Ses belangrike verskynsels beskryf die gedrag van 'n liggolf as dit 'n hindernis in sy pad teëkom. Hierdie verskynsels sluit weerkaatsing, breking, polarisasie, dispersie, interferensie en diffraksie van lig in. Hierdie artikel sal op die laaste daarvan fokus.
Geskille oor die aard van lig en die eksperimente van Thomas Young
In die middel van die 17de eeu was daar twee teorieë op gelyke voet met betrekking tot die aard van ligstrale. Die stigter van een van hulle was Isaac Newton, wat geglo het dat lig 'n versameling van vinnig bewegende deeltjies van materie is. Die tweede teorie is deur die Nederlandse wetenskaplike Christian Huygens voorgehou. Hy het geglo dat lig 'n spesiale soort golf is wat deur 'n medium voortplant op dieselfde manier as wat klank deur lug beweeg. Die medium vir lig, volgens Huygens, was eter.
Aangesien niemand die eter ontdek het nie, en Newton se gesag op daardie stadium groot was, is Huygens se teorie verwerp. Die Engelsman Thomas Young het egter in 1801 die volgende eksperiment uitgevoer: hy het monochromatiese lig deur twee smal splete wat naby mekaar geleë is, laat beweeg. Verbyhy het die lig op die muur geprojekteer.
Wat was die resultaat van hierdie ervaring? As lig deeltjies (liggaampies) was, soos Newton geglo het, sou die beeld op die muur ooreenstem met duidelike twee helder bande wat uit elk van die splete kom. Jung het egter 'n heel ander prentjie waargeneem. 'n Reeks donker en ligte strepe het op die muur verskyn, met ligte lyne wat selfs buite beide splete verskyn het. 'n Skematiese voorstelling van die beskryfde ligpatroon word in die figuur hieronder getoon.
Hierdie foto het een ding gesê: lig is 'n golf.
Diffraksie-verskynsel
Die ligpatroon in Young se eksperimente hou verband met die verskynsels van interferensie en diffraksie van lig. Albei verskynsels is moeilik om van mekaar te skei, aangesien in 'n aantal eksperimente die gekombineerde effek daarvan waargeneem kan word.
Diffraksie van lig bestaan uit die verandering van die golffront wanneer dit 'n hindernis in sy pad teëkom, waarvan die afmetings vergelykbaar is met of minder as die golflengte. Uit hierdie definisie is dit duidelik dat diffraksie kenmerkend is nie net vir lig nie, maar ook vir enige ander golwe, soos klankgolwe of golwe op die oppervlak van die see.
Dit is ook duidelik waarom hierdie verskynsel nie in die natuur waargeneem kan word nie (die golflengte van lig is etlike honderde nanometers, so enige makroskopiese voorwerpe gooi duidelike skaduwees).
Huygens-Fresnel-beginsel
Die verskynsel van ligdiffraksie word deur die genoemde beginsel verklaar. Die essensie daarvan is soos volg: 'n voortplantende reglynige platdie golffront lei tot die opwekking van sekondêre golwe. Hierdie golwe is sferies, maar as die medium homogeen is, sal hulle, gesuperponeer op mekaar, na die oorspronklike plat front lei.
Sodra enige hindernis verskyn (byvoorbeeld twee gapings in Jung se eksperiment), word dit 'n bron van sekondêre golwe. Aangesien die aantal van hierdie bronne beperk is en bepaal word deur die geometriese kenmerke van die hindernis (in die geval van twee dun gleuwe is daar net twee sekondêre bronne), sal die gevolglike golf nie meer die oorspronklike plat front produseer nie. Laasgenoemde sal sy geometrie verander (dit sal byvoorbeeld 'n sferiese vorm kry), bowendien sal maksima en minima van die ligintensiteit in sy verskillende dele verskyn.
Die Huygens-Fresnel-beginsel demonstreer dat die verskynsels van interferensie en diffraksie van lig onafskeidbaar is.
Watter toestande is nodig om diffraksie waar te neem?
Een van hulle is reeds hierbo genoem: dit is die teenwoordigheid van klein (van die volgorde van die golflengte) hindernisse. As die hindernis relatief groot geometriese afmetings het, sal die diffraksiepatroon slegs naby sy kante waargeneem word.
Die tweede belangrike voorwaarde vir die diffraksie van lig is die samehang van golwe van verskillende bronne. Dit beteken dat hulle 'n konstante faseverskil moet hê. Slegs in hierdie geval, as gevolg van inmenging, sal dit moontlik wees om 'n stabiele prentjie waar te neem.
Koherensie van bronne word op 'n eenvoudige manier bereik, dit is genoeg om enige ligfront vanaf een bron deur een of meer hindernisse te laat beweeg. Sekondêre bronne hieruitstruikelblokke sal reeds as samehangend optree.
Let daarop dat om die interferensie en diffraksie van lig waar te neem, dit glad nie nodig is dat die primêre bron monochromaties moet wees nie. Dit sal hieronder bespreek word wanneer 'n diffraksierooster oorweeg word.
Fresnel- en Fraunhofer-diffraksie
In eenvoudige terme is Fresnel-diffraksie die ondersoek van die patroon op 'n skerm wat naby die spleet geleë is. Fraunhofer diffraksie, aan die ander kant, beskou 'n patroon wat verkry word op 'n afstand wat baie groter is as die breedte van die spleet, daarby aanvaar dit dat die golffront wat inval op die spleet plat is.
Hierdie twee tipes diffraksie word onderskei omdat die patrone daarin verskil. Dit is as gevolg van die kompleksiteit van die verskynsel wat oorweeg word. Die feit is dat om 'n presiese oplossing van die diffraksieprobleem te kry, dit nodig is om Maxwell se teorie van elektromagnetiese golwe te gebruik. Die Huygens-Fresnel-beginsel, wat vroeër genoem is, is 'n goeie benadering om prakties bruikbare resultate te verkry.
Die figuur hieronder wys hoe die beeld in die diffraksiepatroon verander wanneer die skerm wegbeweeg word van die spleet.
In die figuur wys die rooi pyl die rigting van die skermbenadering na die spleet, dit wil sê, die boonste figuur stem ooreen met Fraunhofer-diffraksie en die onderste een met Fresnel. Soos jy kan sien, word die prentjie meer kompleks namate die skerm die spleet nader.
Verder in die artikel sal ons slegs Fraunhofer-diffraksie oorweeg.
Diffraksie deur 'n dun spleet (formules)
Soos hierbo genoem,die diffraksiepatroon hang af van die geometrie van die hindernis. In die geval van 'n dun spleet met wydte a, wat verlig word met monochromatiese lig van golflengte λ, kan die posisies van minima (skaduwees) waargeneem word vir hoeke wat ooreenstem met die gelykheid
sin(θ)=m × λ/a, waar m=±1, 2, 3…
Die hoek theta hier word gemeet vanaf die loodlyn wat die middel van die gleuf en die skerm verbind. Danksy hierdie formule is dit moontlik om te bereken teen watter hoeke die volledige demping van die golwe op die skerm sal plaasvind. Boonop is dit moontlik om die volgorde van diffraksie te bereken, dit wil sê die getal m.
Aangesien ons oor Fraunhofer-diffraksie praat, dan L>>a, waar L die afstand na die skerm vanaf die spleet is. Die laaste ongelykheid laat jou toe om die sinus van 'n hoek te vervang met 'n eenvoudige verhouding van die y-koördinaat tot die afstand L, wat lei tot die volgende formule:
ym=m×λ×L/a.
Hier is ym die posisiekoördinaat van die minimum orde m op die skerm.
Spleetdiffraksie (analise)
Die formules wat in die vorige paragraaf gegee word, laat ons toe om die veranderinge in die diffraksiepatroon te analiseer met 'n verandering in die golflengte λ of die spleetwydte a. Dus, 'n toename in die waarde van a sal lei tot 'n afname in die koördinaat van die eerste-orde minimum y1, dit wil sê, die lig sal in 'n nou sentrale maksimum gekonsentreer wees. 'n Afname in die breedte van die spleet sal lei tot 'n strekking van die sentrale maksimum, dit wil sê, dit word vaag. Hierdie situasie word in die figuur hieronder geïllustreer.
Die verandering van die golflengte het die teenoorgestelde effek. Groot waardes van λlei tot vervaging van die prentjie. Dit beteken dat lang golwe beter buig as kort golwe. Laasgenoemde is van fundamentele belang in die bepaling van die resolusie van optiese instrumente.
Diffraksie en resolusie van optiese instrumente
Die waarneming van die diffraksie van lig is die beperker van die resolusie van enige optiese instrument, soos 'n teleskoop, mikroskoop en selfs die menslike oog. Wanneer dit by hierdie toestelle kom, oorweeg hulle diffraksie nie deur 'n spleet nie, maar deur 'n ronde gat. Nietemin, al die gevolgtrekkings wat vroeër gemaak is, bly waar.
Ons sal byvoorbeeld twee helder sterre oorweeg wat op 'n groot afstand van ons planeet is. Die gat waardeur lig ons oog binnedring, word die pupil genoem. Uit twee sterre op die retina word twee diffraksiepatrone gevorm, wat elk 'n sentrale maksimum het. As die lig van die sterre teen 'n sekere kritieke hoek in die pupil val, sal beide maksima in een saamsmelt. In hierdie geval sal 'n persoon 'n enkele ster sien.
Die resolusie-kriterium is deur Lord J. W. Rayleigh gestel, so dit dra tans sy van. Die ooreenstemmende wiskundige formule lyk soos volg:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Hier is D die deursnee van 'n ronde gaatjie (lens, pupil, ens.).
Dus, die resolusie kan verhoog word (verminder θc) deur die lensdeursnee te vergroot of die lengte te verkleingolwe. Die eerste variant word in teleskope geïmplementeer wat dit moontlik maak om θc met verskeie kere te verminder in vergelyking met die menslike oog. Die tweede opsie, dit wil sê om λ te verminder, vind toepassing in elektronmikroskope, wat 100 000 keer beter resolusie as soortgelyke liginstrumente het.
Diffraksierooster
Dit is 'n versameling dun gleuwe wat op 'n afstand d van mekaar geleë is. As die golffront plat is en parallel met hierdie rooster val, dan word die posisie van die maksimum op die skerm beskryf deur die uitdrukking
sin(θ)=m×λ/d, waar m=0, ±1, 2, 3…
Die formule wys dat die nul-orde maksimum in die middel voorkom, die res is teen sommige hoeke θ geleë.
Aangesien die formule die afhanklikheid van θ van die golflengte λ bevat, beteken dit dat die diffraksierooster lig soos 'n prisma in kleure kan ontbind. Hierdie feit word in spektroskopie gebruik om die spektra van verskeie ligvoorwerpe te ontleed.
Miskien is die bekendste voorbeeld van ligdiffraksie die waarneming van kleurskakerings op 'n DVD. Die groewe daarop is 'n diffraksierooster, wat, deur lig te reflekteer, dit in 'n reeks kleure ontbind.
