Дисперсия и дифракция света: сложные понятия простым языком

Рассказываем, что такое дисперсия и дифракция света и чем отличаются их спектры.

Дисперсия света

Свет в физике и оптике — это электромагнитное излучение, состоящее из волн длиной от 380 до 770 нанометров; волны разной длины мы видим разного цвета. Исаак Ньютон заметил, что показатель преломления при прохождении через прозрачную призму зависит от длины волны: красный и желтый свет, упав на поверхность, отклонятся на разные углы. Частота и скорость света тоже будут отличаться.

Дисперсия — это зависимость показателя преломления и скорости света от длины волны.

Примеры:

1. Волны красного света самые длинные в спектре. У них наименьший показатель преломления и более высокая скорость.
2. Волны фиолетового света самые короткие в спектре. У них наибольший показатель преломления и более низкая скорость.

Источник: pinterest.com

Белый цвет состоит из всех цветов спектра. Поэтому если луч белого света пропустить через прозрачную призму, он распадется на составляющие, так как волны разных цветов имеют разный показатель преломления. Мы увидим радугу — все цвета спектра.

Это красивое явление мы встречаем довольно часто — в быту, природе и даже на обложке альбома группы Pink Floyd. «Игра света» искусно ограненного бриллианта тоже объясняется дисперсией.

Источник: pinterest.com

Дифракция света

Прежде нужно напомнить о сопутствующем явлении — интерференции света, которая всегда наблюдается одновременно с дифракцией. При интерференции две когерентные (т.е. частоты которых совпадают, а разность фаз колебания постоянна) световые волны накладываются друг на друга, в результате чего усиливают или ослабляют одна другую.

Источник: pinterest.com

Дифракция наблюдается при распространении света в среде с резкими неоднородностями. В таких условиях можем увидеть отклонение волн от прямого направления при прохождении рядом с преградой, проще — огибание препятствий световыми волнами. Это оптическое явление встречается с участием предметов любых размеров, но чем меньше объект, тем наблюдение проще.

Белый свет распадается в спектр, если проходит через дифракционную решетку или отражается от нее. Природа дифракционного и призматического спектров отличается, поэтому это явление нельзя объяснить дисперсией света.

Как их отличить:

1. Призматический спектр располагается в диапазоне от красного цвета к фиолетовому (в порядке убывания длины волны). Красная часть более сжата, а фиолетовая — растянута.
2. Дифракционный спектр располагается в диапазоне от фиолетового цвета к красному (в порядке возрастания длин волн). Все части равны между собой.

Дифракция проявляется не только для световых, но и для звуковых волн. Мы можем слышать музыку (речь или любые другие звуки) из здания за углом. Это значит, что волна распространяется не только в прямом направлении, но и может «огибать» препятствия. В нашем случае — здание, за которым мы стоим.

Источник: pinterest.com

Для экспериментального наблюдения этого явления есть специальный прибор — дифракционная решетка. Это искусственная система препятствий в виде параллельных штрихов, выгравированных на поверхности пластины из металла или стекла. Расстояние между краями соседних щелей называется периодом решетки или ее постоянной.

Встречая препятствие в виде решетки, световая волна проходит через щели и препятствия, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентных волн — это дифракция. Затем они интерферируют друг с другом. Волны разных длин отклоняются на разные углы — так свет разлагается в спектр.

Формула дифракционной решетки:

 

Знание разницы между дифракцией и дисперсией — азы изучения оптики. Чтобы написать хорошую работу (неважно, реферат, курсовую или диплом) по физике, нужны более глубокие исследования. С этим всегда помогут наши авторы, поэтому обращайтесь в ФениксХелп.

Значение слова ДИФРАКЦИЯ. Что такое ДИФРАКЦИЯ?

Дифра́кция во́лн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.

Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн (интерференция вторичных волн). Общим свойством всех эффектов дифракции является зависимость степени её проявления от соотношения между длиной волны λ и размером ширины волнового фронта d, либо непрозрачного экрана на пути его распространения, либо неоднородностей структуры самой волны.

Поскольку в большинстве случаев, имеющих практическое значение, это ограничение ширины волнового фронта имеет место всегда, явление дифракции сопровождает любой процесс распространения волн.

Так, именно явлением дифракции задаётся предел разрешающей способности любого оптического прибора, создающего изображение, который невозможно преступить принципиально при заданной ширине спектра излучения, используемого для построения изображения.

В ряде случаев, в особенности при изготовлении оптических систем, разрешающая способность ограничивается не дифракцией, а аберрациями, как правило, возрастающими при увеличении диаметра объектива. Отсюда происходит известное фотографам явление увеличения до определённых пределов качества изображения при диафрагмировании объектива.

При распространении излучения в оптически неоднородных средах дифракционные эффекты заметно проявляются при размерах неоднородностей, сравнимых с длиной волны. При размерах неоднородностей, существенно превышающих длину волны (на 3—4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь. В последнем случае распространение волн с высокой степенью точности описывается законами геометрической оптики. С другой стороны, если размер неоднородностей среды сравним с длиной волны, в таком случае дифракция проявляет себя в виде эффекта рассеяния волн.

Изначально явление дифракции трактовалось как огибание волной препятствия, то есть проникновение волны в область геометрической тени. С точки зрения современной науки определение дифракции как огибания светом препятствия признается недостаточным (слишком узким) и не вполне адекватным. Так, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн (в случае учёта их пространственного ограничения) в неоднородных средах.

Дифракция волн может проявляться:

в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях — как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определённом направлении;

в разложении волн по их частотному спектру;

в преобразовании поляризации волн;

в изменении фазовой структуры волн.

Наиболее хорошо изучена дифракция электромагнитных (в частности, оптических) и акустических волн, а также гравитационно-капиллярных волн (волны на поверхности жидкости).

Дифракция — Всё для чайников

Дифракция

Подробности

Категория: Оптика

ДИФРАКЦИЯ

 

 

 

Часто волна встречает на своем пути небольшие (по сравнению с ее длиной) препятствия. Соотношение между длиной волны и размером препятствий определяет в основном поведение волны.

Волны способны огибать края препятствий. Когда размеры препятствий малы, волны, огибая края препятствий, смыкаются за ними. Так, морские волны свободно огибают выступающий из воды камень, если его размеры меньше длины волны или сравнимы с ней. За камнем волны распространяются так, как если бы его не было совсем (маленькие камни на рис. 127). Точно так же волна от брошенного в пруд камня огибает торчащий из воды прутик. Только за препятствием большого по сравнению с длиной волны размера (большой камень на рис. 127) образуется «тень»: волны за него не проникают.

Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно. В лесу деревья заслоняют ваших товарищей. Чтобы их не потерять, вы начинаете кричать. Звуковые волны в отличие от света свободно огибают стволы деревьев и доносят ваш голос до товарищей. Отклонение от прямолинейного распространения волн, огибание волнами препятствий, называется дифракцией. Дифракция присуща любому волновому процессу в той же мере, как и интерференция. При дифракции происходит искривление волновых поверхностей у краев препятствий.

Дифракция волн проявляется особенно отчетливо в случаях, когда размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней.

Явление дифракции волн на поверхности воды можно наблюдать, если поставить на пути волн экран с узкой щелью, размеры которой меньше длины волны (рис. 128). Хорошо будет видно, что за экраном распространяется круговая волна, как если бы в отверстии экрана располагалось колеблющееся тело -источник волн. Согласно принципу Гюйгенса так и должно быть. Вторичные источники в узкой щели располагаются столь близко друг к другу, что их можно рассматривать как один точечный источник.

Если размеры щели велики по сравнению с длиной волны, то картина распространения волн за экраном совершенно иная (рис. 129). Волна проходит сквозь щель, почти не меняя своей формы. Только по краям можно заметить небольшие искривления волновой поверхности, благодаря которым волна частично проникает и в пространство за экраном. Принцип Гюйгенса позволяет понять, почему происходит дифракция. Вторичные волны, испускаемые участками среды, проникают за края препятствия, расположенного на пути распространения волны.

 

 

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Если свет представляет собой волновой процесс, то, кроме интерференции, должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция — огибание волнами препятствий — присуща любому волновому движению. Но наблюдать дифракцию света нелегко. Дело в том, что волны заметным образом огибают препятствия, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны очень мала.

Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, можно наблюдать нарушение закона прямолинейного распространения света. Светлое пятно против отверстия будет большего размера, чем это следует ожидать при прямолинейном распространении света.

Опыт Юнга. В 1802 г. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции (рис. 203). В непрозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия В и С на небольшом расстоянии друг от друга.

 Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. Вследствие дифракции из отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

Теория Френеля. Исследование дифракции получило свое завершение в работах Френеля. Френель не только более детально исследовал различные случаи дифракции на опыте, но и построил количественную теорию дифракции, позволяющую в принципе рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий. Им же было впервые объяснено прямолинейное распространение света в однородной среде на основе волновой теории.

Этих успехов Френель добился, объединив принцип Гюйгенса с идеей интерференции вторичных волн. Об этом кратко уже упоминалось в четвертой главе.

Для того чтобы вычислить амплитуду световой волны в любой точке пространства, надо мысленно окружить источник света замкнутой поверхностью. Интерференция волн от вторичных источников, расположенных на этой поверхности, определяет амплитуду в рассматриваемой точке пространства.

Такого рода расчеты позволили понять, каким образом свет от точечного источника S, испускающего сферические волны, достигает произвольной точки пространства В (рис. 204).

Если рассмотреть вторичные источники на сферической волновой поверхности радиусе R. то результат интерференции вторичных волн от этих источников в точке В оказывается таким, как если бы лишь вторичные источники на малом сферическом сегменте ab посылали свет в точку В. Вторичные волны, испущенные источниками, расположенными на остальной части поверхности, гасят друг друга в(результате интерференции. Поэтому все происходит так, как если бы свет распространялся лишь вдоль прямой SB, т. е. прямолинейно.

Одновременно Френель рассмотрел количественно дифракцию на различного рода препятствиях.

Любопытный случай произошел на заседании Французской Академии наук в 1818 г. Один из ученых, присутствовавших на заседании, обратил внимание на то, что теории Френеля вытекают факты, явно противоречащие здравому смыслу. При определенных размерах отверстия и определенных расстояниях от отверстия до источника света и экрана в центре светлого пятна должно находиться темное пятнышко. За маленьким непрозрачным диском, наоборот, должно находиться светлое пятно в центре тени. Каково же было удивление ученых, когда поставленные эксперименты доказали, что так и есть на самом деле.

Дифракционные картины от различных препятствий. Из-за того, что длина световой волны очень мала, угол отклонения света от направления прямолинейного распространения невелик. Поэтому для отчетливого наблюдения дифракции (в частности, в тех случаях, о которых только что говорилось) расстояние между препятствием, которое огибается светом, и экраном должно быть велико.

На рисунке 205 показано, как выглядят на фотографиях дифракционные картины от различных препятствий: а) тонкой проволочки; б) круглого отверстия; в) круглого экрана.

Зоны Френеля для трехсантиметровой волны       

 

Зонная пластинка для трехсантиметровых волн      

 

Трёхсантиметровые волны: пятно Пуассона       

 

Трёхсантиметровые волны: фазовая зонная пластинка      

 

Круглое отверстие. Геометрическая оптика — дифракция Френеля     

 

Круглое отверстие. Дифракция Френеля — дифракция Фраунгофера     

 

Сравнение картин дифракции: ирисовая диафрагма и круглое отверстие      

 

Пятно Пуассона      

 

Дифракция Френеля на краю полуплоскости      

 

Трехсантиметровые волны: дифракция Френеля на двух щелях       

Дифракция Фраунгофера. Щель и полоска    

 

Дифракция Фраунгофера. Две щели     

 

Дифракционные решетки с разными периодами      

 

Двумерные дифракционные решетки      

 

Трёхсантиметровые волны и очень узкая щель      

 

Модель спирали Корню       

Дифракция • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Дифракционная картина возникает в результате интерференции вторичных световых волн при огибании лучами света препятствий или их прохождении через множественные отверстия.

Идея о волновой природе света (см. Спектр электромагнитного излучения) получила серьезное подтверждение в результате открытия и изучения в начале XIX века явлений интерференции и дифракции света. Традиционное со времен Ньютона и из-за его непререкаемого авторитета долго остающееся неизменным представление о свете как о потоке частиц — так называемая корпускулярная теория света — оказалось поставленным под серьезное сомнение после открытия интерференции. А вскоре о корпускулярной теории и вовсе забыли — почти на целое столетие — в результате открытия и исследования явлений дифракции, в результате чего волновая теория света стала новым ортодоксальным и незыблемым представлением о нем. Лишь после объяснения с корпускулярной точки зрения фотоэлектрического эффекта и зарождения квантовой механики корпускулярные представления о свете получили второе рождение в рамках принципа дополнительности.

Основы явления дифракции можно понять, если обратиться к принципу Гюйгенса, согласно которому каждая точка на пути распространения светового луча может рассматриваться как новый независимый источник вторичных волн, и дальнейшая дифракционная картина оказывается обусловленной интерференцией этих вторичных волн. При взаимодействии световой волны с препятствием часть вторичных волн Гюйгенса блокируется. Например, при падении световой волны сверху под острым углом на бритву на верхней плоскости бритвы вторичные волны Гюйгенса образовываться будут, а на нижней нет. Однако в результате конструктивной интерференции вторичные волны всё равно обогнут бритву, и мы увидим там сплошной световой луч, как если бы на пути его распространения ничего не стояло. Подобное же «огибание» волной препятствия можно наблюдать и в морском порту в шторм: суда, стоящие на якоре за волнорезом, который, казалось бы, должен полностью гасить волны, тем не менее «гуляют» вверх-вниз благодаря вторичным волнам.

Если источник света и точка наблюдения удалены от препятствия на незначительное расстояние, исходные и результирующие лучи света не параллельны друг другу — и мы наблюдаем дифракцию Френеля (дифракцию в ближней зоне). Если же источник и точка наблюдения находятся на значительном расстоянии от препятствия (точки дифракции), лучи практически параллельны, и мы наблюдаем дифракцию Фраунгофера (дифракцию в дальней зоне). Фраунгофер, кстати, изобрел целый ряд важных прецизионных оптических приборов, включая дифракционную решетку. Она представляет собой систему расположенных на небольшом расстоянии друг от друга микроскопических линий, отражающих свет. Изначально это была затемненная стеклянная пластина с тщательно нанесенными на нее параллельными штрихами. Каждый такой штрих отражает свет, и его можно считать вторичным источником волн Гюйгенса, которые вступают в интерференцию и взаимно усиливаются под определенными углами после рассеяния на решетке.

Начиная с середины XIX века дифракционная решетка стала важнейшим инструментом спектроскопии — с ее помощью ученые исследуют спектры излучения светящихся объектов и спектры поглощения различных веществ и по ним определяют их химический состав. Одним из важнейших открытий Фраунгофера стало обнаружение темных линий в спектре Солнца. Сегодня мы знаем, что они возникают в результате поглощения световых волн определенной длины относительно холодным веществом солнечной короны, и благодаря этому можем судить о химическом составе нашего светила.

См. также:

Дифракция — Большая советская энциклопедия

Дифра́кция

(от лат. diffractus — разломанный)

волн, явления, наблюдаемые при прохождении волн мимо края препятствия, связанные с отклонением волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием. Из-за Д. волны огибают препятствия, проникая в область геометрической тени. Именно Д. звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн (См. Дифракция радиоволн) вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Д. волн — характерная особенность распространения волн независимо от их природы. Объяснить Д. в первом приближении можно, применив Гюйгенса — Френеля принцип. Согласно этому принципу, рассматривая распространение какой-либо волны, можно каждую точку среды, которой достигла эта волна, считать источником вторичных волн. Поэтому, поставив на пути волн экран с малым отверстием (диаметр порядка длины волны), получим в отверстии экрана источник вторичных волн, от которого распространяется сферическая волна, попадая и в область геометрической тени. Если имеется экран с двумя малыми отверстиями или щелями, дифрагирующие волны накладываются друг на друга и в результате интерференции (См. Интерференция) волн дают чередующееся в пространстве распределение максимумов и минимумов амплитуды результирующей волны с плавными переходами от одного к другому. С увеличением количества щелей максимумы становятся более узкими. При большом количестве равноотстоящих щелей (Дифракционная решётка) получают резко разделённые направления взаимного усиления волн.

Д. волн существенно зависит от соотношения между длиной волны λ и размером объекта, вызывающего Д. Наиболее отчётливо Д. обнаруживается в тех случаях, когда размер огибаемых препятствий соизмерим с длиной волны. Поэтому легко наблюдается Д. звуковых, сейсмических и радиоволн, для которых это условие обычно всегда выполняется (λ ~ от м до км), и гораздо труднее наблюдать без специальных устройств дифракцию света (См. Дифракция света) (λ ~ 400—750 нм). Эта же причина приводит к многим техническим трудностям при изучении волновых свойств др. объектов. Так, поскольку рентгеновские лучи имеют длину волны от сотен до 0,0001 А, дифракционную решётку с таким расстоянием между щелями изготовить невозможно, поэтому немецкий физик М. Лауэ для изучения дифракции рентгеновских лучей (См.

ДИФРАКЦИЯ ВОЛН • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 9. Москва, 2007, стр. 87-88

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: И. Г. Кондратьев

ДИФРА́КЦИЯ ВОЛН, в пер­во­на­чаль­ном уз­ком смыс­ле – оги­ба­ние вол­на­ми пре­пят­ст­вий, в со­вре­мен­ном, бо­лее ши­ро­ком – лю­бые от­кло­не­ния от за­ко­нов гео­мет­ри­че­ской оп­ти­ки при рас­про­стра­не­нии волн. При та­ком об­щем тол­ко­ва­нии Д. в. тес­но пе­ре­пле­та­ет­ся с яв­ле­ния­ми рас­про­стра­не­ния и рас­сея­ния волн в не­од­но­род­ных сре­дах. Вол­ны при ди­фрак­ции мо­гут по­па­дать в об­ласть гео­мет­рич. те­ни: оги­бать пре­пят­ст­вия, сте­лить­ся вдоль по­верх­но­стей, про­ни­кать че­рез не­боль­шие от­вер­стия в эк­ра­нах и т. п. Напр., ра­дио­вол­на мо­жет про­ник­нуть за го­ри­зонт да­же без от­ра­же­ния от ио­но­сфе­ры, а звук мо­жет быть ус­лы­шан за уг­лом до­ма.

Рис. 1. Схема дифракции волн от края экрана по Юнгу.

Пер­вая вол­но­вая трак­тов­ка Д. в. да­на для све­та Т. Юн­гом (1800), вто­рая – О. Фре­не­лем (1815–18). Кар­ти­ну вол­но­во­го по­ля, воз­ни­каю­щую за пре­пят­ст­ви­ем, Юнг счи­тал со­че­та­ни­ем соб­ст­вен­но ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции волн. Для объ­яс­не­ния Д. в., кро­ме обыч­ных за­ко­нов рас­про­стра­не­ния волн в на­прав­ле­нии лу­чей, он ввёл прин­цип по­пе­реч­ной пе­ре­да­чи ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний не­по­сред­ст­вен­но вдоль вол­но­вых фрон­тов (по­пе­реч­ной диф­фу­зии), ука­зав, что ско­рость этой пе­ре­да­чи про­пор­цио­наль­на дли­не вол­ны и пе­ре­па­ду ам­пли­туд на фрон­те. Со­глас­но Юн­гу, ди­фра­ги­ро­ван­ная вол­на воз­ни­ка­ет ло­каль­но в не­ко­то­рой ок­ре­ст­но­сти гра­ни­цы те­ни за кра­ем пре­пят­ст­вия. Ана­ло­гич­ная ди­фра­ги­ро­ван­ная вол­на об­ра­зу­ет­ся и в ос­ве­щён­ной об­лас­ти, так что в це­лом фор­ми­ру­ет­ся по­ле ци­лин­д­рич. вол­ны, как бы ис­пус­кае­мой кра­ем по­верх­но­сти пре­пят­ст­вия $S$ (рис. 1). Ин­тер­фе­рен­ция ди­фра­ги­ро­ван­ной вол­ны с не за­сло­нён­ной пре­пят­ст­ви­ем ча­стью па­даю­щей вол­ны объ­яс­ня­ет по­яв­ле­ние на эк­ра­не $B’$ ин­тер­фе­рен­ци­он­ных по­лос, рас­по­ло­жен­ных вы­ше гра­ни­цы те­ни $BB’$, и от­сут­ст­вие их в ниж­ней час­ти.

Рис. 2. Схема дифракции волн от края экрана по Френелю.

Рис. 3. Построение дифракционной картины за отверстием по Френелю (разбиение на зоны Френеля).

О. Фре­нель от­ка­зал­ся от ло­каль­но­го юн­гов­ско­го под­хо­да и пред­ло­жил свой инте­граль­ный ме­тод, опи­раю­щий­ся на сфор­му­ли­ро­ван­ный ра­нее (1690) прин­цип Гюй­ген­са (см. Гюй­ген­са – Фре­не­ля прин­цип). Со­глас­но Фре­не­лю, ди­фрак­ци­он­ное по­ле мо­жет быть пред­став­ле­но как ре­зуль­тат ин­тер­фе­рен­ции по­лей фик­тив­ных вто­рич­ных ис­точ­ни­ков, рас­пре­де­лён­ных по всей не за­кры­той пре­пят­ст­ви­ем час­ти фрон­та па­даю­щей вол­ны (рис. 2) и имею­щих ам­пли­ту­ду и фа­зу, про­пор­цио­наль­ные та­ко­вым у этой вол­ны. Фре­нель раз­бил по­верх­ность, за­ня­тую вто­рич­ны­ми ис­точ­ни­ка­ми, на по­лувол­но­вые зо­ны (т. н. Фре­не­ля зо­ны, рис. 3). Ха­рак­тер Д. в. за­ви­сит от то­го, сколь­ко зон ук­ла­ды­ва­ет­ся в от­вер­стии, или от зна­че­ния фре­не­лев­ско­го (вол­но­во­го) па­ра­мет­ра $p$, рав­но­го от­но­ше­нию раз­ме­ра пер­вой зо­ны Фре­не­ля к ра­диу­су $a$ от­вер­стия, $p=\sqrt {λz}/a$ ($z$ – ко­ор­ди­на­та точ­ки на­блю­де­ния, $λ$ – дли­на вол­ны).2/λ$. Имен­но по­это­му Д. в. на во­де ($λ$ по­ряд­ка 1 м) или диф­рак­ция зву­ка в воз­ду­хе ($λ$ по­ряд­ка 0,1 м) мо­жет на­блю­дать­ся прак­ти­че­ски все­гда, ди­фрак­ция све­та ($λ$ по­ряд­ка 10^–3–10^–4 м) тре­бу­ет вы­пол­не­ния осо­бых ус­ло­вий (иголь­ча­тое от­вер­стие, ост­рый край брит­вы и т. п.), а для ди­фрак­ции рент­ге­нов­ских лу­чей ($λ$ по­ряд­ка 10^–6–10^–8 м) ис­поль­зу­ют кри­стал­лич. ре­шёт­ки.

Позд­нее бы­ло по­ка­за­но, что в рав­ных ус­ло­ви­ях оба под­хо­да (и Юн­га, и Фре­не­ля) при­во­дят к оди­на­ко­вым ре­зуль­та­там, од­на­ко при кон­крет­ных рас­смот­ре­ни­ях од­но­му из них мо­жет быть от­да­но ме­то­дич. пред­поч­те­ние. Сле­ду­ет под­черк­нуть, что ши­ро­кое раз­ви­тие иду­ще­го от Юн­га ме­то­да по­пе­реч­ной диф­фу­зии свя­за­но с ос­вое­ни­ем всё бо­лее ко­рот­ко­вол­но­вых элек­тро­маг­нит­ных диа­па­зо­нов (с по­яв­ле­ни­ем ма­зе­ров, ла­зе­ров и т. п.) и не­об­хо­ди­мо­стью со­от­вет­ст­вую­ще­го «элек­тро­ди­на­ми­че­ско­го обес­пе­че­ния» (см. Ква­зи­оп­ти­ка). Бо­лее то­го, этот ме­тод ока­зал­ся аде­к­ват­ным не­ко­то­рым не­ли­ней­ным ди­фрак­ци­он­ным за­да­чам ти­па са­мо­фо­ку­си­ров­ки и са­мо­ка­на­ли­ро­ва­ния элек­тро­маг­нит­ных волн.

Яв­ле­ние ди­фрак­ции име­ет ме­сто и в мик­ро­ми­ре (см. Ди­фрак­ция час­тиц), по­сколь­ку объ­ек­там кван­то­вой ме­ха­ни­ки свой­ст­вен­но вол­но­вое по­ве­де­ние.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Дифракционная картина, сделанная при прохождении света через одно отверстие

Дифракция — это физическая концепция, которая возникает, когда волны огибают небольшие препятствия или распространяются после прохождения через небольшие отверстия. Дифракция происходит со всеми волнами, включая звуковые волны, волны воды и электромагнитные волны, такие как свет, который может видеть глаз. Дифракция также происходит с такими веществами, как электроны.

Эскиз двухщелевой дифракции.Волна, прошедшая через щели, дифрагировала и интерферирует сама с собой.

Дифракция возникает из-за того, что одна волна света смещается дифрагирующим объектом. Этот сдвиг вызовет интерференцию волны сама с собой. Вмешательство может быть как конструктивным, так и деструктивным. Когда интерференция носит конструктивный характер, интенсивность волны увеличивается. Когда вмешательство является деструктивным, интенсивность уменьшается, иногда до такой степени, что оно полностью разрушается. Эти образцы интерференции зависят от размера дифрагирующего объекта и размера волны.Наиболее сильные примеры дифракции возникают в волнах, длина которых подобна размеру объекта, вызывающего дифракцию.

Дифракция может использоваться для разделения различных длин волн света с помощью дифракционной решетки. Дифракционная решетка может быть серией близко расположенных щелей или зеркалом с серией небольших канавок. Дифракционные решетки работают, потому что разные длины волн света конструктивно интерферируют под разными углами. Дифракционные решетки используются во многих инструментах аналитической химии, таких как спектрометр.

Дифракцию можно также использовать для изучения молекул с помощью рентгеновской кристаллографии. В рентгеновской кристаллографии рентгеновские лучи направляются на кристалл. Кристалл дифрагирует рентгеновские лучи и создает дифрактограмму. Этот узор уникален для данного типа кристалла и может использоваться для идентификации молекулы, из которой состоит кристалл. Дифракция также возникает при изгибном движении, когда волна становится более распространенной.

Skoog, D.A .; Holler, F.J .; Крауч, С. Принципы инструментального анализа.(Брукс / Коул, Калифорния). ISBN 0-495-01201-7 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Young_Diffraction.png

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Diffraction — это физическая концепция, которая возникает, когда волны огибают небольшие препятствия или распространяются после прохождения через небольшие отверстия. Дифракция происходит со всеми волнами, включая звуковые волны, волны воды и электромагнитные волны, такие как свет, который может видеть глаз. Дифракция также происходит с такими веществами, как электроны.

Дифракционная картина, полученная при прохождении света через одиночное отверстие

Причины дифракцииEdit

Эскиз двухщелевой дифракции. Волна, прошедшая через щели, дифрагировала и интерферирует сама с собой.

Дифракция возникает из-за того, что одна волна света смещается дифрагирующим объектом. Этот сдвиг вызовет интерференцию волны сама с собой. Вмешательство может быть как конструктивным, так и деструктивным. Когда интерференция носит конструктивный характер, интенсивность волны увеличивается.Когда вмешательство является деструктивным, интенсивность уменьшается, иногда до такой степени, что оно полностью разрушается. Эти образцы интерференции зависят от размера дифрагирующего объекта и размера волны. Наиболее сильные примеры дифракции возникают в волнах, длина которых подобна размеру объекта, вызывающего дифракцию.

Использование дифракцииEdit

Дифракцию можно использовать для разделения различных длин волн света с помощью дифракционной решетки.Дифракционная решетка может быть серией близко расположенных щелей или зеркалом с серией небольших канавок. Дифракционные решетки работают, потому что разные длины волн света конструктивно интерферируют под разными углами. Дифракционные решетки используются во многих инструментах аналитической химии, таких как спектрометр.

Дифракцию можно также использовать для изучения молекул с помощью рентгеновской кристаллографии. В рентгеновской кристаллографии рентгеновские лучи направляются на кристалл. Кристалл дифрагирует рентгеновские лучи и создает дифрактограмму.Этот узор уникален для данного типа кристалла и может использоваться для идентификации молекулы, из которой состоит кристалл. Дифракция также возникает при изгибном движении, когда волна становится более распространенной.

Список литературы Редактировать

Skoog, D.A .; Holler, F.J .; Крауч, С. Принципы инструментального анализа. (Брукс / Коул, Калифорния). ISBN 0-495-01201-7 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Young_Diffraction.png

Что такое дифракция? | Сократик

Физика

Наука

• Анатомия и физиология
• Астрономия
• Астрофизика
• Биология
• Химия
• наука о планете Земля
• Наука об окружающей среде
• Органическая химия
• Физика

Математика

• Алгебра
• Исчисление

Что является доказательством формулы dsintheta = nlamda для дифракционной решетки?

Физика

Наука

• Анатомия и физиология
• Астрономия
• Астрофизика
• Биология
• Химия
• наука о планете Земля
• Наука об окружающей среде
• Органическая химия
• Физика

Математика

• Алгебра
• Исчисление

Статья о дифракции по The Free Dictionary

Diffraction

Искривление света или других волн в область геометрической тени препятствия.Точнее, дифракция относится к любому перераспределению в пространстве интенсивности волн, которое возникает в результате присутствия объекта, вызывающего изменения либо амплитуды, либо фазы волн. Большинство дифракционных решеток вызывают периодическую модуляцию фазы по фронту волны, а не модуляцию амплитуды. Хотя дифракция — это эффект, проявляемый всеми типами волнового движения, в этой статье будут рассмотрены только электромагнитные волны, особенно волны видимого света. Для обсуждения явления, встречающегося в других типах волн. См. Дифракция электронов, Дифракция нейтронов, Звук

Дифракция — это явление всего электромагнитного излучения, включая радиоволны; микроволны; инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет; и рентгеновские лучи.Эффекты для света важны в связи с разрешающей способностью оптических инструментов. См. Дифракция рентгеновских лучей

Существует два основных класса дифракции, которые известны как дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля. Первый касается пучков параллельного света и отличается простотой требуемой математической обработки, а также своей практической важностью. Последний класс включает эффекты в расходящемся свете, и его проще всего наблюдать экспериментально.

Чтобы проиллюстрировать разницу между методами наблюдения двух типов дифракции, на рис. 1 показаны экспериментальные схемы, необходимые для их наблюдения для круглого отверстия в экране S . Свет исходит от очень маленького источника O , которым удобно может быть точечное отверстие, освещенное солнечным светом. При дифракции фраунгофера источник находится в главном фокусе линзы L ₁ , которая делает свет параллельным, когда он падает на апертуру.Вторая линза L ₂ фокусирует параллельные дифрагированные лучи на экране наблюдения F , расположенном в главной фокальной плоскости L ₂ . При дифракции Френеля линзы не вмешиваются. Эффекты дифракции проявляются в основном у границ геометрической тени, обозначенных пунктирными линиями. Таким образом, альтернативный способ различения этих двух классов состоит в том, чтобы сказать, что дифракция Фраунгофера касается эффектов вблизи фокуса линзы или зеркала, а дифракция Френеля касается этих эффектов вблизи краев теней.Фотографии дифракционных картин показаны на рис. 2.

Наблюдение двух основных типов дифракции в случае круглой апертуры

Дифракционные картины, сфотографированные в видимом свете

Дифракция Фраунгофера

Этот класс дифракции характеризуется линейным изменением фаз вторичных волн Гюйгенса с расстоянием по фронту волны, когда они достигают заданной точки на экране наблюдения. В момент, когда падающая плоская волна занимает плоскость дифрагирующего экрана, ее можно рассматривать как испускающую от каждого элемента своей поверхности множество вторичных волн, совместное действие которых должно оцениваться в фокальной плоскости. линзы L ₂ .При анализе этих вторичных волн учитываются как их амплитуды, так и их фазы. Самый простой способ сделать это — использовать графический метод, метод так называемой кривой колебаний, который можно легко распространить на случаи дифракции Френеля. См. Принцип Гюйгенса

Кривая вибрации получается в результате добавления большого (действительно бесконечного) числа бесконечно малых векторов, каждый из которых представляет вклад вторичных волн Гюйгенса от элемента поверхности волнового фронта.Если предположить, что эти элементы имеют одинаковую площадь, значения добавляемых амплитуд будут одинаковыми. Однако они будут обычно различаться по фазе, так что, если бы элементы были небольшими, но конечными, каждый из них был бы нарисован под небольшим углом к ​​предыдущему, как показано на рис. 3 a . Результатом всех элементов будет вектор A . Когда отдельные векторы представляют вклады от бесконечно малых элементов поверхности (как и для вейвлетов Гюйгенса), диаграмма становится гладкой кривой, кривой колебаний, показанной на рис.3 б . Тогда интенсивность на экране пропорциональна квадрату этой результирующей амплитуды. Таким образом, можно определить распределение интенсивности света в любой дифракционной картине Фраунгофера.

Кривые вибрации

Распределение интенсивности для дифракции Фраунгофера на щели в зависимости от угла Θ от центра можно просто рассчитать методом кривой колебаний. Интенсивность под любым углом дается формулой. (1), где I ₀ — интенсивность в центре рисунка, а ß определяется уравнением.(2), где b — ширина щели

(1) (2), а λ — длина волны. Центральный максимум вдвое шире вспомогательных и примерно в 21 раз интенсивнее самого сильного из них. Фотография этого шаблона представлена ​​на рис. 2 a .

Дифракция Фраунгофера на круглой апертуре определяет разрешающую способность таких инструментов, как телескопы, камеры и микроскопы, в которых ширина светового луча обычно ограничена ободком одной из линз.Метод кривой колебаний может быть расширен для определения угловой ширины центрального дифракционного максимума для этого случая. Точное построение кривой или, что лучше, математический расчет показывает, что требуемые крайние разности фаз составляют ± 1,220π, что дает

(3) Eq. (3) для угла при первом нуле интенсивности. Здесь d — диаметр круглого отверстия. Этот узор имеет круговую симметрию и состоит из диффузного центрального диска, называемого диском Эйри, окруженного тусклыми кольцами.Угловой радиус диска, определяемый формулой. (3), может быть чрезвычайно малым для реального оптического прибора, но он устанавливает предел резкости изображения, то есть разрешающей способности. См. Разрешающая способность (оптика)

Дифракция Френеля

Эффекты дифракции, полученные, когда источник света или экран наблюдения находятся на конечном расстоянии от дифрагирующей апертуры или препятствия, подпадают под классификацию дифракции Френеля. Этот тип дифракции требует для наблюдения только точечного источника, дифрагирующего экрана какого-либо типа и экрана наблюдения.Последний часто выгодно заменять лупой или маломощным микроскопом. Наблюдаемые дифракционные картины обычно различаются в зависимости от радиуса кривизны волны и расстояния до точки наблюдения за экраном. Если дифрагирующий экран имеет круговую симметрию, например, у непрозрачного диска или круглого отверстия, необходимо использовать точечный источник света. Если он имеет прямые параллельные края, с точки зрения яркости желательно использовать освещенную щель, параллельную этим краям.В последнем случае волну, исходящую из щели, можно рассматривать как цилиндрическую. Для построения кривой колебаний целесообразным способом разделения волнового фронта на бесконечно малые элементы является использование кольцевых колец в первом случае и полос, параллельных оси цилиндра, во втором случае.

Зонная пластина — это специальный экран, предназначенный для блокирования света из любой другой полупериодной зоны, и представляет собой интересное применение дифракции Френеля.Зоны полупериода Френеля нарисованы с радиусами, пропорциональными квадратным корням из целых чисел, а альтернативные зоны затемнены. Затем рисунок фотографируется в уменьшенном масштабе. Когда свет от точечного источника проходит через негатив, создается интенсивное точечное изображение, очень похожее на то, которое формируется линзой.

Краткая физическая энциклопедия МакГроу-Хилла. © 2002 McGraw-Hill Companies, Inc.

Дифракция — Звуковая наука для школ и колледжей

Вы когда-нибудь задумывались, почему вы можете слышать кого-то, кто находится за углом здания, задолго до того, как вы их видите? Кажется, что звук может путешествовать по углам, а свет — нет.Что является причиной этого? Имеют ли свет и звук общие свойства, которые могут вызвать этот эффект?

Волны могут распространяться довольно необычным образом, когда достигают края объекта — это называется дифракцией . Степень дифракции (распространение или искривление волны) зависит от длины волны и размера объекта. Дифракцию можно наглядно продемонстрировать, используя волны на воде в резервуаре пульсации. Взгляните на это моделирование трех резервуаров пульсации, каждый из которых содержит объект разной ширины, который препятствует распространению волны.
Ключом к пониманию дифракции является понимание того, как относительный размер объекта и длина волны влияют на происходящее.

Резервуары пульсации с большими, средними и мелкими объектами (слева направо), препятствующими волне. Препятствие на правой анимации имеет ту же ширину, что и длина волны звука.

Изучив три анимации, решите, какое из этих утверждений правильное в следующей викторине.

Результаты

№1.Что из этого правда?

№2. Что из этого верно (применяя эти правила к звуковым волнам, а не к волнам на воде):

№ 3. Что из этого верно

№4. Верно или неверно: «Степень дифракции зависит как от размера препятствия, так и от длины волны звука».

Наше моделирование показывает, что при «длинном» барьере существует много отражений падающей энергии обратно к источнику, но, несмотря на некоторую дифракцию или изгиб волны вокруг барьера, это все же оставляет за собой зону тишины.