Дифракция света
Дифракция волн — явление огибания волнами препятствий, встречающихся на их пути, и проникновение их в область за препятствия.
Дифракция света — частный случай дифракции волн. Явление, наблюдаемое при распространении света в среде вблизи непрозрачных сред, сквозь малые отверстия, и связанное с отклонениями от законов геометрической оптики.
Наблюдение дифракции возможно, если длина волны падающего света соизмерима с размером препятствия. Установим, например, на пути монохроматического света толстую проволоку: на экране наблюдается резкая геометрическая тень. Если заменить проволоку тонкой нитью, диаметр которой сравним с длиной волны света, то на экране, где по идее должна быть тень, возникает светлая полоса (рис. 6.28, а). Причем по обе стороны от нее наблюдается ряд темных и светлых полос убывающей яркости. В данном случае нить расщепляет пучок света
Рис. 6.28
на два когерентных пучка, которые огибают ее, затем наклады- ваясь друг на друга, интерферируют. Результат интерференции наблюдается в виде упомянутого выше ряда чередующихся светлых и темных полос. Явление дифракции света объясняется с помощью принципа Гюйгенса.
Принцип Гюйгенса: каждая точка среды, до которой дошла волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени (рис. 6.28, б); S(t) и S(t + At) — волновые поверхности соответственно в моменты времени t и (t -I- At).
Френель дополнил положение Гюйгенса, введя представление о когерентности вторичных волн и их интерференции (принцип Гюйгенса — Френеля).
Принцип Гюйгенса — Френеля: волновая поверхность в любой момент времени представляет не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции. Для определения результата дифракции в некоторой точке пространства следует рассчитать, согласно принципу Гюйгенса — Френеля, интерференцию вторичных волн, попавших в эту точку от различных элементов волновой поверхности. В результате может оказаться так, что там, где проходит прямолинейный путь от источника света, будет темная область, а в пределах геометрической тени — светлая область.
Дифракционная решетка — оптическое устройство, представляющее собой совокупность параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенными равными по ширине непрозрачными промежутками (штрихи).
Для наблюдения дифракции света ширина щели должна быть сравнима с длиной световой волны света. Сечение дифракционной решетки (а) и ее условное обозначение (б) показаны на рис. 6.29. Дифракционные решетки отличаются размерами, формой, профилем штрихов и их частотой (от 6000 до 0,25 штрих/мм).
Период (постоянная) дифракционной решетки — суммарная ширина щели а и промежутка b между щелями:
Дифракция света на одной щели при нормальном падении лучей (рис. 6.30).
Условие минимумов интенсивности света (рис. 6.30; точка В).
где а — ширина щели; ср — угол дифракции; Х0 — длина волны света в вакууме.
Условие максимумов интенсивности света (рис. 6.30; точка В):
где к — порядок главных максимумов.
Рис. 6.29 Рис. 6.30
Дифракция света на дифракционной решетке при нормальном падении лучей показана на рис. 6.31.
Условие главных максимумов интенсивности:
Рис. 6.31
где с — период решетки; к — порядок главных максимумов; Ф — угол дифракции.
Условие дополнительных минимумов:
Связь между числом щелей N на единицу длины и периодом дифракционной решетки с:
cN — 1.
Число максимумов, даваемое дифракционной решеткой
(| sin ф | < 1):
При падении белого света на дифракционную решетку все главные максимумы интенсивности, кроме центрального (к = 0), будут обращены в спектр, фиолетовая область которого обращена к центру дифракционной картины, красная — наружу. Тогда значение к указывает порядок спектра. В дифракционной решетке красные лучи отклоняются сильнее, чем фиолетовые, тогда как призма преломляет сильнее фиолетовые; менее всего преломляются красные лучи.
