Все, что вам нужно знать о дифракции света и о том, как она работает

На мир физики и фотографии влияет явление света, известное как дифракция света. Существует множество профессиональных объективов для фотоаппаратов, обеспечивающих очень хорошую резкость. Однако, даже если оно очень хорошего качества, они не могут избежать этого явления света.

В этой статье мы расскажем вам, что такое дифракция света, каковы ее характеристики и значение.

Индекс

• 1 Что такое дифракция света
• 2 Características principales
• 3 Дифракция света и принцип Гюйгенса

Что такое дифракция света

Когда световые волны проходят через небольшие отверстия и вокруг препятствий или острых краев, возникает так называемая дифракция света. Если объект непрозрачен и находится между точечным источником света и экраном, граница между затененные и выделенные области на экране не будут определены. Это можно увидеть, поскольку часть затемненных и освещенных областей сигнализирует о небольшом количестве света, который направляется в сторону затемненных областей.

Можно сказать, что дифракция света — это явление, которое происходит, когда волны, составляющие свет, проходят через узкое отверстие. Когда это происходит, световые волны формируются постепенно и больше не имеют продвижения луча. Когда мы говорим о точке света, мы должны знать, что такое луч света. Этот луч света — не что иное, как «поток», в котором свет проходит через воздух. В этом случае, когда он проходит через дыру, световые волны открываются, как в фарах автомобиля посреди ночи, потому что отверстие — это то, что действует как новый излучатель света.

В камерах используется дифракция света, чтобы пропустить свет через очень маленькое отверстие. Это используется для выбора количества света, которое мы будем использовать для съемки.

Características principales

Из-за дифракции света он не концентрируется в определенной точке.

Это явление заставляет его рассеиваться, образуя то, что известно как Воздушный диск. Этот диск — не что иное, как изображение деформации светового луча и волн, проецируемых на плоскость. В случае фотографии самолет — это датчик камеры.

Альбом Эйри — это то, что фотография ищет для установления баланса. Вы пытаетесь сделать снимок с такой глубиной резкости, чтобы все было хорошо в фокусе. Благодаря явлению дифракции света диафрагму камеры можно закрыть, чтобы более эффективно фокусироваться на объектах на фотографии. Наступает момент, когда закрытие диафрагмы происходит при общей потере резкости. Поэтому важно знать, как работает явление дифракции света, если мы хотим оптимизировать фотографии.

Это явление также используется в рекламе для создания визуализаций, привлекающих внимание невооруженным глазом. Термин «дифракция» происходит от латинского «дифракт», что означает «сломался». Это происходит главным образом из-за того, что праща может огибать препятствие при своем распространении, уходя от поведения прямолинейных лучей.

Следует иметь в виду, что основные эффекты дифракции света обычно малы.

Явление отвлечения внимания можно увидеть невооруженным глазом, если источник света помещает два пальца на расстоянии десяти сантиметров от одного глаза, оставляя между пальцами очень маленькое пространство. Именно здесь мы видим серию темных линий и других светлых линий. Видимые линии в основном вызваны тем, что известно как конструктивная и деструктивная световая интерференция. Эти помехи проходят по пальцам, вызывая этот эффект.

Дифракция света и принцип Гюйгенса

Причина того, что происходит с помехами, не совсем очевидна. Ученый Кристиан Гюйгенс предложил объяснение этому явлению. Объяснение основано на электромагнитном излучении и его динамике, когда переизбрание в магнитный максимум покидает источник, из которого оно испускается, и расширяется по мере продвижения. Его расширение осуществляется по прямой линии, как будто оно покрывает поверхность ожидания, которое постоянно расширяется. Вся площадь распространения света увеличивается пропорционально квадрату расстояния, на которое распространяется излучение.

Мы считаем, что электромагнитная энергия может распространяться от точечного источника в плоских волнах. В этом случае мы не только применяем закон обратных квадратов к источнику питания, но также должны применяться к любой точке на плоской стропе. Следовательно, можно сказать, что волны считаются такими, что они создаются непрерывно из каждой точки плоскости и распространяются во всех направлениях. Если мы уменьшим область, где мы пропускаем свет, площадь, через которую проходит световой луч, будет уменьшена.

Этот принцип Гюйгенса был опубликован более 300 лет назад, и предлагается новый механизм, позволяющий узнать распространение света в том виде, в каком мы его знаем сегодня. В то время считалось, что свет распространяется как волны в некой фиктивной материи, называемой эфиром, и предполагалось, что он заполняет все пространство. Каждая вибрирующая частица эфира рассматривалась как источник новых волн. Сферические волны, относящиеся к начальной дифракции света, исходят от точечного источника и частично закрываются бесконечным экраном S.

Движение световых волн определяется скоростью в конусе, ограниченном раскрытием экрана. Апертура экрана известна как поверхность, через которую может выходить свет. Этот принцип используется для утверждения законов отражения и преломления плоских волн. Принцип Гюйгенса относится к оптическая геометрия и действительна для чрезвычайно малых длин волн. С другой стороны, мы не можем использовать его для объяснения всех явлений световых волн. Например, он не служит для объяснения отклонения волн от прямолинейного распространения световых лучей при прохождении через край объекта или через небольшие отверстия.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о дифракции света.

Дифракция света 11 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Геометрическая оптика

 

До тех пор, пока мы находились в рамках геометрической оптики, наши вопросы сводились к следующему: есть некоторый источник света или система источников, есть прозрачная и однородная среда, в которой присутствуют какие-то предметы, а также могут присутствовать границы раздела прозрачных сред.

Как в этом случае описать формы освещенных и неосвещенных областей, возникающих на поверхностях тех или иных предметов? Проще говоря: попадает или не попадает свет в какие-то области пространства?

 

Для решения таких задач нам было достаточно всего три закона. Прямолинейного распространения, отражения и преломления. Но затем мы столкнулись с рядом ситуаций, в которых данные законы нам уже не помогали получить ответ на вопрос задачи. Тогда пришлось прибегнуть к представлениям о волновой природе света, и мы дополнили три указанных закона принципом Гюйгенса, который позволял строить волновые поверхности совершенно в  различных случаях.

Сопоставим принцип Гюйгенса с результатами интерференционных опытов. С одной стороны, мы говорили, что для наблюдения интерференционной картины необходимо, чтобы интерферирующие волны и источники этих волн, были когерентными. С другой стороны, принцип Гюйгенса говорит, что любая точка волнового фронта является источником вторичных волн. Совершенно очевидно, что такие источники вторичных волн должны быть когерентными, поскольку они являются частью одного и того же волнового фронта.

А это значит, что излученные вторичные волны должны интерферировать между собой.

Идея об интерференции вторичных волн была высказана Френелем (рис. 2) в 1819 году. В ответ на это Симеон Пуассон (рис. 1) обратил внимание Френеля на то, что если следовать такой логике, то можно прийти к абсурдным выводам.

Рис. 1. Симеон Дени Пуассон (1781–1840)	Рис. 2. Жан Огюстен Френель (1788–1827)

Например, если направить свет на непрозрачный диск, то в результате интерференции вторичных волн, излучаемых вблизи границ диска, в центре геометрической тени, может образоваться светлое пятно (рис. 3).

Рис. 3. Опыт Араго

Действительно, такая ситуация полностью противоречит нашему жизненному опыту. Однако впоследствии Франсуа Араго проделал подобный опыт и получил в центре тени светлое пятно. С тех пор это явление называют пятно Пуассона.

 

Принцип Гюйгенса – Френеля

 

 

Волновая теория света окончательно закрепилась. Как следствие, Френель несколько переформулировал принцип Гюйгенса. И отныне мы будем говорить о принципе Гюйгенса – Френеля, который гласит:

 

Каждая точка волнового фронта есть источник вторичных сферических волн, а результирующая световая волна в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих вторичных волн.

Отныне мы можем не просто рисовать волновые поверхности, как огибающие все вторичные волны, но и решать те задачи, о которых мы говорили в геометрической оптике. Как вы помните из предыдущих тем, дифракция – это явление, которое присуще любому волновому процессу, заключается оно в том, что волны отклоняются от прямолинейного распространения и огибают препятствия, встречающиеся у них на пути. Световые волны не являются исключением (пятно Пуассона).

 

Опыт Юнга

 

 

Еще одним классическим опытом, в котором можно наблюдать дифракцию света, является опыт Юнга. В непрозрачной ширме булавкой проколото два отверстия , на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещаются узким световым пучком, прошедшим через малое отверстие , в другой ширме. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса – Френеля волна, которая прошла через отверстие , возбуждала в отверстиях , когерентные вторичные волны. Из этих отверстий выходили два световых конуса, частично перекрывавшиеся в области между щелью и экраном. В результате интерференции волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы, которые исчезали при закрытии отверстия  или  (рис. 4).

 

Рис. 4. Опыт Юнга

Мы будем рассматривать дифракцию на более простых примерах, в которых речь будет идти о волнах с плоскими волновыми фронтами. Такой тип дифракции называется дифракцией Фраунгофера, в отличие от дифракции Френеля, где речь идет о сферических волновых фронтах.

 

Падение плоской монохроматической волны на щель

 

 

Рассмотрим падение плоской монохроматической волны на узкую щель. Пусть свет падает перпендикулярно плоскости, в которой вырезана щель. Пусть направление перпендикулярно плоскости рисунка щель имеет бесконечные размеры, как и волновой фронт падающей волны. Ясно, что через щель пройдет только участок исходного волнового фронта и все точки волнового участка будут излучать вторичные волны в различных направлениях. Таким образом, свет после прохождения щели будет распространяться не только в первоначальном направлении, но и под всеми углами от 0 до 90 градусов к этому направлению (рис. 5).

 

Рис. 5. Падение плоской монохроматической волны на щель

Рассмотрим два луча, соответствующие волнам, излученным двумя точками исходного волнового фронта, под углом к первоначальному направлению (рис. 6).

Рис. 6. Падение плоской монохроматической волны на щель

Видно, что оба луча проходят до пересечения с экраном разные пути. А мы знаем, что волны, соответствующие этим двум лучам, будут иметь некоторую разность фазы. В зависимости от этой разности в области экрана, где эти волны падают на него, будет либо светлая, либо темная полоса. Как итог, на экране будет образовываться картина чередующихся светлых и темных полос. В центре, то есть напротив середины щели, будет самая яркая полоса, называемая центральной, яркость остальных резко уменьшается по мере их удаления от нее.

Если к имеющейся узкой щели добавить такую же, расположенную на очень малом расстоянии от первой, то есть создать систему из опыта Юнга, то благодаря дополнительной интерференции волн от двух щелей светлые полосы расщепятся на ряд более узких полос. Особенно это будет заметно по центральной, яркой, полосе. Если добавлять еще щели, то расщепленные полосы станут еще более ярко выраженными (рис. 7).

Рис. 7. Падение волны на множественные узкие щели

Таким способом мы приходим к идее устройства очень важного физического прибора, так называемой дифракционной решетки.

 

Дифракционная решетка

 

 

 

 

---

Теория дифракционной решетки

Если ширина прозрачных щелей равна , а непрозрачных – , то величина их суммы называется периодом дифракционной решетки (). Обычно период дифракционной решетки – порядка 10 мкм. Пусть на решетку падает плоская монохроматическая волна с длиной , вторичные источники, расположенные в щелях, создают световые волны, распространяющиеся по всем направлениям. Рассмотрим условия, при которых идущие от щелей волны усиливают друг друга. Рассмотрим волны, распространяющиеся под углом . Разность хода от краев щели равна длине отрезка , если на этом отрезке укладывается целое число волн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливаться. Из треугольника  можно найти длину катета . Он равен ,. Соответственно, максимум будет наблюдаться под углом , как дано в условии (рис. 8).

Рис. 8. Дифракционная решетка

Период решетки, умноженный на синус угла, будет равен целому числу длин волн. За решеткой помещают собирающую линзу, а за ней экран на фокусном расстоянии от линзы. Линза фокусирует лучи, идущие параллельно, в одну точку, в этой точке происходит сложение волн и их взаимное усиление. Углы, удовлетворяющие условию максимума, определяют положение главных максимумов на экране. Так как положение максимумов зависит от длины волны, то решетка разлагает белый свет в спектр (рис. 9).

Рис. 9. Разложение света на спектр

При этом чем больше длинна волны, тем дальше от центрального максимума располагается тот или иной максимум, соответствующий каждой длине волны. При этом каждому значению соответствует свой порядок спектра. Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко очерчены максимумы и тем более широкими минимумами они разделены.

Световая энергия, падающая на решетку, перераспределяется так, что большая часть приходится на максимумы, а в области минимумов попадает совершенно незначительная доля энергии.

С помощью дифракционной решетки можно производить довольно точные измерения значений длин волн. Для этого достаточно научиться измерять углы, соответствующие тем или иным максимумам освещенности на экране, в этом и состоит суть спектрального анализа.

Спектральный анализ – это анализ состава, падающего на решетку света.

---

 

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачным промежутками. Хорошую решетку изготавливают с помощью специальной делительной машины, наносящей на стеклянную пластину параллельные штрихи. Число штрихов может доходить до нескольких тысяч на 1 мм. Общее число штрихов превышает сто тысяч.

Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Наилучшими качествами обладают так называемые отражательные решетки (рис. 10).

Рис. 10. Отражательные дифракционные решетки

Они представляют собой чередующиеся участки отражающие свет и рассевающие его. Рассевающие свет лучи наносятся резцом на отшлифованную металлическую пластину.

Основное применение дифракционных решеток – это спектральный анализ. Благодаря знаниям о дифракции мы можем делать выводы о границах применимости тех или иных оптических приборов. Рассмотрим это на примере линзы.

 

Граница применимости линзы

 

 

Способность линзы создавать различимые изображения двух очень близко расположенных друг к другу точечных предметов называется разрешающей способностью линзы или разрешающей силой линзы.

 

Чем ближе находятся друг к другу два точечных изображения, при этом оставаясь различимыми, тем выше разрешающая способность линзы.

Вам уже знакомо явление аберрации – это явление портит качество изображения, создаваемое линзой. Но кроме этого явления картину так же портит уже описанная нами дифракция.

У линзы есть края, соответственно, линза действует подобно щели, рассмотренной в предыдущем примере. На самом деле, когда мы создаем с помощью линзы изображение какого-либо точечного объекта, создается дифракционная картина, и это изображение оказывается размытым, даже если аберрации полностью устранены.

Когда два точечных объекта находятся очень близко друг от друга, дифракционные картины их изображений перекрываются (рис. 11).

Рис. 11. Перекрытие дифракционных картин

Если объекты сблизятся еще больше, то наступает момент, когда уже нельзя определить, видите ли вы два перекрывающихся изображения или единственное изображение.

 

Критерий Релея

 

 

Критерий Релея: два изображения находятся на пороге разрешения, когда центр дифракционного диска одного из них совпадает с первым минимумом на дифракционной картине другого.

 

Расчеты показывают, что два объекта можно считать значимыми, если угловое расстояние между ними равно 1,22, умноженное на длину волны и деленное на диаметр линзы.

 (дифракционный предел)

Этот предел обусловлен дифракцией и наложен на разрешающую способность линзы волновой природой света.

 

---

Решение задач на тему «Дифракционная решетка»

Задача № 1

Дано: спектр получен с помощью дифракционной решетки с периодом 22 мкм, дифракционный максимум второго порядка находится на расстоянии 5 см от центрального максимума и на расстоянии 1 м от решетки. Определите длину световой волны.

Решение: обозначим расстояние до решетки , луч, соответствующий максимуму второго порядка, отклоняется после прохождения через решетку на некоторый угол . Точка падения этого луча на экран отстоит от точки пересечения перпендикуляра на некоторое расстояние l (рис. 12).

Рис. 12. Иллюстрация к задаче № 1

Для того чтобы определить длину волны, нам необходимо воспользоваться углом максимума для второго порядка.

Осталось определить синус угла, из рисунка видно, что . Подставим значение и получим, что угол стремится к 0, а мы знаем, что для малых углов выполняется условие, что синус приближенно равен тангенсу. Тогда получаем рабочую формулу:

Подставив значения, предварительно переведенные в систему си, получаем, что

Ответ: 500 нм.

---

 

 

Заключение

 

 

Итак, на этом уроке мы рассмотрели основные примеры дифракционных опытов, объяснили суть явления дифракции и ее практические применения.

 

 

Список литературы

1. Физика. 11 класс. Жилко В. В., Маркович Я. Г. – 2011.
2. Физика. 11 класс. Учебник. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М.
3. Физика, 11 класс. Касьянов В. А. — 2004.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет портал «Physical Bog» (Источник)
2. Интернет портал «SOL instruments» (Источник)
3. Интернет портал «НУК ФН МГТУ им. Н.Э.Баумана» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Задача № 1. Свет с длиной волны  падает нормально на длинную щель ширины . Определите направление на минимумы освещенности.
2. Задача № 2. На решетку с периодом м падает нормально монохроматическая волна. За решеткой расположена собирающая линза с фокусным расстоянием  м, которая дает изображение дифракционной картины на экране. Определите длину волны , если первый максимум получается на расстоянии  см от центрального.

 

Что такое дифракция света — FuzePlay

07 сентября 2017 г.

Концепция дифракции света

Дифракция – это изгибание волн вокруг препятствий или распространение волн при прохождении их через отверстие или отверстие. Любая энергия, распространяющаяся в виде волны, способна к дифракции, а дифракция световых и звуковых волн производит целый ряд эффектов. Однако звуковые волны намного больше, чем световые волны, поэтому дифракция звука является частью повседневной жизни, которую большинство людей сегодня считают само собой разумеющейся. Дифракция световых волн, с другой стороны, намного сложнее и имеет ряд применений в науке и технике, включая использование дифракционных решеток при создании голограмм.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Звук VS Свет 

Представьте, что вы идете в музыкальное заведение, где играет ваша любимая электронная танцевальная музыка (EDM), и вы оказываетесь прямо за балкой здания. Вы не можете видеть полосу, очевидно, так как световые волны в точке заблокированы. Тем не менее, у вас очень мало проблем со слухом, потому что звуковые волны легко преломляются вокруг столба. Световые волны незначительно преломляются в таких условиях, но не настолько, чтобы повлиять на ваше удовольствие от концерта. Если бы вы внимательно посмотрели за луч, вы бы заметили дифракцию световых волн, слегка светящихся, когда они обвивают столб.

Теперь предположим, что вы забыли купить билет на музыкальный фестиваль, но друг, работавший на концертной площадке, разрешил вам стоять перед открытой дверью и слушать группу. Конечно, качество звука может быть далеко от идеального, но вы все равно сможете достаточно хорошо слышать музыку. А если бы вы стояли прямо перед дверью, то могли бы видеть свет изнутри концертного зала. Но если вы отойдете от двери и встанете спиной к зданию, то света вы увидите мало, а шум все равно будет хорошо слышен.

Длина волны и дифракция

Причина различия в том, что дифракция звука более отчетлива, чем дифракция света — звуковые волны намного, намного больше световых волн. Звук распространяется продольными волнами или волнами, в которых движение вибрации происходит точно в том же направлении, что и сам прилив. Представьте звук, как если бы вы были целью, с концентрическими кругами, продолжающими расходиться наружу, как рябь спокойной воды после того, как камень упал в середину.

Волны, через которые передается звук, больше или равны по размеру колонне, двери или другому проему или проему и, следовательно, они легко проходят через такие проемы или обходя барьеры. Световые волны, с другой стороны, имеют длину волны, обычно измеряемую в нанометрах (нм), что эквивалентно одной миллионной доле миллиметра. Длины волн видимого света колеблются от 400 (фиолетовый) до 700 нм (красный) — это позволяет уместить около 5000 даже максимальных длин волн видимого света на головке булавки!

В то время как световые волны различной длины отображаются разными цветами, изменение длины волны звука предполагает изменение высоты тона. Подобно мягким океанским волнам, но в гораздо меньшей степени, коротковолновые звуковые волны менее способны дифрагировать вокруг массивных объектов, чем длинноволновые звуковые волны. Например, в концертном зале лучше всего слышны звуки ударных и баса; более высокие ноты с более короткой длиной волны, например, от струнного инструмента, с меньшей вероятностью достигнут слушателя.

Наблюдение за дифракцией света

Мы уже видели, что длина волны играет роль в дифракции, и мы легко упомянули, что апертура или относительное отверстие объекта также влияет на дифракцию. В большинстве исследований дифракции используются очень маленькие отверстия.

Свет уникален тем, что он преломляется не только при прохождении через отверстие, но и вокруг препятствий. Это можно увидеть, внимательно присмотревшись к тени от флагштока. Сначала кажется, что тень «сильная», но если приглядеться, то станет видно, что на границах наблюдается размытие от темноты к свету. Эта «серая область» является примером дифракции света.

Там, где препятствие или апертура велики по сравнению с волной, проходящей через них или вокруг них, на границе появляется небольшая «размытость», как в случае с флагштоком.

Тот же самый эффект можно было наблюдать недавно во время полного последнего солнечного затмения — Shadow Bands. Когда свет проходит через апертуру, большая часть луча проходит прямо, без помех, и дифракция наблюдается только на границах. Если же размер этой апертуры близок к длине волны, то дифракционная картина будет расширяться. Звуковые волны дифрагируют под большими углами через открытый дверной проем, который, как уже отмечалось, по размерам сравним со звуковой волной; точно так же, когда свет проходит через очень узкие отверстия, его дифракция более заметна.

Ранняя наука о дифракции

Сэр Исаак Ньютон (1642–1727) наиболее известен своими исследованиями гравитации и движения, хотя он также анализировал свет. С помощью призмы он разделил цвета спектра видимого света — это уже сделали другие ученые, — но именно Ньютон понял, что цвета спектра могут рекомбинироваться, чтобы снова образовать белый свет.

Ньютон также обсуждал природу самого света, и в этих дебатах важную роль играли исследования дифракции света. Точка зрения г-на Ньютона, известная как корпускулярная теория света, заключалась в том, что свет распространяется как поток частиц. Современник Ньютона, голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629 г.-1695), выдвинул идею волновой теории о том, что свет распространяется посредством волн. Гюйгенс утверждал, что несколько факторов, таких как явления отражения и преломления, указывают на то, что свет представляет собой волну. Ньютон, с другой стороны, бросил вызов волновым теоретикам, заявив, что если бы свет действительно был волной, он должен был бы обладать способностью огибать углы — дифракцией.

Франческо Гримальди открывает дифракцию света

Хотя это явление стало широко известно только спустя некоторое время, в 1648 году – более чем за десять лет до полемики о частицах и волнах – Иоганн Маркус фон Кронланд (1595-1667), ученый из Богемии (ныне часть Чехии), открыл дифракцию световых волн. Однако его выводы не были признаны до тех пор, пока спустя некоторое время; не дал он и названия явлению, которое наблюдал.

В 1660 году итальянский физик Франческо Гримальди (1618-1663) провел эксперимент по дифракции, который привлек всеобщее внимание. Гримальди позволил лучу света пройти через два узких отверстия, одно за другим, на чистую поверхность. Он заметил, что полоса света, попадающего на поверхность, была немного шире, чем должна быть, в зависимости от ширины луча, вошедшего в начальную апертуру. Он рассудил, что луч слегка отклоняется наружу, и дал этому явлению название, под которым оно известно сейчас: дифракция.

ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ И ФРАУНГОФЕРА.

Теория элементарных частиц продолжалась в Англии, на родине Ньютона, но ко времени появления французского физика Огюстена Жана Френеля (1788-1827) все большее число ученых на европейском континенте начали принимать волновую концепцию. Работа Френеля, опубликованная им в 1818 г., послужила развитию этой теории и, в частности, представлению о свете как о поперечной волне.

В Mémoire sur la diffraction de la lumière Френель обнаружил, что модель поперечных волн объясняет ряд явлений, таких как дифракция, отражение, преломление, интерференция и поляризация, или изменение характера колебаний световая волна. Через четыре года после публикации этой важной работы Френель применил свои теории на практике и использовал поперечную модель, чтобы создать карандашный пучок света, такой же, какой вы ожидаете от маяка. Эта призменная система, при которой весь свет, излучаемый источником, попадает прямо в плоский луч, заменила старый метод зеркал, использовавшийся с древних времен. В процессе работа Френеля навсегда изменила эффективность маяков, спасая бесчисленное количество жизней.

Выражение «дифракция Френеля» относится к сценарию, в котором источник света или экран находятся вблизи апертуры; однако есть и другие сценарии, когда источник, апертура и осыпь (или по крайней мере два из этих трех) сильно разнесены. Это называется дифракцией Фраунгофера в честь немецкого физика Йозефа фон Фраунгофера (1787-1826), который в 1814 году нашел линии солнечного спектра (источник) с помощью призмы (апертуры). Его работа оказала огромное влияние на изучение спектроскопии — взаимодействия между электромагнитным излучением и веществом.

Как используется дифракция света в реальной жизни . И именно Альберт Эйнштейн (1879-1955) открыл, что свет ведет себя и как волна, и при определенных условиях как частица.

В 1912 году, через несколько лет после того, как Эйнштейн опубликовал свои открытия, немецкий физик Макс Теодор Феликс фон Лауэ (1879 г.-1960) создал дифракционную решетку. Используя кристаллы в своей решетке, он продемонстрировал, что рентгеновские лучи являются частью электромагнитного спектра. Работа Лауэ, которая принесла ему Нобелевскую премию по физике в 1914 году, также сделала возможным измерение расстояния до рентгеновских лучей и, наконец, дала средства для изучения атомной структуры кристаллов и полимеров.

Исследования в области дифракции получили дальнейшее развитие в начале двадцатого века. В 1926 году английский физик Дж. Д. Бернал (1901-1971) разработал диаграмму Бернала, позволяющую ученым делать выводы о кристаллической структуре твердого тела путем анализа фотографий рентгеновских дифракционных картин. Десять лет спустя голландско-американский физикохимик Питер Джозеф Уильям Дебай (1884–1919 гг.66) получил Нобелевскую премию по химии за исследования в области дифракции рентгеновских лучей и электронов в газах, которые продвинули понимание молекулярной структуры.

В 1937 году, через год после Нобелевской премии Дебая, американский физик Клинтон Джозеф Дэвиссон (1881–1958) и английский физик Джордж Пэджет Томсон (1892–1975) получили премию по физике за открытие того, что кристаллы могут преломлять электроны.

Кроме того, в 1937 году английский физик Уильям Томас Эстбери (1898-1961) использовал рентгеновскую дифракцию для обнаружения самой ранней информации о нуклеиновой кислоте, что привело к улучшению анализа ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), строительных блоков генетика человека. В 1952 года английский биофизик Морис Хью Фредерик Уилкинс (1916-) и молекулярный биолог Розалинда Элси Франклин (1920-1958) использовали рентгеновскую дифракцию для изображения ДНК. Их работа напрямую повлияла на прорывное событие, которое последовало год спустя: открытие двойной спирали или двойной спирали ДНК американскими молекулярными биологами Джеймсом Д. Уотсоном (1928-) и Фрэнсисом Криком (1916-). Сейчас исследования ДНК находятся на переднем крае исследований в биологии и смежных областях.

Дифракционная решетка

Большая часть работы, описанной в предыдущих абзацах, использовала дифракционную решетку, впервые разработанную в 1870-х годах американским физиком Генри Августом Роулендом (1848-1901). Дифракционная решетка — это оптическое устройство, состоящее не из одной, а из многих тысяч апертур: в машине Роуленда для линейки стеклянных решеток использовался алмаз с тонким наконечником, примерно 15 000 линий на дюйм (2,2 см). Дифракционные решетки теперь могут иметь до 100 000 апертур на дюйм. Отверстия в дифракционной решетке — это не просто отверстия, а очень узкие параллельные щели, которые превращают луч света в спектр.

Каждое отверстие преломляет световой пучок, но поскольку они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и имеют одинаковый диаметр, дифрагированные волны сталкиваются с конструктивной интерференцией. Эта конструктивная интерференционная картина позволяет рассматривать компоненты этого спектра по отдельности, что позволяет ученым наблюдать характеристики, которые варьируются от расположения атомов и молекул до химического состава звезд.

Рентгеновская дифракция

Поскольку рентгеновские лучи намного выше по энергии и частоте, их длина волны намного короче, чем волны видимого света. Следовательно, для дифракции рентгеновских лучей необходимо иметь решетки, линии которых разделены бесконечно малыми расстояниями. Эти расстояния обычно измеряются в единицах, известных как ангстрем, где в миллиметре 10 миллионов. Ангстремы используются для измерения молекул, и, действительно, расстояния между линиями в пределах дифракционной решетки рентгеновских лучей подобны размеру атомов.

Когда рентгеновское излучение поглощается кристаллом в виде рентгеновских лучей, атомы в кристалле преломляют лучи. Одним из аспектов кристально чистых материалов является то, что их атомы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, и благодаря этому можно определить местоположение и расстояние между атомами, анализируя картины дифракции рентгеновских лучей. Закон Брэгга, названный в честь группы отца и сына английских физиков Уильяма Генри Брэгга (1862–1942) и Уильяма Лоуренса Брэгга (1890–1971), описывает картины дифракции рентгеновских лучей в кристаллах.

Хотя многое в дифракции рентгеновских лучей и кристаллографии кажется довольно субъективным, его применение в таких областях, как исследования ДНК, позволяет предположить, что он имеет множество применений для улучшения человеческой жизни. Старший Брэгг выразил эту реальность в 1915 году, когда он и его сын получили Нобелевскую премию по физике, заявив, что «теперь мы можем заглянуть в десять тысяч раз глубже в структуру материи, из которой состоит наша Вселенная, чем когда мы полагаться только на микроскоп». Теперь физики, применяющие дифракцию рентгеновских лучей, используют инструмент, называемый дифрактометром, который помогает им сравнивать дифракционные картины с картинами известных кристаллов в качестве метода определения конструкции новых материалов.

Голограммы

Слово голограмма происходит от греческих слов holos, «полный», и gram, «сообщение», и представляет собой трехмерное (3-D) изображение объекта, полученное с помощью процесса, известного как голография. Голограммы используют преимущества лазерных лучей, которые объединяются под углом, создавая интерференционную картину чередующихся ярких и темных линий. Сама поверхность голограммы представляет собой своего рода дифракционную решетку с чередующимися полосами прозрачного и непрозрачного материала. Освещающий лазерный луч дифрагирует под определенными углами, согласно закону Брэгга, на поверхностях голограммы, что позволяет наблюдателю видеть трехмерную картину.

Голограммы не следует путать с обычными трехмерными изображениями, в которых используется только видимый свет. Последние производятся с помощью метода, называемого стереоскопией, который создает одно изображение из двух, накладывая изображения друг на друга, чтобы создать впечатление картины с глубиной. Хотя стереоскопические изображения создают впечатление, что вы можете «вступить» в изображение, голограмма на самом деле позволяет зрителю взглянуть на изображение под любым углом. Таким образом, стереоскопические изображения можно сравнить с просмотром через зеркальное стекло витрины магазина, тогда как голограммы передают ощущение, что человек действительно вошел в саму витрину.

Развитие голографии 

Пытаясь улучшить разрешение электронных микроскопов, в 1947 году венгерско-английский физик и инженер Деннис Габор (1900–1979) разработал понятие голографии и ввел термин «голограмма». Его работа в этой области была ограничена до тех пор, пока в 1960 году не был представлен лазер. К началу 1960-х годов ученые уже использовали лазеры для создания трехмерных изображений, а в 1971 году Габор получил Нобелевскую премию по физике за открытие, которое он сделал за поколение. до.

Сегодня голограммы используются на кредитных картах или других идентификационных картах в качестве меры безопасности, обеспечивая считывание изображения оптическими сканерами. В кассовых сканерах супермаркетов используются голографические оптические элементы (HOE), которые могут считывать универсальный код продукта (UPC) под любым углом. Использование голограмм в повседневной жизни и научных исследованиях, скорее всего, будет расти по мере того, как ученые находят новые программы: например, голографические изображения помогут в проектировании всего, от мостов до автомобилей.

Одной из самых увлекательных областей исследования в области голографии является голографическая память. Компьютеры используют двоичный код, комбинацию единиц и нулей, которая преобразуется в цифровой импульс, но голографическая память может значительно расширить возможности компьютерных систем памяти. В отличие от многих изображений, голограмма — это не просто сумма составляющих ее компонентов: информация в голографическом изображении содержится в каждой части изображения, а это означает, что часть изображения может быть уничтожена без потери информации.

Голографическая память

Чтобы завершить историю, идея голографической памяти была выдвинута немецким математиком и философом Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646-1716) — соперником Ньютона — вместе с Гюйгенсом. Хотя Ньютона обычно считают отцом исчисления, Лейбниц примерно в то же время разработал свою собственную версию исчисления.

Будучи философом, Лейбниц, очевидно, имел довольно много мыслей, которые его современники считали странными. Это сделало его посмешищем среди представителей европейского интеллектуального общества. Вольтер (Франсуа-Мари Аруэ; 1694-1778), французский писатель и мыслитель, высмеял его персонажем доктором Панглоссом в Кандиде (1759). Немногие из идей Лейбница были более эксцентричными, чем идея монады: элементарной частицы существования, отражающей всю вселенную.

Выдвигая понятие монады, Лейбниц не делал утверждения в манере ученого: не было никаких доказательств существования монад, и невозможно было продемонстрировать доказательство монады в каком-либо научном эксперименте. Однако голограмма очень похожа на проявление воображаемых Лейбницем монад, и и голограмма, и монада относятся к более основному элементу жизни: человеческой памяти. Неврологические исследования в конце двадцатого века показали, что память в человеческом уме имеет голографическую структуру. Так, например, пациент, попавший в аварию с участием 90 процентов разума испытывает только 10-процентную потерю памяти.

Где узнать больше

• Статья адаптирована с сайта Encyclopedia. com

• Барретт, Норман С. Лазеры и голограммы. Нью-Йорк: Ф. Уоттс, 1985.

• «Закон Брэгга и дифракция: как волны раскрывают атомную структуру кристаллов»  (веб-сайт). (6 мая 2001 г.).

• Беркиг, Валери. Фотоника: новая наука о свете. Хиллсайд, Нью-Джерси: Enslow Publishers, 1986.

• «Дифракция звука»  (веб-сайт).  (6 мая 2001 г.).

• Гарднер, Роберт. Эксперименты со светом.  Нью-Йорк: Ф. Уоттс, 1991.

  .

• Грэм, Ян. Лазеры и голограммы.  Нью-Йорк: Shooting Star Press, 1993.

• Холомир: голография, лазеры и голограммы  (веб-сайт).  (6 мая 2001 г.).

• Проффен, Т. Х. и Р. Б. Недер. Интерактивное руководство по дифракции  (веб-сайт).  (6 мая 2001 г.).

• Снедден, Роберт. Свет и звук. Дес-Плейнс, Иллинойс: Библиотека Хайнемана, 1999 г.

• «Волнообразное поведение света». Класс физики  (веб-сайт). (6 мая 2001 г.).

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

ПРОЕМ:  

Проем.

ДИФРАКЦИЯ: 

Изгиб волн вокруг препятствий или распространение волн при их прохождении через отверстие.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР:

Полное разнообразие электромагнитных волн с непрерывным распространением от очень небольшого разнообразия частот и уровней энергии с соответственно большой длиной волны до очень значительного разнообразия частот и уровней энергии с соответственно короткой длиной волны. В электромагнитном спектре содержится длинноволновое и коротковолновое радио; микроволны; инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет; рентгеновское и гамма-излучение.

ЧАСТОТА: 

Количество волн, проходящих через данную точку в течение одной секунды. Чем больше частота, тем короче длина волны.

ПРОДОЛЬНАЯ ВОЛНА: 

Волна, в которой движение вибрации происходит точно в том же направлении, что и сам прилив. Звуковая волна является хорошим примером продольной волны.

ПРИЗМА: 

Трехмерная форма стекла, используемая для рассеивания световых лучей.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ: 

Состояние или акт перемещения из одного места в другое. ИЗЛУЧЕНИЕ: В общем смысле излучение может относиться ко всему, что движется в потоке, независимо от того, состоит ли этот поток из субатомных частиц или электромагнитных волн.

ОТРАЖЕНИЕ: 

Явление, при котором луч света возвращается к своему источнику, а не поглощается в порту.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ: 

Изгиб луча света, возникающий при прохождении его через плотную среду, например стекло или воду.

СПЕКТР: 

Непрерывное распределение свойств в упорядоченном порядке в непрерывном разнообразии. Примеры спектров (множественное число от слова «спектр») включают цвета видимого света или часть электромагнитного спектра этого видимого света.

ПОПЕРЕЧНАЯ ВОЛНА: 

Волна, вибрация или движение которой перпендикулярны направлению движения волны.

ДЛИНА ВОЛНЫ: 

Расстояние между гребнем и соседним гребнем или впадиной и соседней впадиной волны. Чем короче длина волны, тем больше частота.

---

Также в новостях Fuze

Это школа

28 июля 2018 г.

FuzePlay — компания, занимающаяся экспериментальным обучением, которая интегрирует технологии Интернета вещей посредством игры. Мы восполняем пробелы в навыках с помощью педагогического подхода к развитию реальных навыков с помощью прикладного кода и электроники. FuzePlay поддерживает простую педагогику: 1) Проверка и компиляция кода 2) Настройка оборудования 3) Игра в игры FuzePlay устраняет пробелы в навыках и готовит умы будущего к тому, чтобы сделать невозможное возможным! Наша технологическая платформа позволяет создавать высокотехнологичные игрушки для неспециалистов с помощью готовых программ по информатике на основе подписки, предназначенных для использования в классе PreK-6 и дома. Мы играем в FUZE!

Читать далее

Письмо в ИСТЭ

06 июля 2018 г.

Учителя — новые технические волшебники!! Дети, которых вы обучаете, очень скоро поведут нас с силой, которую мы еще не испытали в мире. Ваша ответственность велика, а цифровое гражданство реально. #ISTE18

Читать далее

Ведущее обучение динамическим цифровым навыкам

16 апреля 2018 г.

Педагоги, вы нам нужны! Чтобы стать лидером в обучении динамичным цифровым навыкам, General Assembly уже некоторое время находится в центре моего внимания. Zubi Flyer переводит учащихся с логической игры на блочное программирование и текстовые сценарии в интуитивно понятной среде разработки с открытым исходным кодом. Мы устраняем пробелы в навыках, и мне нравится сравнивать себя с теми, кто делает такую ​​же отличную работу!

Сегодня компания Adecco Group, базирующаяся в Швейцарии, объявила о планах по покупке компании General Assembly, базирующейся в Нью-Йорке, за 412,5 млн долларов. Это БОЛЬШАЯ цифра!! Где и как создается такая стоимость?!

Читать далее

Дифракция световых волн — Обзор физики (видео)

Стенограмма

Привет, и добро пожаловать в это видео о дифракции световых волн! В этом видео мы сравним и сопоставим дифракцию и дисперсию и посмотрим, как работают дифракционные решетки. Давайте начнем!

Дисперсия и дифракция — это описания света, взаимодействующего с веществом по-разному, и оба могут использоваться для разделения света с несколькими длинами волн. Давайте рассмотрим каждый из них отдельно.

Дисперсия возникает, когда свет с разными длинами волн, например белый свет, попадает на преломляющую поверхность, например на призму. Когда белый свет попадает на преломляющую поверхность, разные цвета света разделяются из-за разной длины волны. Более короткие волны (фиолетовые) преломляются сильнее, чем более длинные (красные). Они снова преломляются после выхода из призмы из-за различий в преломляющих свойствах воздуха и призмы. 9{8} м/с\) в вакууме он движется медленнее в любой среде в зависимости от оптической плотности. Термин, используемый для измерения отношения скорости света в вакууме, c , к скорости света в среде, v , называется показателем преломления: n=c/v , и это также показатель оптической плотности материала.

Чем оптически плотнее материал, тем выше показатель преломления.

Количество света, поглощаемого преломляющим материалом, зависит от длины волны света. Другими словами, материалы имеют диапазон оптических плотностей, соответствующих разным длинам волн.

Итак, вся картина дисперсии состоит в том, что разные длины волн света по-разному поглощаются атомами в преломляющей среде, что приводит к несколько разным показателям преломления и немного разным углам преломления для каждой длины волны света, тем самым рассеивая свет.

Дифракция, с другой стороны, относится к явлению изгиба волн, когда они проходят через отверстие или вокруг края объекта.

Степень изгиба волны зависит от размера длины волны и размера отверстия или апертуры. Если эти две вещи похожи по размеру, то свет можно гнуть больше. Поскольку длины волн видимого света очень и очень малы, это явление может быть не очень интуитивным.

Посмотрим на волны на воде. Если вы когда-нибудь были в океане, вы можете себе представить, как накатывают волны воды. Но что происходит, когда в воду помещается стена с небольшим отверстием? Давайте взглянем.

Поскольку водные волны по размеру аналогичны отверстию в стене, здесь виден изгиб волн. Так же работает и со светом!

Когда мы направляем луч света через маленькое отверстие на стену или экран, мы видим дифракционную картину. Этот узор выглядит как серия ярких пятен.

Этот эксперимент называется экспериментом с одной щелью. Он создает узор с самым ярким пятном в середине, которое постепенно переходит в темное пятно, затем снова светлое пятно, которое немного менее яркое с обеих сторон, пока яркое пятно полностью не исчезнет. Темные пятна известны как минимумы.

Уравнение, используемое для описания этого паттерна на основе каждого отдельного темного пятна, выглядит следующим образом: синус тета равен n, умноженному на лямбда, относительно d.
\(sin\Theta =\frac{n\lambda}{d}\)

θ — угол от центра экрана до измеряемых минимумов, λ — длина волны света, d — размер апертура, а n — количество минимумов, которые вы находитесь вдали от центра (1,2,3…). Из этого уравнения видно, что по мере уменьшения размера апертуры d угол, под которым расходится свет, увеличивается, а это означает, что он будет больше изгибаться при меньших отверстиях апертуры.

Яркие пятна в узоре, которые мы называем «максимумами», создаются посредством конструктивной интерференции , когда световые волны встречаются гребень к гребню или впадина к впадине и объединяются, увеличивая амплитуду. Минимумы создаются деструктивной интерференцией , когда световые волны встречаются не в фазе или переходят от вершины к впадине и компенсируют друг друга.

В эксперименте с одной щелью световой узор не очень хорошо разрешается, а это означает, что он постепенно становится ярче и темнее. Однако мы можем получить лучшее разрешение, если увеличим количество отверстий до двух или более.

Теперь поговорим о дифракционных решетках. Дифракционные решетки представляют собой небольшие слайды с несколькими равноотстоящими щелями заданного размера, обычно очень маленькими. Когда световой луч проходит через решетку, существует гораздо больше возможностей для конструктивной и деструктивной интерференции, поскольку свет огибает несколько отверстий по сравнению с одной щелью. Вот почему мы получаем гораздо более четкие узоры с этими типами решеток.

Дифракция на множестве щелей описывается уравнением, где синус тета равен m, умноженному на лямбда, относительно d.
\(sin\Theta =\frac{m\lambda}{d}\)

θ — угол от центра экрана до измеряемых максимумов, λ — длина волны света, d — расстояние между щелями , а m — количество максимумов, которые вы находитесь вдали от центра. Таким образом, это уравнение немного отличается от уравнения с одной щелью, потому что мы измеряем максимумы, а не минимумы.

Поскольку дифракционные решетки могут разделять свет в зависимости от длины волны и размера апертуры, мы также можем использовать эти решетки для разделения белого света на разные цвета, как это делает призма. Хотя при дифракции процесс не основан на показателе преломления.

Теперь, когда мы обсудили дисперсию и дифракцию и чем они похожи, давайте проверим наши знания, ответив на пару вопросов!

1. Если у вас есть два объекта с разным преломлением и вы знаете, что свет проходит через один быстрее, чем через другой, у какого из них показатель преломления выше? Какой из них оптически более плотный?

1. Тот, через который свет распространяется быстрее, имеет более высокий показатель преломления, но другой оптически более плотный.
2. Тот, через который свет распространяется медленнее, имеет более высокий показатель преломления, но другой оптически более плотный.
3. Тот, через который свет распространяется быстрее, имеет более высокий показатель преломления и более оптически плотный.
4. Тот, через который свет распространяется медленнее, имеет более высокий показатель преломления и более оптически плотный.

Правильный ответ: D.

Если свет распространяется медленнее через материал, он по определению более оптически плотный.

No related posts.