Дифракция в нашей жизни (в быту)

Реферат

• формат docx
• размер 28.59 КБ
• добавлен 27 декабря 2010 г.

Дифракция в нашей жизни(в быту) 7 страниц. Дифракцию света по Френелю. Явление интерференции. Поляризации волн. Примеры дифракции. МГУ им. Огарева. кафедра физики.2 курс

Похожие разделы

1. Академическая и специальная литература
2. Наноматериалы и нанотехнологии
3. Физика наноразмерных систем
4. Нанооптика и нанофотоника

1. Академическая и специальная литература
2. Радиоэлектроника
3. Оптоэлектроника

1. Академическая и специальная литература
2. Радиоэлектроника
3. Электронная компонентная база (ЭКБ)
4. Лазеры

1. Академическая и специальная литература
2. Физика
3. Квантовая физика
4. Квантовая оптика

1. Академическая и специальная литература
2. Физика
3. Физика плазмы

1. Академическая и специальная литература
2. Физика
3. Физика твердого тела
4. Оптические свойства твердых тел

Смотрите также

• формат docx
• размер 125. 04 КБ
• добавлен 14 ноября 2009 г.

МГМК I курс 2009 г 10ст. Вступление. Первые годы жизни. В королевской школе в Комо. Признанный учёный. «Животное электричество» и «Вольтов столб». Последние годы жизни. Личность Вольта. Значение.

• формат doc
• размер 1.3 МБ
• добавлен 05 июня 2010 г.

Оглавление Вступление Принцип Гюйгенса-Френеля Дифракция Фраунгофера от прямоугольного отверстие Дифракция Фраунгофера от щели Дифракция Фраунгофера от N щелей Дифракционные решетки Вогнутые решетки Схемы установок вогнутых решеток Спектографы. Дифракционные спектографы Приборы для массовых исследований Астроспектрографы Спектрографы для вакуумного ультрафиолета Монохроматоры Монохроматоры с дифракционной решеткой Использованная литература: Уг. ..

Реферат

• формат ppt
• размер 12.24 МБ
• добавлен 16 апреля 2011 г.

ВКО, ВКГУ им Сарсена Аманжолова, презентация в которой, рассказывается об открытие рентгеновского излучения, о жизни самого Вильгельма Конрада Рёнтгена, много иллюстраций и т. д. Всего 73 слайда)

Реферат

• формат doc
• размер 85.5 КБ
• добавлен 26 мая 2011 г.

Введение Магнитное поле Земли и его характеристики Понятие геомагнитных возмущений и их краткая характеристика Механизм возмущения магнитного поля Земли Влияние ядерных взрывов на магнитное поле, параметры магнитного сигнала Выводы и результаты Список использованной литературы В работе рассмотрены характеристики магнитного поля нашей планеты и влияние различных факторов на изменений магнитного поля.

• формат rtf
• размер 772.55 КБ
• добавлен 11 апреля 2010 г.

Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека. Приложения Таблица 1. Классификация опасных и вредных излучений Таблица 2. Предельно допустимые уровни ЭМП при круглосуточном непре-рывном излучении Кол-во стр. 24

Реферат

• формат doc
• размер 946.7 КБ
• добавлен 16 июля 2010 г.

Доклад. Объём: 7 стр. Нет единого мнения среди ученых по вопросу о происхождении жизни.

Существует несколько гипотез: 1. Креационизм — согласно этой идее жизнь была создана Творцом. 2. Гипотеза стационарного состояния — ее сторонники считают, что жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, ибо не имеющее начала не имеет и конца. 3. Гипотеза самозарождения живого из неживого и биохимической эволюции.

Реферат

• формат rar
• размер 43.06 КБ
• добавлен 09 февраля 2011 г.

Лицей СГГА, «отлично», 27.05.96 Происхождение Солнечной системы (гипотеза О. Ю. Шмидта). Космогония. Туманность. Рождение Солнца. Образование планет. Почему именно Земля? Зарождение жизни (гипотеза А. И. Опарина). Начало. Сверкнула молния. Естественный отбор. Мутация. Новый уровень эволюции. Человечество и поиск. Цивилизация и её влияние на космос.

Новый век — новое решение. Солнечная система: состав и особенности. Планеты земной группы. Планет…

Реферат

• формат gif, html
• размер 25.16 КБ
• добавлен 23 декабря 2010 г.

Реферат для школьников. В реферате описаны применение, виды, принцип действия трансформаторов. Даны примеры использования различных трансформаторов в быту.rn

Реферат

• формат doc
• размер 1007 КБ
• добавлен 13 ноября 2011 г.

Ультразвук – понятия и определения. Открытие ультразвука и пьезоэлектриков. Гидролокация. Ультразвуковая дефектоскопия. Физические основы ультразвука. Распространение ультразвуковых колебаний. Отражение ультразвука. Получение ультразвуковых колебаний. Источники ультразвука. Свисток Гальтона. Жидкостный ультразвуковой свисток. Сирена. Ультразвук в природе. Влияние ультразвука на организм человека. Патогенез. Клиническая картина. Лечение. Профилакт…

Реферат

• формат doc
• размер 142 КБ
• добавлен 26 января 2011 г.

ДВФУ, 4 курс. Введение, что такое черные дыры, первые гипотезы и предположения. Образование черных дыр. Внешнее строение черной дыры. Доказательства существования и способы обнаружения черных дыр, обнаруженные черные дыры и проблемы их поиска. Гипотезы и парадоксы черных дыр. Интересные факты из жизни черных дыр. Черные и белые дыры.

Дифракция света

Цели урока:

• Обучающие:

познакомить с понятием дифракции, дать теорию дифракционной решетки.

Развивающие:

развивать способности анализировать увиденное, логическое мышление и творческое воображение учащихся, учить устанавливать причинно-следственные связи в изучаемых явлениях, формулировать эмпирические закономерности.

Воспитывающие

: воспитывать ответственное отношение к учебе, положительное отношение к предмету физики.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование:

• дифракционная решетка, штативы с держателями, линейка, лазерная указка;
• набор тел для наблюдения дифракции: компакт-диски, лоскутки капроновой ткани;
• презентация по теме “Интерференция и дифракция света”. (Приложение)

Ход урока

I. Актуализация знаний учащихся. Беседа с использованием презентации по теме “Интерференция”.

• Что такое интерференция? (Слайд 2)
• При каком условии амплитуда колебаний частиц среды в данной точке максимальна? (Слайд 3)
• Каково условие минимума амплитуды результирующих колебаний? (Слайд 4)
• Какие волны дают устойчивую интерференционную картину? (Слайд 5)
• Почему возникают радужные пятна на поверхности воды? Объясните с помощью рисунка интерференцию в тонких пленках. (Слайды 6, 7, 8)
• На прошлом уроке вы наблюдали кольца Ньютона с помощью прибора, который состоит из стеклянной пластины и положенной на нее плоско-выпуклой линзы. Как Томас Юнг объяснил появление этих колец? (Слайды 9, 10)
• Назовите несколько применений интерференции

II. Изучение нового материала.

1. Дифракция. Рассказ учителя с опорой на иллюстрации и знания учащихся

Дифракция – это явление огибания волнами препятствия или отклонение от прямолинейного распространения волн. (Слайд 11)

Волны на воде огибают камень, выступающий из воды, если его размеры меньше длины волны или сравнимы с ней. Точно так же волна огибает торчащий из воды прутик, как будто его нет. А вот за большим камнем, как на картинке, образуется “тень”, место, где вода спокойная, без волн.

(Слайд 12)

Дифракцией обладают и звуковые волны: можно услышать сигнал машины за углом дома. Звуковые волны свободно огибают препятствия.

За большими препятствиями в ясный день образуется тень, что подтверждает прямолинейность распространения света.

(Слайд 13)

От точечного источника за непрозрачным предметом на экране также можно увидеть четкую тень. Тень – это место, куда не попадает свет от источника.

(Слайд1 4) Дифракцию света можно наблюдать, если пропускать свет через маленькое отверстие. Здесь можно увидеть нарушение закона прямолинейного распространения света: светлое пятно на экране против отверстия будет иметь большие размеры, чем само отверстие. Так в 1802 году Т. Юнг поставил классический опыт по дифракции.

В непрозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия В и С, которые освещались световым пучком, идущим из отверстия А.

В этом опыте мы видим дифракцию, т.е. отклонение от прямолинейности распространения света. Кроме этого возникшая сферическая волна от отверстия А возбудила в отверстиях В и С когерентные волны. В результате интерференции этих двух световых волн на экране появились чередующиеся темные и светлые полосы. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причём весьма точно.

Исследование дифракции было продолжено О. Френелем, который исследовал различные случаи дифракции на опыте. В результате он выяснил, что для отчетливого наблюдения дифракции нужно либо использовать очень маленькие препятствия, либо располагать экран далеко от препятствий. (Слайд 15)

На рисунках показаны дифракционные картины от различных препятствий:

а – от тонкой проволоки, б – от круглого экрана. (Слайд 17)

Вместо тени от проволочки видны светлые и темные полосы, в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятнышко, а сама тень окружена светлыми и темными концентрическими кольцами.

В 1818 году на заседании Французской академии наук известный физик

С. Пуассон усомнился в справедливости теории Френеля и обратил внимание на то, что из теории Френеля вытекают факты, явно противоречащие здравому смыслу: если за непрозрачным диском появляется светлое пятно, то при определенных размерах отверстия на экране в центре светлого пятна должно находиться темное пятнышко.

Каково же было удивление ученых, когда поставленные эксперименты доказали, что так и есть на самом деле! (Слайд 18)

Каково значение дифракции в жизни человека?

С дифракцией света приходится считаться при наблюдениях мелких предметов с помощью микроскопов: вследствие огибания предметов светом изображения получаются размытыми, другими словами явление дифракции ограничивает разрешающую способность любого оптического прибора

2. Дифракционная решетка. Теория дифракционной решетки.

Увидеть четкую картину распределения максимумов и минимумов света можно с помощью дифракционной решетки, которая представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. (Слайд19) (Запись в тетради.)

Перед вами дифракционная решетка, у которой на каждый 1 мм =10 ^-3 м приходится 100 штрихов. Если ширина прозрачной щели равна а, и ширина непрозрачного промежутка b, то величина d = a + b называется периодом решетки и в нашем случае

d = l / N = 10 ^-5 м (Записываем в тетради. )

Рассмотрим рисунок, который поможет понять картину распределения максимумов и минимумов света. (Слайд 20)

Когда на дифракционную решетку падает пучок обычного белого света, мы увидим на экране следующую дифракционную картину. (Слайд 22)

На этом рисунке, центральная светлая полоса – белая, а боковые полосы – цветные, в которых четкое чередование цветов от фиолетового к красному. На ближних к центральной светлой полосе краях спектра получаются фиолетовые полоски, а на дальних – красные.

Когда на дифракционную решетку падает пучок монохроматического света. (Слайд 23) (красный от лазерной указки, например), световые лучи, проходя через щели решетки, отклоняются из-за дифракции на различные углы. Эти волны когерентны, поэтому на экране возникнет интерференционная картина. В центре экрана (в точке О) собираются волны с разностью хода, равной нулю, поэтому там образуется интерференционный максимум (большое красное пятно), а в точках, где оптическая разность хода равна четному числу длин волн или нечетному, образуются красные максимумы и темные минимумы.

(Слайд 20) На доске и в тетрадях делаем рисунок и соответствующие выводы:

Разность хода Δd = r₂-r₁ = d sinα, и тогда

максимум интерференции будет наблюдаться, если d sinα = k λ, а

минимум интерференции, если d sinα = (2k+1) λ/2.

В этой формуле d – период решетки, k –порядок дифракционного максимума или минимума (k = ± 1; ± 2 …), sinα при малых углах равен tgα = y/x, где х – расстояние от дифракционной решетки до экрана, а у – расстояние от центрального максимума до любого следующего.

3. Опытное определение длины волны красного света.

Для определения длины волны нам понадобятся два штатива. Один штатив удерживает экран с листочком миллиметровой бумаги или бумаги в клетку, в лапке другого, удаленного на некоторое расстояние от первого, закреплена дифракционная решетка. Включаем красный свет в лазерной указке, направляем на дифракционную решетку, измеряем расстояния х и у до первого максимума на экране и по формуле λ = d у / х k, находим длину волны (экран нужно поставить так, чтобы свет от окна не падал на него, тогда на нем отчетливо видны максимумы и минимумы)

λ = d у / х k, λ = 10^-5м ·0,04 м / 0,51 м = 780·10^-9м или 780 нм

4. Наблюдение дифракции света.

Учащиеся наблюдают дифракционные картины:

• если сложить полоску капрона, то в отраженном белом свете мы увидим чередование светлых и темных полос;
• если смотреть на яркий источник света, прищурившись, то можно обнаружить радужные цвета, так как ресницы представляют собой грубую дифракционную решетку;
• если посмотреть на лазерный диск, то увидим разложение отраженного света в спектр (бороздки диска подобны дифракционной решетке).

III. Закрепление нового материала в форме тестирования.

1. Какое из приведенных ниже выражений определяет понятие дифракция?
А. Наложение когерентных волн
Б. Разложение света в спектр при преломлении
В. Огибание волной препятствия

2. Какое из наблюдаемых явлений объясняется дифракцией?
А. Излучение света лампой накаливания
Б. Радужная окраска компакт-дисков
В. Получение изображения на киноэкране

3. Какое из наблюдаемых явлений объясняется дифракцией?
А. Радужная окраска тонких мыльных пленок
Б. Появление светлого пятна в центре тени от малого непрозрачного диска
В. Отклонение световых лучей в область геометрической тени

4. Какое условие является необходимым для наблюдения дифракционной картины?
А. Размеры препятствия много больше длины волны
Б. Размеры препятствия сравнимы с длиной волны
В. Размеры препятствия много больше амплитуды волны

5. Свет какого цвета располагается дальше всего от центра дифракционной картины?
А. Красного
Б. Зеленого
В. Фиолетового

6. Дифракционная решетка имеет 50 штрихов на миллиметр. Под каким углом виден максимум второго порядка для света с длиной волны 400 нм?

IV. Проверка тестов.

V. Подведение итогов .

• С каким волновым свойством света мы сегодня познакомились?
• О каком оптическом приборе мы узнали?
• Чему научились на уроке?

VI. Выставление оценок.

VII. Задание на дом.

§§ 70–72 учебника, ответить на вопросы к параграфам, упр.10, задача 1.

Список использованной литературы:

1. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 11 класс. – М.: ВАКО, 2006. – 464 с.
2. Кирик Л.А. Физика – 11. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – М.: ИЛЕКСА, 2008.– 192 с.
3. Мякишев Г. Я. Физика – 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой. – 18-е изд. – М.: Просвещение, 2009. – 399 с.

Подробная информация и факты —

В повседневной жизни мы наблюдаем дифракцию света. В этой части я рассмотрю несколько различных аспектов дифракции света и кратко объясню их.

Вот несколько примеров дифракции света, приведенных ниже;

• Компактный привод
• Голограмма   
• Луч света входит в тускло освещенную комнату
• 9000 5 Сумеречные лучи
• Рентгеновская дифракция
• Вода, выходящая из небольшого зазора
• Лунная/Солнечная корона
• Звук
• 9 0005 Кольцо света вокруг источника
• Распространение сигнала

Изображение предоставлено : snappy goat

Компакт-диск

На компакт-дисках явление дифракции более восприимчиво. Крышка компакт-диска блестит и имеет множество отверстий. Когда свет падает на поверхность компакт-диска, часть его преломляется, а остальная часть отражается. Из-за этого на поверхности компакт-диска появляется радужный узор.

Изображение предоставлено: Snappy goat

Голограмма

Свет дифрагирует по-разному, когда проходит через голограмму, создавая как физические, так и искусственные изображения предмета, используемого для раскрытия пленки. Схема интерференции такая же, как и у объекта. Наведение вашего взгляда на интерференционную картину, как если бы вы смотрели прямо на объект, дает вам альтернативные точки обзора.

В результате изображение кажется трехмерным и имитирует предмет. Это фантастическое творение с многообещающим будущим. Дифракция используется для создания трехмерного восприятия изображения в голограмме. Различные копии изображения рассеиваются и попадают в объектив с разных направлений, в результате чего получается интерференционная картина .

Используя эту конфигурацию, голографический слой оставляется для сброса. В конце концов, создавая для нас трехмерный опыт.

Изображение предоставлено: Snappy goat

Луч света входит в тускло освещенную комнату

Уникальное явление возникает, когда свет проникает в затемненное место через маленькое отверстие. Для объяснения этого явления используется слово «дифракция». Это происходит всякий раз, когда размер объекта или отверстия (в данном случае края маленького отверстия) эквивалентен длине волны светового луча! Дифракция — это проникновение света в области, ранее находившиеся в тени 

Световые лучи, «искривленные» (не буквально), когда они касаются поверхности узкого отверстия, вызывают эту дифракцию. Затем яркость рассеивается в центральном максимуме, а затем вокруг центральных пиков, ширина и яркость которых уменьшаются по мере того, как они излучаются наружу из-за дифракции. Изображение предоставлено: snappy goat

Сумеречные лучи:  

В атмосферной оптике сумеречные лучи — это солнечные лучи, которые кажутся распространяющимися из одинокого участка неба. Такие лучи представляют собой столбы солнечного ветра, разделенные более темными областями, затененными облаками, которые текут через отверстия в облаке или среди других структур . Этот термин связан с тем фактом, что они наиболее распространены в сумеречные часы (рассвет и сумерки), когда различия между светом и тенью более выражены.

Каждый хоть раз в жизни видел это великолепное зрелище. Сумеречные лучи, часто называемые небесными лучами, выглядят потрясающе. Лучи преломляются и отклоняются, когда они пытаются достичь земли, но им мешает туман. Дифракция — это искривление луча, вызванное появлением препятствия на его обычном пути. Вы можете рассказать другим, почему вы думаете, что вид такой красивый, когда вы снова его видите.

Изображение предоставлено: Snappy goat

Рентгеновская дифракция:  

Из-за их равномерного расстояния атомы кристалла создают интерференционную картину луча, включенного в входящую волну рентгеновских лучей в рентгеновской дифракции. Микроскопические грани кристалла воздействуют на рентгеновские лучи точно так же, как равномерно управляемая решетка воздействует на световой луч.

Когда источник монохроматического рентгеновского излучения взаимодействует с поверхностью мишени, преобладающим эффектом является рассеивание этих рентгеновских лучей через атомы внутри поверхности мишени. Рассеянное рентгеновское излучение конструктивно и деструктивно взаимодействует в веществах, имеющих однородную организацию (т.е. кристаллических). Это механизм дифракции.

Закон Брэгга, nλ = 2dsin θ , описывает дифракцию рентгеновских лучей с использованием кристаллов (тета). Доступные дифракционные картины определяются величиной и формой элементарной ячейки материала. Тип и конфигурация частиц в решетке влияют на интенсивность дифрагированных волн.

С другой стороны, большинство материалов представляют собой поликристаллические агрегаты или порошки, состоящие из множества мелких кристаллитов во всех мыслимых конфигурациях. Как только источник рентгеновского излучения сфокусирован на пыли с произвольно выровненными кристаллитами, луч будет наблюдать все потенциальные межатомные поверхности. Все мыслимые максимумы дифракции от пыли будут идентифицированы, если угол наблюдения будет последовательно варьироваться.

Изображение предоставлено: Быстрая коза

Вода, вытекающая из небольшой щели

Дифракция возникает, когда вода проходит через отверстие и рассеивается. Степень дифракции увеличивается с увеличением длины волны. Если ширина промежутка примерно эквивалентна длине волны, происходит наибольшая дифракция.

Всякий раз, когда движущаяся вода озера соприкасается с крошечной щелью, она, скорее всего, прервет свое обычное движение. Водяная волна изгибается по обеим сторонам слота. Такое искривление водной волны — еще один пример дифракции.

Лунная/Солнечная корона

Свет, проходящий через капли тумана, дифрагирует и рассеивается, когда зазор между каплями сравним с длиной волны видимого света. Освещение, которое мы наблюдаем, исходящее от Луны на безоблачном небе, например, исходит непосредственно от Луны. И наоборот, если между зрителем и Луной есть небольшое облачное покрытие, дифракция и рассеяние лунного света приводит к более яркому освещению по сравнению с реальным.

«Кольцо» света, которое окружает солнце или луну, известно как корона.  Термин корона относится к кругу яркости, который образуется вокруг солнца или луны после того, как солнечный или лунный свет преломляется микроскопической влагой или частицами льда. Лунная корона — это кольцо Луны, тогда как солнечная корона — это кольцо Солнца.

Изображение предоставлено: шустрая коза

Звук

Мы способны уловить голос, если он произносится вслух. Сможем ли мы уловить голос, если человек, который кричит, стоит за гигантским деревом и кричит с такой же силой? Да, так почему звук не загораживает, если на пути массивное дерево? Причина этого в том, что звук проходит и попадает в наше ухо посредством явления дифракции.

Поскольку тот же самый процесс, который позволяет лучам искривляться вокруг барьеров, также позволяет им распространяться через крошечные отверстия, можно подумать, что дифракция имеет противоречивый характер. Это свойство дифракции имеет много последствий. Помимо способности слушать шум, стоя за пределами комнаты, это распространение звуковых волн имеет значение для звукоизоляции комнаты.

Поскольку любые отверстия позволяют шуму извне распространяться в помещении, эффективное подавление шума требует хорошо изолированного пространства. Удивительно, сколько шума проникает через маленькую трещину. Корпуса акустических систем должны быть хорошо герметизированы по тем же причинам. Изображение предоставлено: Snappy goat

Кольцо света вокруг источника

Когда мы смотрим на какой-то источник освещения, окружающий нас, мы видим, что солнечный свет распространяется не точно по прямой траектории; вместо этого небольшая часть выходного освещения дифрагирует вблизи источника. Из-за преобладания вокруг грязи и аэрозольных молекул свет дифрагирует.

Изображение предоставлено: Snappy goat

При длительной беспроводной передаче данных дифракция имеет решающее значение. Распространение прямой видимости на большие расстояния невозможно из-за кривизны поверхности земли и массивных преград. Вот почему, чтобы сообщение достигло своей цели, нам нужна многоуровневая дифракция.

Сообщение продолжает преодолевать барьеры, одновременно усиливаясь с помощью ускорителей, пока не достигнет своей цели. Дифракция отвечает за то, сколько телефонных звонков вы можете принять.

Изображение предоставлено: Snappy goat

Часто задаваемый вопрос |Часто задаваемые вопросы 

В. Что означает дифракция и почему она возникает?  

Дифракция – это распространение волн, когда они проходят через отверстие или вокруг преград.

Это происходит, если апертура или препятствие имеют величину, сравнимую с длиной волны входящего луча. При относительно небольшой ширине проема подавляющая часть волны затеняется.

В. Могут ли меньшие длины волн дифрагировать быстрее, чем длинные?

Дифракция происходит под разными углами в зависимости от длины волны света, при этом более низкие длины волн преломляются под более крутым углом, чем более высокие длины волн.

• Солнечная энергия в химическую: что, как преобразовывать, примеры и факты0012
• 7 Примеры крутящего момента: подробные пояснения
• Как найти коэффициент статического трения: подробные пояснения и примеры задач
• Причины возникновения статического электричества: в теле, доме, воздухе, одежде, зимой

дифракция

9000 2 Дифракция относится к различным явлениям, связанным с изгибом волн, когда они взаимодействуют с препятствиями на своем пути. Это происходит с любым типом волн, включая звуковые волны, волны воды и электромагнитные волны, такие как видимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны. Поскольку физические объекты обладают волнообразными свойствами, дифракция также происходит с веществом и может изучаться в соответствии с принципами квантовой механики. Хотя дифракция всегда возникает, когда распространяющиеся волны сталкиваются с препятствиями на своем пути, ее эффекты обычно наиболее выражены для волн, длина волны которых порядка размера дифрагирующих объектов. Сложные узоры, возникающие из-за интенсивности дифрагированной волны, являются результатом интерференции между различными частями волны, которые дошли до наблюдателя разными путями.

Дополнительные рекомендуемые знания

Содержимое 1 Примеры дифракции в повседневной жизни 2 История 3 Механизм дифракции 4 Качественные наблюдения дифракции 5 Количественное описание дифракции 5.1 Дифракция на массиве узких щелей или решетке 5.2 Дифракция на одной щели 5. 3 Несколько расширенных щелей 6 Дифракция частиц 7 Дифракция Брэгга 8 Когерентность 9 Дифракционный предел телескопов 10 Каталожные номера 11 См. также

Примеры дифракции в повседневной жизни

Эффекты дифракции легко увидеть в повседневной жизни. Самые яркие примеры дифракции связаны со светом; например, близко расположенные дорожки на компакт-диске или DVD-диске действуют как дифракционная решетка, образуя знакомую радужную картину, которую мы видим, глядя на диск. Этот принцип может быть расширен для создания решетки со структурой, которая будет давать любую желаемую дифракционную картину; голограмма на кредитной карте является примером. Дифракция в атмосфере на мелких частицах может привести к тому, что яркое кольцо будет видно вокруг яркого источника света, такого как солнце или луна. Тень твердого объекта, освещенная компактным источником, показывает небольшие полосы по краям. Все эти эффекты являются следствием того, что свет представляет собой волну.

Дифракция может происходить с волнами любого типа. Океанские волны рассеиваются вокруг причалов и других препятствий. Звуковые волны могут рассеиваться вокруг объектов, поэтому мы все еще можем слышать, как кто-то зовет нас, даже если мы прячемся за деревом. Дифракция также может быть проблемой в некоторых технических приложениях; он устанавливает фундаментальный предел разрешающей способности камеры, телескопа или микроскопа.

История

Эффекты дифракции света впервые внимательно наблюдал и охарактеризовал Франческо Мария Гримальди, который также ввел термин дифракция , от латинского diffringere , «разбиваться на части», имея в виду расщепление света в разных направлениях. Результаты наблюдений Гримальди были опубликованы посмертно в 1665 году. Джеймс Грегори (1638–1675) наблюдал дифракционные картины, вызванные птичьим пером, которое фактически было первой дифракционной решеткой. В 1803 году Томас Юнг провел свой знаменитый эксперимент по наблюдению дифракции от двух близко расположенных щелей. Объясняя свои результаты интерференцией волн, исходящих из двух разных щелей, он пришел к выводу, что свет должен распространяться в виде волн. Огюстен-Жан Френель провел более подробные исследования и расчеты дифракции, опубликованные в 1815 и 1818 годах, и тем самым оказал большую поддержку волновой теории света, выдвинутой Христианом Гюйгенсом и усиленной Юнгом, в отличие от теории частиц Ньютона.

Механизм дифракции

Самой сердцевиной объяснения всех явлений дифракции является интерференция. Когда две волны объединяются, их смещения складываются, что приводит к меньшему или большему общему смещению в зависимости от разности фаз между двумя волнами. Эффект дифракции от непрозрачного объекта можно рассматривать как интерференцию между различными частями волны за пределами объекта дифракции. Рисунок, сформированный этой интерференцией, зависит от длины волны, что, например, приводит к появлению радужного рисунка на компакт-диске. Большинство явлений дифракции можно понять с точки зрения нескольких простых понятий, которые проиллюстрированы ниже.

Наиболее концептуально простым примером дифракции является дифракция с одной щелью, при которой щель узкая, то есть значительно меньше длины волны. После прохождения волны через щель образуется узор из полукруглых рябей, как если бы в месте щели находился источник простой волны. Эта полукруглая волна представляет собой дифракционную картину.

Если мы теперь рассмотрим два таких узких отверстия, то две радиальные волны, исходящие из этих отверстий, могут интерферировать друг с другом. Рассмотрим, например, водную волну, падающую на экран с двумя маленькими отверстиями. Общее смещение воды по ту сторону экрана в любой точке равно сумме смещений отдельных радиальных волн в этой точке. Теперь в пространстве есть точки, где волна, исходящая из одного отверстия, всегда находится в фазе с другим, т.е. они обе идут вверх в этой точке, это называется конструктивная интерференция и приводит к большей общей амплитуде. Есть также точки, где одна радиальная волна не совпадает по фазе с другой на половину длины волны, это будет означать, что когда одна идет вверх, а другая идет вниз, результирующая общая амплитуда уменьшается, это называется деструктивными. вмешательство . В результате есть области, где нет волны, и есть области, где волна усиливается.

Другой концептуально простой пример — дифракция плоской волны на большом (по сравнению с длиной волны) плоском зеркале. Единственное направление, в котором видно, что все электроны, колеблющиеся в зеркале, колеблются в фазе друг с другом, — это зеркальное (зеркальное) направление — таким образом, типичное зеркало отражает под углом, равным углу падения волны. Этот результат называется законом отражения. Зеркала все меньше и меньше преломляют свет во все большем и большем диапазоне углов.

Щели значительно шире длины волны также будут демонстрировать дифракцию, которая наиболее заметна вблизи их краев. Центральная часть волны показывает ограниченные эффекты на коротких расстояниях, но демонстрирует стабильную дифракционную картину на больших расстояниях. Эту картину легче всего понять и рассчитать как интерференционную картину большого числа простых источников, расположенных близко и равномерно по ширине щели.

Эта концепция известна как принцип Гюйгенса-Френеля: распространение волны можно визуализировать, рассматривая каждую точку волнового фронта как точечный источник вторичной радиальной волны. Последующее распространение и интерференция всех этих радиальных волн образуют новый волновой фронт. Этот принцип математически вытекает из интерференции волн на всех разрешенных путях между источником и точкой обнаружения (то есть на всех путях, кроме тех, которые заблокированы дифрагирующими объектами).

Качественные наблюдения дифракции

Можно сделать несколько качественных наблюдений дифракции в целом:

• Угловое расстояние между элементами на дифракционной картине обратно пропорционально размерам объекта, вызывающего дифракцию, другими словами: чем меньше дифрагирующий объект, тем «шире» результирующая дифракционная картина, и наоборот. (Точнее, это верно для синусов углов.)
• Углы дифракции не зависят от масштабирования; то есть они зависят только от отношения длины волны к размеру дифрагирующего объекта.
• Когда дифрагирующий объект имеет периодическую структуру, например, в дифракционной решетке, элементы обычно становятся более четкими. На третьем рисунке, например, показано сравнение схемы с двумя щелями и схемы, образованной пятью щелями, причем оба набора щелей имеют одинаковое расстояние между центрами одной щели и следующей.

Количественное описание дифракции

Дополнительные сведения по этой теме см. в разделе Формализм дифракции.

Чтобы определить картину дифракции, мы должны определить фазу и амплитуду каждого из вейвлетов Гюйгенса в каждой точке пространства. То есть в каждой точке пространства мы должны определить расстояние до каждого из простых источников на приходящем волновом фронте. Если расстояние до каждого из простых источников отличается на целое число длин волн, все вейвлеты будут совпадать по фазе, что приведет к конструктивной интерференции. Если расстояние до каждого источника равно целому числу плюс половина длины волны, будет полная деструктивная интерференция. Обычно достаточно определить эти минимумы и максимумы, чтобы объяснить эффекты, которые мы наблюдаем в природе. Простейшими описаниями дифракции являются те, в которых ситуация может быть сведена к двумерной задаче. Для волн на воде это уже так, волны на воде распространяются только по поверхности воды. Для света мы часто можем пренебречь одним направлением, если дифрагирующий объект простирается в этом направлении на расстояние, намного превышающее длину волны. В случае света, проходящего через маленькие круглые отверстия, нам придется учитывать всю трехмерную природу проблемы.

Дифракция на массиве узких щелей или решетке

См. также: Дифракционная решетка

Системы с несколькими щелями можно описать как несколько простых источников волн, если щели достаточно узкие. Для света щель — это отверстие, которое бесконечно расширяется в одном измерении, что приводит к сведению волновой задачи в трехмерном пространстве к более простой задаче в двухмерном пространстве.

В простейшем случае две узкие щели, расположенные на расстоянии и друг от друга. Для определения максимумов и минимумов амплитуды необходимо определить разницу длины пути до первой щели и до второй. В приближении Фраунгофера, когда наблюдатель находится далеко от щелей, на изображении можно увидеть разницу в длине пути до двух щелей.

Максимумы интенсивности возникают, если эта разность длин пути составляет целое число длин волн:

где:

n — целое число, обозначающее порядка каждого максимума,

λ – длина волны,

a — расстояние между щелями,

и θ — угол, при котором возникает конструктивная интерференция.

И соответствующие минимумы находятся при разности хода целого числа плюс половина длины волны:

Для массива щелей положения минимумов и максимумов не изменяются, полосы видны на экране, однако становятся более четкими, как видно на изображении. То же верно и для поверхности, которая отражает только ряд параллельных линий; такая поверхность называется отражательной решеткой.

Из формулы видно, что угол дифракции зависит от длины волны. Это означает, что разные цвета света будут преломляться в разных направлениях, что позволяет нам разделить свет на его различные цветовые компоненты. Решетки используются в спектроскопии для определения свойств атомов и молекул, а также звезд и межзвездных пылевых облаков путем изучения спектра света, который они излучают или поглощают.

Еще одним применением дифракционных решеток является получение монохроматического источника света. Это можно сделать, поместив щель под углом, соответствующим условию конструктивной интерференции для желаемой длины волны.

Однощелевая дифракция

Щели шире длины волны будут показывать дифракцию по краям. Эту картину легче всего понять и рассчитать как интерференционную картину большого количества простых источников, расположенных близко и равномерно по ширине щели. Мы можем определить минимумов результирующей картины интенсивности, используя следующие рассуждения. Если для данного угла простой источник, расположенный у левого края щели, деструктивно интерферирует с источником, расположенным в середине щели, то простой источник справа от левого края будет деструктивно интерферировать с простым источником, расположенным как раз справа от середины. Мы можем продолжить это рассуждение по всей ширине щели и заключить, что условие деструктивной интерференции для всей щели такое же, как условие деструктивной интерференции между двумя узкими щелями, расстояние между которыми составляет половину ширины щели. В результате получается формула, очень похожая на формулу для дифракции на решетке, с той важной разницей, что теперь она предсказывает минимумы картины интенсивности.

n теперь является целым числом больше 0.

Тот же аргумент не работает для максимумов. Для определения положения максимумов и точного профиля интенсивности требуется более строгое рассмотрение; требуется формализм дифракции в терминах интегрирования по всем беспрепятственным путям. Затем профиль интенсивности определяется выражением

Несколько расширенных щелей

Для массива щелей, ширина которых превышает длину волны падающей волны, необходимо учитывать интерференцию волн от разных щелей, а также интерференцию волн из разных мест в одной и той же щели. Минимумы интенсивности возникают, если выполняется либо условие одной щели, либо условие полной деструктивной интерференции решетки. Строгая математическая обработка показывает, что результирующая картина интенсивности является произведением функции интенсивности решетки на картину интенсивности с одной щелью.

При проведении экспериментов с решетками, у которых ширина щели составляет целую долю шага решетки, это может привести к «отсутствию» порядков. Если, например, ширина одной щели составляет половину расстояния между щелями (т. е. рабочий цикл решетки составляет 50%), первый минимум дифракционной картины с одной щелью совпадет со вторым максимумом дифракционной картины решетки. Тогда этот ожидаемый дифракционный пик не будет виден. То же верно и в этом случае для любого четного пика дифракционной решетки.

Дифракция частиц

См. также: дифракция нейтронов и электронов

Квантовая теория говорит нам, что каждая частица обладает волновыми свойствами. В частности, массивные частицы могут интерферировать и, следовательно, дифрагировать. Дифракция электронов и нейтронов была одним из весомых аргументов в пользу квантовой механики. Длина волны, связанная с частицей, называется длиной волны де Бройля.

, где ч — постоянная Планка, а p — импульс частицы (масса × скорость для медленно движущихся частиц). Для большинства макроскопических объектов эта длина волны настолько мала, что приписывать им длину волны не имеет смысла. Атом натрия, движущийся со скоростью около 3000 м/с, будет иметь длину волны де Бройля около 5 пикометров.

Поскольку длина волны даже самых маленьких макроскопических объектов чрезвычайно мала, дифракция волн материи видна только для малых частиц, таких как электроны, нейтроны, атомы и малые молекулы. Короткая длина волны этих волн материи делает их идеально подходящими для изучения атомной кристаллической структуры твердых тел и больших молекул, таких как белки.

Относительно недавно было показано, что более крупные молекулы, такие как бакиболы, ^[4] дифрагируют. В настоящее время проводятся исследования дифракции вирусов, которые, будучи огромными по сравнению с электронами и другими более часто дифрагирующими частицами, имеют крошечные длины волн, поэтому для дифракции их необходимо заставить очень медленно проходить через чрезвычайно узкую щель.

Дифракция Брэгга

Дополнительные сведения по этой теме см. в разделе Дифракция Брэгга.

Дифракция от трехмерной периодической структуры, такой как атомы в кристалле, называется дифракцией Брэгга. Это похоже на то, что происходит при рассеянии волн на дифракционной решетке. Дифракция Брэгга является следствием интерференции волн, отражающихся от разных плоскостей кристалла. Условие конструктивной интерференции дается законом Брэгга :

где

λ – длина волны,

d — расстояние между плоскостями кристалла,

θ — угол дифрагированной волны.

и m — это целое число, известное как порядок дифрагированного луча.

Дифракция Брэгга может быть проведена с использованием света с очень короткой длиной волны, такого как рентгеновские лучи, или волн материи, таких как нейтроны, длина волны которых порядка расстояния между атомами. Полученная картина дает информацию о разделении кристаллографических плоскостей d , что позволяет сделать вывод о кристаллической структуре.

Когерентность

Основная статья: Когерентность (физика)

Описание дифракции основано на интерференции волн, исходящих из одного и того же источника и идущих разными путями к одной и той же точке на экране. В этом описании разница в фазе между волнами, идущими по разным путям, зависит только от эффективной длины пути. При этом не учитывается тот факт, что волны, приходящие на экран в одно и то же время, излучались источником в разное время. Начальная фаза, с которой источник излучает волны, может изменяться во времени непредсказуемым образом. Это означает, что волны, излучаемые источником в моменты времени, которые слишком далеко друг от друга, больше не могут образовывать постоянную интерференционную картину, поскольку соотношение между их фазами больше не зависит от времени.

Длина, на которой коррелируется фаза светового луча, называется длиной когерентности. Для возникновения интерференции разность длин пути должна быть меньше длины когерентности. Иногда это называют спектральной когерентностью, поскольку она связана с наличием в волне различных частотных составляющих. В случае света, излучаемого атомным переходом, длина когерентности связана со временем жизни возбужденного состояния, из которого атом совершил переход.

Если волны излучаются от протяженного источника, это может привести к некогерентности в поперечном направлении. При взгляде на поперечное сечение луча света длина, по которой коррелирует фаза, называется поперечной длиной когерентности. В случае эксперимента Юнга с двумя щелями это означало бы, что если поперечная длина когерентности меньше, чем расстояние между двумя щелями, результирующая картина на экране будет выглядеть как две дифракционные картины с одной щелью.

В случае таких частиц, как электроны, нейтроны и атомы, длина когерентности связана с пространственной протяженностью волновой функции, описывающей частицу.

Дифракционный предел телескопов

Для дифракции через круглое отверстие имеется ряд концентрических колец, окружающих центральный диск Эйри. Математический результат аналогичен радиально-симметричной версии уравнения, приведенного выше, в случае дифракции на одной щели.

Волне не нужно проходить через апертуру, чтобы дифрагировать; например, пучок света конечного размера также претерпевает дифракцию и расплывается в диаметре. Этот эффект ограничивает минимальный диаметр d светового пятна, образующегося в фокусе линзы, известный как дифракционный предел:

где λ — длина волны света, f — фокусное расстояние линзы, а a — диаметр луча света или (если луч заполняет линзу) диаметр объектива.