятно. Данный опыт по дифракции света стал началом широкого признания волновой природы света.

В наше время научились наблюдать дифракцию не только световых волн (рис. 1), но и более коротких рентгеновских лучей. Длина волны рентгеновского излучения сравнима с межатомными расстояниями. Поэтому если на кристалл направить рентгеновские лучи, то они будут отклоняться и возникнет дифракционная картина — лауэграмма (от имени Макса фон Лауэ, впервые в 1912 г. открывшего дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах) .

Лауэграмма состоит из пятен разной интенсивности, расположенных регулярным образом вокруг центрального пятна. Ученые научились расшифровывать лауэграммы и с их помощью выяснили геометрическую структуру кристаллов (см. Кристаллофизика).

Если направить на край экрана монохроматический свет, то образуется дифракционная картина (рис. 2). Вследствие интерференции прямых и отклоненных лучей вблизи границы области геометрической тени возникает система чередующихся темных и светлых полос (максимумов и минимумов освещенности).

Аналогичная картина наблюдается и при дифракции света на узкой щели. Кроме центрального максимума в направлении первоначального распространения волны возникают боковые максимумы освещенности, создаваемые отклоненными лучами. Положение боковых максимумов зависит от длины волны. Поэтому когда на щель падает белый свет, то на экране за щелью он расщепляется в спектр. Дифракцию света используют для создания чувствительных спектральных приборов.

Оказывается, что если вместо одной щели использовать систему параллельных щелей (дифракционная решетка), то разрешающая способность прибора заметно увеличивается (разница в отклонении лучей с разными длинами волн возрастает). Дифракционные решетки делают, например, нанося частые параллельные риски на стеклянную пластину. Число штрихов на один миллиметр зачастую достигает нескольких сотен, а расстояние между ними выдерживается с большой точностью.

Дифракционные явления приносят не только пользу, но и вред, ограничивая разрешающую способность оптических приборов. Пучок света из-за дифракции никогда не удается собрать в точку, и поэтому изображение предмета даже в идеальной оптической системе выходит расплывчатым. Так, в телескопе изображение далекой звезды получается в виде пятна с минимальным размером ~ (λ/D), где λ — длина волны света, a D — диаметр линзы объектива. Чтобы увеличить разрешение, приходится делать телескопы большого диаметра. Точно так же дифракция мешает разглядеть сколь угодно малые детали предмета в микроскопе. Для увеличения разрешения здесь надо уменьшать длину волны. Наибольшее разрешение имеет электронный микроскоп, который позволяет увидеть даже отдельные атомы.