III.Виды дифракции.

А. Дифракция на круглом отверстии(дифракция Френеля).

MN– фронт волны. r0– расстояние от Э до отверстия. В точке С волны будут интерферировать. Разбиваем площадь отверстия на зоны и проводим радиусы: .

Крайние точки зон имеют разность хода , поэтому точки в соседних зонах колеблются в противофазах и гасят друг друга. Итак:

Если число зон, которое укладывается в отверстии чётное, то в точке С будет тёмное пятно, если нечётное, тосветлое. Максимум освещения, когда размер отверстия aравен одной зоне.

Число зон Френеля зависит от удалённости точки С (т.е. от r₀) от фронтаMN.

Можно показать, если ,

где , то, т.

е..

По мере удаления Э в точке С наблюдаются то тёмное, то светлое пятно.

Б. Дифракция от щели(дифракция Фраунгофера).

При прохождении лучей через узкую щель АС наблюдается дифракция.

Пути лучей КМ и СМ таутахронны, т.е. равны. На их прохождение свет затрачивает одинаковое время. АС – щель. δ – разность хода лучей, от которого зависит результат интерференции: δ = аsinφ

Если (чётное число зон) –min.

Условие min

, гдеk= 1,2,3…– порядок дифракционного минимума.

аналогично: (нечётное число зон) –max.

Условие max

, при φ = 0 – центральныйmax.

С ростом kширина зон Френеля и интенсивностьJмаксимумов быстро уменьшается. Если свет не монохроматический, то наблюдаются цветные полосы, т.к. φ зависит от λ.

В. Дифракционная решётка.

Система из большого числа одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей a, разделённых одинаковыми по ширине непрозрачными промежуткамиb, называетсядифракционной решёткой.

a+b=c– постоянная решётки. Условие min: , где k= 0,1,2,3,… Условие max(главного): аsinφ=kλ, гдеk= 0,1,2,3,… Условие min(главного): аsinφ=nλ, гдеn=1,2,3,…

Примечание:

1. Если некоторые значения φ одновременно удовлетворяют условиям и для главных максимумов и для главных минимумов, то главные максимумы, соответствующие этим значениям φ, не наблюдаются (например, если d= 2a, то все главные максимумыk= 2, 4, 6, … отсутствуют).

2. Между каждыми двумя главными максимумами находится (N-1) дополнительных минимумов, удовлетворяющих условию:

,

где n= 1, 2, 3,…, кромеn=N, 2N, 3N… и (N-2) дополнительных максимумов, но их интенсивность мала, по сравнению с главными максимумами и поэтому их не учитывают.

3. При наклонном падении света на дифракционную решётку условие для главных максимумов:

а(sinφ – sini) = kλ

В 1912г. немецкий физик – теоретик Лауэ с сотрудниками предположил и экспериментально доказал явление дифракции у рентгеновских лучей, доказав тем самым, что и они представляют собой электромагнитные волны (λ_{рентгеновских лучей}≈ 10^-10м). Обычные дифракционные решётки здесь неприменимы (d>>λ_р.л.). Для этих целей используют пространственную дифракционную решётку, примером которой служит кристаллическая решётка твёрдого тела. В решётке атомы расположены упорядоченно, образуя трёхмерную периодическую последовательность илитрёхмерную решётку.

Рентгеновские лучи возбуждают атомы кристаллической решётки и вызывают появление вторичных волн, которые интерферируют подобно вторичным волнам от щелей дифракционной решётки (зеркальное отражение лучей от систем параллельных плоскостей).

* – атомная плоскость кристалла d– межплоскостное расстояние θ – угол скольжения

Разность хода рассеянных лучей 1′ и 2′ равна:

δ = BC + CD = 2dsinθ

максимум будет для них, если δ = kλ,

где k= 1, 2,…– порядок дифракционного максимума.

Условие дифракционного максимума или условие Вульфа-Брэгга.

2dsinθ =kλ

Изучая дифракцию рентгеновских лучей, можно установить межатомные расстояния, т.е. изучить кристаллическую структуру (рентгеноструктурный анализ), или зная структуру – состав рентгеновских лучей.

Дифракция. Виды волн — презентация онлайн

Похожие презентации:

Дифракция. Дифракция механических волн

Дифракция

Дифракция света. (Лабораторная работа)

Дифракция механических волн

Световые волны. Интерференция и дифракция света

Волновая оптика. Дифракция света

Дифракция света

Дифракция света

Явления дифракции света

Дифракция света

1. Дифракция

Виды волн
звуковые
механические
электромагнитные
Какими свойствами обладают волны любой
1.Способны отражаться от
природы?
препятствий.
2.Способны интерферировать.
Дифракция – отклонение от прямолинейного
распространения при огибании волнами препятствий.
От латинского слова difractus — разломанный.
Дифракция
Дифракция
Дифракция
Общее
свойство волн
любой
природы.
Существует
всегда, когда
волна
распространя
ется в
неоднородной
среде.
Становится
заметной,
если
размеры
препятствия
меньше
длины
волны.

5. I. Дифракция механических волн

Принцип Гюйгенса:
Причина дифракции: вторичные волны,
каждая
точка среды,
досреды, находящимися на
создаваемые
точками
которой
краяхдошло
отверстий или препятствий (принцип
Гюйгенса), проникают
за препятствие. Волновая
возмущение,
сама
поверхность
искривляется и волна огибает
становится
источником
препятствие.
вторичных
волн.
Смысл принципа Гюйгенса проще всего понять,
если представить себе, что гребень волны на
водной поверхности на мгновение застыл. Теперь
представьте, что в этот миг вдоль всего фронта
волны в каждую точку гребня брошено по камню,
в результате чего каждая точка гребня становится
источником новой круговой волны. Практически
всюду вновь возбужденные волны взаимно
погасятся и не проявятся на водной поверхности.
И лишь вдоль фронта исходной волны вторичные
маленькие волны взаимно усилятся и образуют
новый волновой фронт, параллельный
предыдущему и отстоящий от него на некоторое
расстояние. Именно по такой схеме, согласно
принципу Гюйгенса, и распространяется волна.
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.

7. I. Дифракция механических волн

Дифракция наблюдается
слабо (исключение: края
преград)
d λ
λ
– длина волны
d
Дифракция наблюдается
d λ
– диаметр отверстия (ширина препятствия)

8. II. Дифракция света

Франческо Мария Гримальди — итальянский физик и астроном.
(1618 – 1663гг)
Родился 2 апреля 1618 в Болонье. 18
марта 1632 вступил в орден иезуитов, в
течение 1637-45 гг. изучал философию,
риторику, теологию, в 1647 г. получил
степень доктора философии, в 1651 г.
принял сан священника.
Преподавал в болонской Коллегии
иезуитов сначала философию, затем,
вследствие споров с собратьями по
обществу Иисуса был отстранён от
преподавания философии и стал
преподавать математику.
Открыл дифракцию света (работа
опубликована в 1665 г.). Совместно с
Дж. Б. Риччиоли составил карту Луны и
ввёл название лунных образований,
употребляющиеся по сей день.
Опыт Гримальди по
дифракции(1665) Свет,
входящий через отверстие CD
в окне и проходящий
отверстие GH в непрозрачной
стенке, образует на экране
световое пятно LM,
окруженное цветными
кольцами
В пучке света, проходящем через
отверстие, ученый помещал предмет и
получал его тень на белом экране. Он
заметил, что на экране тень оказалась
шире, чем должна была быть
геометрическая тень, и, кроме того, по
обе стороны от нее лежали три цветные
полосы, синие с внутренней стороны по
отношению к тени и красные с
наружной. Далее, если этот световой
пучок падает на непрозрачный экран со
вторым маленьким отверстием,
расположенный параллельно первому, и
проходящий пучок наблюдается на еще
одном экране, то получается
центральное светлое пятно значительно
большего размера, чем следует из
геометрической оптики; края его
окрашены в красный и голубой цвета.
Не оставалось сомнения: за отверстием
свет отклоняется.

10. II. Дифракция света

В 1665 вышла в свет книга Франческо Гримальди, через два года
после смерти автора.
«Свет – распространяется или
рассеивается не только
прямолинейно, отражением и
преломлением, но также и четвёртым
способом – дифракцией».

11. II. Дифракция света

Дифракция света – явление отклонения световых лучей от прямолинейного
распространения и их проникновение в область тени за непрозрачным
телом.
Опыт Юнга
Из-за дифракции
от отверстий
выходят два
частично
перекрывающихся
конуса
Когерентные
волны
интерфери руют
Для дифракции характерно не столько загибание за края
преград, сколько возникновение за преградой
интерференционной картины

12. Принцип Гюйгенса-Френеля

Френель
Те точки поверхности, до
которых дошли световые
волны, сами становятся
источниками вторичных
волн, которые
интерферируют друг с
другом в результате
дифракции.
Френель построил количественную теорию дифракции,
позволяющую рассчитывать дифракционную картину,
возникающую при огибании светом любых препятствий

13. Дифракционные картины от различных препятствий

Дифракция на
дисках различного
диаметра.
В центре пятно
Пуассона
Дифракция на
прямолинейном
крае
Дифракция на круглом
отверстии по мере
приближения к экрану с
отверстием

14. Дифракционные картины от различных препятствий

15. Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – совокупность большого
числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными
промежутками.
Дифракционные решётки
отражательные
прозрачные
Штрихи нанесены на
зеркальную поверхность
Штрихи нанесены на
стеклянную поверхность
Наблюдение ведётся в
отражённом свете
Наблюдение ведётся в
проходящем свете
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.

17. Дифракционная решетка

Условие max:
d sin k
— длина волны
— угол отклонения
d a b
d
— период
(постоянная)
решетки
световых лучей
вследствие
дифракции
k — порядок спектра
а- ширина штриха, b – ширина щели (отверстия)

18. Дифракционные спектры

Дифракционная решетка –
спектральный прибор,
служащий для разложения
света и измерения длины
световой волны.

19. Примеры дифракции света

Компакт-диск
Звезды
Венцы

20. Границы применимости геометрической оптики

Дифракция устанавливает предел разрешающей
способности любого оптического прибора
l
d
2
Дифракция не
видна, резкая тень
l
l
d2
Проявляются
волновые свойства,
изображение
смазывается
– расстояние до предмета, d – размер предмета

21.

Д.З. §70-72

English     Русский Правила

Критерий наблюдения различных видов дифракции

Дифракция на многомерных структурах

Дифракционная решетка как одномерная структура

Любая функция времени может быть представлена как совокупность синусоидальных функций времени с различными периодами, амплитудами и фазами. Аналогично, любую пространственную структуру, свойства которой, например коэффициент пропускания, есть функция пространственных координат, можно представить как совокупность синусоидальных структур (теорема Фурье). В частности, если коэффициент пропускания структуры зависит только от одной координаты, например х, то коэффициент пропускания отдельных синусоидальных структур представится в виде где а- амплитуда, d — пространственный период и Ψ — фаза. Непериодическая структура представляется совокупностью синусоидальных структур с непрерывно меняющимся периодом (представление в виде интеграла Фурье). Периодическая структура с периодом d. представится в виде суммы членов ряда, один из которых в общем случае может быть постоянной величиной, а остальные — синусоидальными функциями х с периодом, равным . .., т. е. остальные члены будут вида ,        где n=1, 2, 3,..

Характер рассматриваемой структуры определяет значения амплитуд и фаз отдельных синусоидальных членов ряда. Таким образом, дифракцию на сложной структуре можно рассчитать путем рассмотрения дифракции на каждой отдельной компоненте разложения Фурье этой структуры. Постоянный член разложения Фурье дает нулевой максимум, каждый из синусоидальных членов — по два максимума первых порядков (т = ±1). Так как периоды синусоидальных структур различны, то и углы дифракции соответствующих максимумов первого порядка будут различны, и в совокупности получится полная дифракционная картина всей структуры. Например, максимумы третьего порядка (т = ±3) суть максимум первого порядка (т = ±1) на третьей синусоидальной структуре, период которой равен . Таким образом, для изученной нами одномерной решетки (решетка с коэффициентом пропускания меняющимся только вдоль одной координаты).

Дифракция на двумерных структурах

Гораздо шире распространен случай, когда коэффициент про пускания пластинки, располагаемой в световом пучке, меняет не вдоль одного направления, а по всей поверхности нашей пластинки. Примером может служить пластинка беспорядочно запыленного стекла или окно, покрытое узорами мороза. Ясно, что такое изменение коэффициента пропускания можно охарактеризовать как изменение по двум координатам нашей поверхности, так что рассматриваемая структура будет двумерной. В простейшем случае это будет двумерная периодическая структура (двумерная решетка), в общем — совокупность многих двумерных решеток.

Рассмотрим двумерную решетку, представляющую собой скрещенные перпендикулярные решетки с периодами и . Подобный случай легко осуществить, поставив непосредственно одну за другой две обыкновенные нарезанные на стеклянных пластинках дифракционные решетки, штрихи которых направлены перпендикулярно друг к другу. Узкий пучок монохроматического света, пройдя через первую решетку с вертикальными штрихами,, должен дать совокупное максимумов (нулевой и максимумы высших порядков) вдоль горизонтальной линии. Световой пучок, соответствующий каждому максимуму, проходя, через  вторую решетку, распадается на новую совокупность световых  пучков, дающих максимумы вдоль вертикальной линии. Пусть свет падает на подобную решетку нормально. Выберем направление света  за  ось Z,   направления  вдоль  решеток — оси X и У, охарактеризуем направления падающего пучка углами  дифрагировавшего — углами. В  нашем случае , т.е., ,, Отклонение дифрагировавшего луча вдоль X приведет к образованию минимумов и максимумов света в зависимости от величины угла дифракции. Применяя теорию одномерной решетки, мы найдем, что положения главных максимумов должны удовлетворять условиям.

Аналогично дифракция в направлении оси У дает главные максимумы в направлениях , определяемых условиями:

Таким образом, из трех условий:

,

где и — целые числа, мы определяем для заданной структуры и для данной длины волны Если решетки с периодами  и не взаимно перпендикулярны, а составляют какой-либо угол между собой, то принципиально рассуждения наши останутся в силе, только геометрические соотношения изменятся. Положение максимумов (пятнышек) будет, конечно, за сеть и от угла между штрихами решеток. Таким образом, по расположению пятнышек можно судить о структуре штриховым поверхности’, о величине периодов и взаимной ориентации решеток.

Если поверхностная структура не периодична, то следует применять для разбора задачи метод Рэлея. Картина  получится более сложной., всевозможно ориентированных решеток (запыленная пластинка, морозные узоры на стекле), то такая структура эквивалентна совокупности простых решеток всех возможных ориентированных, а соответствующая дифракционная картина.

Дифракционные явления на трехмерных структурах

Наибольший интерес и практическое значение имеет дифракцию на пространственных неоднородностях. В этом случае волна распространяется не в однородной среде, а в среде, в которую включая участки, где скорость волны отличается от скорости в остальных частях среды, т. е. участки с иным показателем преломления. Если среда вполне оптически однородна, т. е. показатель преломления любой небольшой  области равняется показателю преломления другой области, то световая волна будет распространяться в среде без изменения направления.

В частности, плоская волна, распространяясь в такой среде останется плоской.  Если же однородность среды нарушена какими-либо включениями или вследствие какого- либо процессов, т. е. если в среде встречаются области, показателя преломления которых отличается от показателя преломления остальной части, то на таких неоднородностях должны возникнуть дифракционные явления, и часть света дифрагирует, отклонив от своего первоначального направления.

Действительно, части волнового фронта, идущие по области различного показателя преломления, распространяются с разной- скоростью, так что фронт волны, т. е. поверхность одинаковой фазы, перестает быть плоским, и свет будет распространяться различным направлениям.

Рассмотрение дифракции на пространственных неоднородностях любой формы представляет собой очень сложную задачу. Мы ограничимся поэтому простейшим случаем, когда неоднородности имеют правильный периодический характер, т. е. представляют собой то, что мы называем решеткой. Однако в этом случае периодическая структура среды имеет пространственный характер, т. е. решетка тянется по всем направлениям в среде. Мы можем представить ее как совокупность периодических структур по трем координатным направлениям и рассматривать дифракцию плоских волн на такой пространственной трехмерной решетке.

Дифракция света. Дифракционная решетка. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Основные ссылки

CSS adjustments for Marinelli theme

Объединение учителей Санкт-Петербурга

Форма поиска

Поиск

Вы здесь

Главная » Дифракция света. Дифракционная решетка.

Дифракция света
Характерным проявлением волновых свойств света является дифракция света — отклонение света от прямолинейного рас­пространения на резких неоднородностях среды. Дифракция была открыта Ф.Гримальди в конце XVII в. Объяснение яв­ления дифракции света дано Т. Юнгом и О. Френелем, которые не только дали описание экспериментов по наблюдению явлений интерференции и дифракции света, но и объяснили свойство пря­молинейности распространения света с позиций волновой теории.
Зоны Френеля Принцип Гюйгенса — Френеля: волновая поверх­ность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции. Для того чтобы найти амплитуду световой волны от точечного моно­хроматического источника света А в произвольной точке О изо­тропной среды, надо источник света окружить сферой радиусом r=ct. Интерференция волны от вторичных источников, располо­женных на этой поверхности, определяет амплитуду в рассмат­риваемой точке О, т. е. необходимо произвести сложение коге­рентных колебаний от всех вторичных источников на волновой поверхности. Так как расстояния от них до точки О различны, то колебания будут приходить в различных фазах. Наименьшее расстояние от точки О до волновой поверхности В равно r0. Первая зона Френеля ограничивается точками волновой поверхности, рассто­яния от которых до точки О равны: , где λ — длина световой волны. Вторая зона . Аналогично определяются границы других зон. Если разность хода  от двух соседних зон равна половине длины волны, то коле­бания от них приходят в точку О в противоположных фазах и на­блюдается интерференционный минимум, если разность хода равна длине волны, то наблю­дается интерференционный максимум. Таким образом, если на препятствии укладывается целое число длин волн, то они гасят друг друга и в данной точке наблюдается минимум (темное пятно). Если нечетное число полуволн, то наблюдается максимум (светлое пятно). Расчеты позволили понять, каким образом свет от точечного источника, испускающего сферические волны, достигает про­извольной точки О пространства.
Дифракция от различных препятствий: от тонкой прово­лочки; от круглого отверстия; от круглого непрозрачного экрана.
Дифракция происходит на предметах любых размеров, а не только соизмеримых с длиной волны λ. Трудности наблюдения заключаются в том, что вследствие малости длины световой волны интерференционные максиму­мы располагаются очень близко друг к другу, а их интенсив­ность быстро убывает.
Дифракция наблюдается хорошо на расстоянии . Если , то дифракция невидна и получается резкая тень (d — диаметр экрана). Эти  соотношения определяют границы применимости геометрической оптики. Если наблюдение ведется на расстоянии , где d—размер предмета, то начинают проявляться волновые свойства света.  На рис. показана примерная зависимость результатов опыта по распространению волн в зависимости от соотношения размеров препятствия и длины волны.
Интерференционные картины от разных точек предмета пе­рекрываются, и изображение смазывается, поэтому прибор не выделяет отдельные детали предмета. Дифракция устанавлива­ет предел разрешающей способности любого оптического при­бора. Разрешающая способность человеческого глаза приблизите­льно равна одной угловой минуте: , где D — диаметр зрач­ка; телескопа α=0,02» микроскопа: увеличение не более 2-10 3 раз. Можно видеть предметы, размеры которых соизмеримы с длиной световой волны.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка — система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны. Величина d = a + b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки, где а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части. Угол φ — угол отклонения световых волн вследствие дифракции. Наша задача — определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении φ — максимум или минимум. Оптическая разность хода  Из условия максимума интерференции получим: . Следовательно:  — формула дифракционной решетки. Величина k — порядок дифракцион­ного максимума ( равен 0, ± 1, ± 2 и т.д.).
Определение λ с помощью дифракционной решетки

Теги: 

конспект

Дифракция света — «Энциклопедия»

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА, в узком, но наиболее употребительном смысле — огибание лучами света границы непрозрачных тел (экранов), проникновение света в область геометрической тени. В широком смысле дифракция света — проявление волновых свойств света в условиях перехода от волновой оптики к геометрической. Наиболее рельефно дифракция света проявляется в областях резкого изменения плотности потока лучей: на границах геометрической тени, вблизи фокуса линзы и др.

Дифракция  света тем слабее, чем меньше длина волны λ света. Красный свет сильнее отклоняется на границе тел, чем фиолетовый. Поэтому последовательность цветов в спектральном разложении белого света, вызванном дифракцией, получается обратной по сравнению с получающейся при разложении света в призме за счёт дисперсии. Это различие часто бывает определяющим при выяснении природы многих атмосферных оптических явлений.

Проникновение света в область геометрической тени было известно уже в 17 веке; так, Ф. М. Гримальди описал это явление в своём трактате, вышедшем в 1665 году. Однако объяснение дифракции света было дано лишь в 19 веке. Тогда были сформулированы две, казалось бы, совершенно разные концепции дифракции света. Т. Юнг (1800) предположил, что дифракция света обусловлена поперечной диффузией волновых фронтов световых волн. Чередование тёмных и светлых полос на границе тени и света он считал результатом интерференции падающей плоской волны и вторичной, излучаемой границей.

Реклама

В приближённой теории О. Френеля (1815-18)  дифракция света   считалась  результатом интерференции вторичных волн (смотри Гюйгенса — Френеля принцип). Несмотря на недостатки, эта теория сохранила своё значение и служит основой расчётов дифракционных эффектов в инструментальной оптике. В теории Френеля амплитуда u_Р светового поля в точке наблюдения Р (рис. 1) слагается из парциальных амплитуд сферических волн, испускаемых всеми элементами dS поверхности S, не закрытой экраном. Его метод вычисления освещённости за экраном заключался в разбиении поверхности S, совмещённой с фронтом падающей волны, на так называемые Френеля зоны, расстояния от края которых до точки Р отличаются на λ/2. Поэтому соседние зоны вносят в поле u_Рвклады противоположных знаков, взаимно компенсирующие друг друга. Освещённость в точке Р зависит от местоположения и размера отверстия. Эта зависимость определяется количеством зон, доступных видению из точки Р: если открыто чётное число зон, то в центре дифракционной картины получается тёмное пятно (рис. 2, б), при нечётном числе зон — светлое (рис. 2, а).

Метод Френеля также качественно объясняет причину освещения в области геометрической тени круглого экрана: светлый центр (так называемое пятно Пуассона) создаётся вторичными волнами первой кольцевой зоны Френеля, окружающей экран. Метод расчёта освещённости за системой экранов с использованием зон Френеля положен в основу теории зонных пластинок.

При расчётах различают два случая дифракции света — дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера — в зависимости от соотношения между R, L и d. [Здесь L — радиус кривизны поверхности S, не закрытой экраном, d — поперечный размер отверстия, R — расстояние от точки наблюдения до центра О диафрагмы (отверстия), рисунок 1.] Дифракция Фраунгофера имеет место, когда kd²/l << 1, т. е. d << √lλ,  где k — волновое число, 1/l=1/R+1/L (дифракция в дальней зоне). Если источник света расположен далеко от экрана, то фронт его волны в отверстии почти плоский (L →∞), и тогда d<<√Rλ. Дифракция Фраунгофера наблюдается, когда размер отверстия значительно меньше зоны Френеля. Картина дифракции в этом случае характеризуется угловым распределением интенсивности потока, расходящегося с углом расходимости φ ~ λ/d. Картина дифракции Фраунгофера не меняется, если экраны превратить в диафрагмы, а последние — в экраны. Из этого следует, в частности, что маленький экран может служить фокусирующей системой в той же степени, что и отверстие в камере-обскуре.

Дифракция Френеля (kd²/l >> 1, дифракция в ближней зоне) обусловлена изогнутостью дифрагирующего волнового фронта или его относительно большими угловыми размерами d/r >> λ/d, воспринимаемыми из точки наблюдения Р (r — расстояние от Р до элемента поверхности dS). Дифракция Френеля наблюдается, когда размер отверстия сравним с размером зоны Френеля d ≈ ≈√Rλ Расчёт этого случая сложен, он требует применения специальных функций даже при простейшей геометрии обрезания волновых фронтов.

Математически полное построение теории Френеля выполнил Г. Кирхгоф (1882). Однако в его теории не учитываются векторный характер световых волн и свойства самого материала экрана.

В строгих расчётах дифракция света рассматривается как граничная задача рассеяния света. Её точные решения позволяют выяснить пределы применимости теории Френеля — Кирхгофа и обосновывают представления Юнга. Из решений следует, что свет проникает в область тени сильнее, чем предсказано этой теорией. Световое поле вдали от острого края экрана в области тени такое же, как если бы край был источником граничной волны, что согласуется с представлениями Юнга. На самом деле, край — не бесконечно тонкий источник, хотя при приближении к нему плотность светового потока растёт. По этой причине глазу, аккомодированному на край, он кажется светящейся линией. Причём, несмотря на то что радиусы закругления краёв реальных экранов велики по сравнению с λ, дифракционные картины почти не зависят от формы краёв и их размеров: даже стеклянная пластинка радиусом в несколько метров, изогнутого края которой касается световая волна, создаёт структуру полос того же вида, что и лезвие бритвы.

Дифракция  света может проявляться и без эффекта резких границ, при плавных пространственных изменениях потоков светового поля. Например, расплывание пучка при его распространении обусловлено дифракционной расходимостью. Расплывание пучков — яркое проявление концепции Юнга диффузии волновых фронтов.

Задачи диффузионной дифракции света связаны с исследованием распространения света в средах с крупномасштабными (по сравнению с λ) неоднородностями диэлектрической проницаемости: в турбулентных средах, в голографических системах, при дифракции света на ультразвуке и др. В этих случаях дифракция света часто неотделима от сопутствующей ей рефракции света.

Дифракция  света играет важную практическую роль: она ограничивает разрешающую способность микроскопов и телескопов, добротность  открытых  резонаторов  и  др.

В лазерной технике дифракцией света определяются свойства полей излучения (смотри Нелинейная оптика).

Лит.: Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд. М. , 1973; Ваганов Р. Б., Каценеленбаум Б. З. Основы теории дифракции. М., 1982; Ландсберг Г. С. Оптика. 6-е изд. М., 2003; Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. 2-е изд. М., 2004; Сивухин Д. В. Общий курс физики. 3-е изд. М., 2006. Т. 4: Оптика.

С. Г. Пржибельский.

Дифракция света — студенческий портал

Дифракция и дисперсия — такие красивые и похожие слова, которые звучат как музыка для ушей физика! Как все уже догадались, сегодня мы говорим уже не о геометрической оптике, а о явлениях, обусловленных именно волновой природой света.

Дисперсия света

Итак, в чем заключается явление дисперсии света? В прошлой статье мы рассмотрели закон преломления света. Тогда мы не задумывались, а точнее — не вспоминали о том, что свет (электромагнитная волна) имеет определенную длину. Давайте вспомним:

Свет – электромагнитная волна. Видимый свет – это волны, имеющие длину в интервале от 380 до 770 нанометров.

Так вот, еще старина Ньютон заметил, что показатель преломления зависит от длины волны. Другими словами, красный свет, падая на поверхность и преломляясь, отклонится на другой угол, нежели желтый, зеленый и так далее. Эта зависимость и называется дисперсией.

Радуга — результат дисперсии

Пропуская белый свет через призму, можно получить спектр, состоящий из всех цветов радуги. Это явление напрямую объясняется дисперсией света. Раз показатель преломления зависит от длины волны, значит, он зависит и от частоты. Соответственно, скорость света для разных длин волн в веществе также будет различна

Дисперсия света – зависимость скорости света в веществе от частоты.

Где применяется дисперсия света? Да повсюду! Это не только красивое слово, но и красивое явление. Дисперсия света в быту, природе, технике и искусстве. Вот, например, дисперсия красуется на обложке альбома группы Pink Floyd.

Дисперсия и Пинк Флойд

Дифракция света

Перед дифракцией нужно сказать про ее «подругу» — интерференцию. Ведь интерференция и дифракция света — это явления, которые наблюдаются одновременно.

Интерференция света – это когда две когерентные световые волны при наложении усиливают друг друга или наоборот ослабляют.

Волны является когерентными, если разность их фаз постоянна во времени, а при сложении получается волна той же частоты. Будет результирующая волна усилена (интерференционный максимум) или наоборот ослаблена (интерференционный минимум) — зависит от разности фаз колебаний. Максимумы и минимумы при интерференции чередуются, образуя интерференционную картину.

Интерференция волн

Дифракция света – еще одно проявления волновых свойств. Казалось бы, луч света всегда должен распространяться по прямой. Но нет! Встречая препятствие, свет отклоняется от первоначального направления как бы огибая преграду.

Какие условия необходимы для наблюдения дифракции света? Собственно, это явление наблюдается на предметах любых размеров, но на больших предметах его наблюдать трудно и почти невозможно. Лучше всего это удается сделать  на препятствиях, сопоставимых по размерам с длиной волны.

В случае со светом — это очень маленькие препятствия.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления при прохождении вблизи преграды.

Дифракция проявляется не только для света, но и для других волн. Например, для звуковых. Или для волн на море.

Отличный пример дифракции – это то, как мы слышим песню группы Пинк Флойд из проезжающей мимо машины, когда сами стоим за углом.

Если бы звуковая волна распространялась прямо, она бы просто не достигла наших ушей, и мы бы стояли в полной тишине. Согласитесь, скучно. Зато с дифракцией гораздо веселее.

Дифракция в природе. Паутина работает, как дифракционная решетка

Для наблюдения явления дифракции используется специальный прибор – дифракционная решетка.

Дифракционная решетка представляет собой систему препятствий, которые по размеру сопоставимы с длиной волны.

Это специальные параллельные штрихи, выгравированные на поверхности металлической или стеклянной пластины. Расстояние между краями соседних щелей решетки называется периодом решетки или ее постоянной.

Что происходит со светом при прохождении дифракционной решетки? Попадая на решетку и встречая препятствие, световая волна проходит через систему прозрачных и непрозрачных областей, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентного света, которые после дифракции интерферируют друг с другом. Каждая длина волны отклоняется при этом на определенный угол, и происходит разложение света в спектр. В результате мы наблюдаем дифракцию света на решетке

Работа дифракционной решетки

Формула дифракционной решетки:

Здесь d – период решетки, фи – угол отклонения света после прохождения решетки, k – порядок дифракционного максимума, лямбда – длина волны.

Сегодня мы узнали, в чем чем заключается явления дифракции и дисперсии света. В курсе оптики очень сильно распространены задачи по теме интерференция, дисперсия и дифракция света. Авторы учебников очень любят подобные задачи.

Чего нельзя сказать о тех, кому приходится их решать. Если Вы хотите легко справиться с заданиями, разобраться в теме, а заодно и сэкономить время, обратитесь к нашим авторам.

Они помогут  Вам справиться с любой задачей!

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/difrakciya-i-dispersiya-ne-putat/

Дифракция света и дифракционная решетка

Дифракция и интерференция света

Дифракционная решетка

Виды дифракционных решеток

Принцип работы дифракционной решетки

Формула дифракционной решетки

Разрешающая способность дифракционной решетки

Применение дифракционной решетки

Дифракция света и дифракционная решетка, видео

Первые опыты и активные исследования природы света начались еще в далеком XVII веке, когда итальянский ученый Франческо Гримальди впервые открыл такое интересное физическое явление как дифракция света. Что же такое дифракция света? Это отклонение света от прямолинейного распространения в силу определенных препятствий на его пути. Более научное объяснение причинам дифракции света было дано в начале XIX века английским ученым Томасом Юнгом, согласно нему дифракция света возможна благодаря тому, что свет представляет собой волну, идущую от своего источника и естественным образом искривляющуюся при попадании на определенные препятствия. Им же была изобретена первая дифракционная решетка, представляющая собой оптический прибор, работающий на основе дифракции света, то есть специально искривляющий световую волну.

Дифракция и интерференция света

Изучая поведение монохроматического пучка света, Томас Юнг, разделив его пополам, получил дифракционную картину, которая представляла собой последовательное чередование ярких и темных полос на экране. Волновая теория природы света, сформированная Юнгом, прекрасно объясняла это явление.

Будучи волной, пучок света при попадании на непрозрачное препятствие искривляется, меняет траекторию своего движения. Так появляется дифракция света, при которой свет может, как целиком огибать препятствия (если длина световой волны больше размеров препятствия) или искривлять свою траекторию (когда размеры препятствий сопоставимы с длиной световой волны).

Примером тут может быть попадание света через узкие щели или небольшие отверстия, как на фото ниже.

Луч света в пещере, наглядная иллюстрация дифракции света в природе.

А тут на картинке показано более схематическое изображение дифракции.

Физическое явление дифракции света дополняет еще одно важное свойство световой волны – интерференция света. Суть интерференции света заключается в накладывании одних световых волн на другие. В результате может происходить искривление синусоидальной формы результирующей волны.

Так схематически выглядит интерференция.

При этом, волны, которые накладываются, могут, как усиливать мощь общей световой волны (при совпадении амплитуд), так и наоборот погасить ее.

Дифракционная решетка

Как мы писали выше, дифракционная решетка представляет собой простой оптический прибор, который искривляет световую волну.

Вот так она выглядит.

Или еще чуть более маленький экземпляр.

Также дифракционную решетку можно охарактеризовать тремя параметрами:

• Период d. Он представляет собой расстояние между двумя щелями, через которые проходит свет. Так как длина световой волны обычно находится в диапазоне нескольких десятых микрометра, то величина d обычно имеет 1 микрометр.
• Постоянная решетка а. Это количество прозрачных щелей на длине 1 мм поверхности решетки. Эта величина обратно пропорциональна периоду дифракционной решетки d. Обычно имеет 300-600 мм-1
• Общее количество щелей N. Высчитывается путем умножения длины дифракционной решетки на ее постоянную а. Обычно длина решетки имеет несколько сантиметров, а количество щелей при этом составляет 10-20 тысяч.

Виды дифракционных решеток

На самом деле есть целых два вида дифракционных решеток: прозрачная и отражающая.

Прозрачная решетка представляет собой прозрачную тонкую пластину из стекла или прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи.

Штрихи эти как раз и являются препятствиями для световой волны, сквозь них она не может пройти. Ширина штриха – это и есть, по сути, период дифракционной решетки d.

А оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры – это щели. Такие решетки наиболее часто применяются при выполнении лабораторных работ.

Отражающая дифракционная решетка – это металлическая либо пластиковая и отполированная пластина. Вместо штрихов на нее нанесены бороздки определенной глубины. Период d соответственно это расстояние между этими бороздками. Простым примером отражающей дифракционной решетки может быть оптический CD диск.

Такие решетки часто используют при анализе спектров излучения, так как благодаря их дизайну можно удобно распределить интенсивность максимумов дифракционной картины на пользу максимумов более высокого порядка.

Принцип работы дифракционной решетки

Представим, что на нашу решетку падает свет, имеющий плоский фронт. Это важный момент, так как классическая формула будет верна при условии, что волновой фронт является плоским и параллельным самой пластинке.

Штрихи решетки будут вносить в этот световой фронт возмущение и как результат на выходе из решетки создаться ситуация будто бы работает множество когерентных (синхронных) источников излучения.

Эти источники и являются причиной дифракции.

От каждого источника (по сути щели между штрихами решетки) будут распространяться световые волны, которые будут когерентными (синхронными) друг другу. Если на некотором расстоянии от решетки поместить экран, то мы сможем увидеть на нем яркие полосы, между которыми будет тень.

Формула дифракционной решетки

Яркие полосы, которые мы увидим на экране можно также назвать максимумами решетки. Если рассматривать условия усиления световых волн, то можно вывести формулу максимума дифракционной решетки, вот она.

sin(θm) = m*λ/d

Где θm это углы между перпендикуляром к центру пластинки и направлением на соответствующую линию максимума на экране. Величина m называется порядком дифракционной решетки. Она принимает целые значения и ноль, то есть m = 0, ±1, 2, 3 и так далее. λ – длина световой волны, а d – период решетки.

Таким образом, можно рассчитать положение всех максимумов решетки.

Разрешающая способность дифракционной решетки

Разрешающей способностью называют способность решетки разделить две волны с близкими значениями длины λ на два отдельных максимума на экране.

Применение дифракционной решетки

Какое же практическое применение дифракционной решетки, в чем ее конкретная польза? Дифракционная решетка является важным и незаменимым инструментов в спектроскопии, так с ее помощью можно узнать, например, химический состав далекой звезды. Свет, идущий от этой звезды, собирают зеркалами и направляют на решетку. Измеряя значения θm можно узнать все длины волн спектра, а значит и химические элементы, которые их излучают.

Дифракция света и дифракционная решетка, видео

И в завершение интересное образовательное видео по теме нашей статьи от заслуженного учителя Украины – Павла Виктора, на наш взгляд его видео лекции на Ютубе по физике могут быть очень полезными для всех, кто изучает этот предмет.

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Источник: https://www.poznavayka.org/fizika/difraktsiya-sveta-i-difraktsionnaya-reshetka/

Дифракция — Всё для чайников

Подробности Категория: Оптика

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.

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.

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       

Источник: https://forkettle.ru/vidioteka/estestvoznanie/41-

Практическая работа по теме «Наблюдение интерференции и дифракции света». Видеоурок. Физика 11 Класс

• Тема: Оптика
• Урок: Практическая работа по теме «Наблюдение интерференции и дифракции света»
• Название: «Наблюдение интерференции и дифракции света».
• Цель: экспериментально изучить интерференцию и дифракцию света.
• Оборудование: лампа с прямой нитью накала, 2 стеклянные пластины, проволочная рамка, мыльный раствор, штангенциркуль, плотная бумага, кусок батиста, капроновая нить, зажим.
• Опыт 1
• Наблюдение картины интерференции с помощью стеклянных пластин.

Берем две стеклянные пластины, перед этим тщательно их протираем, затем плотно складываем и сжимаем. Ту интерференционную картину, которую увидим в пластинах, нужно зарисовать.

Чтобы увидеть изменение картины от степени сжатия стекол, необходимо взять устройство зажима и с помощью винтов сжать пластины. В результате этого картина интерференции изменяется.

 Опыт 2

Интрференция на тонких пленках.

Чтобы пронаблюдать данный опыт, возьмем мыльную воду и проволочную рамку, затем посмотрим, как образуется тонкая пленка. Если рамку опустить в мыльную воду, то после поднятия в ней видна образовавшаяся мыльная пленка. Наблюдая в отраженном свете за этой пленкой, можно увидеть полосы интерференции.

Опыт 3

Интерференция на мыльных пузырях.

Для наблюдения воспользуемся мыльным раствором. Выдуваем мыльные пузыри. То, как пузыри переливаются, это и есть интерференция света (см. Рис. 1).

Рис. 1. Интерференция света в пузырях

Картина, которую мы наблюдаем, может выглядеть следующим образом (см. Рис. 2).

 

Рис. 2. Интерференционная картина

Это интерференция в белом свете, когда мы положили линзу на стекло и осветили ее простым белым светом.

Если воспользоваться светофильтрами и освещать монохроматическим светом, то картина интерференции меняется (меняется чередование темных и светлых полос) (см. Рис. 3).

Рис. 3. Использование светофильтров

1. Теперь перейдем к наблюдению дифракции.
2. Дифракция – это волновое явление, присущее всем волнам, которое наблюдается на краевых частях каких-либо предметов.
3. Опыт 4
4. Дифракция света на малой узкой щели.

Создадим щель между губками штангенциркуля, с помощью винтов передвигая его части.

Для того чтобы пронаблюдать дифракцию света, зажмем между губками штангенциркуля лист бумаги, таким образом, чтобы потом этот лист бумаги можно было вытащить.

После этого перпендикулярно подносим эту узкую щель вплотную к глазу. Наблюдая через щель яркий источник света (лампу накаливания), можно увидеть дифракцию света (см. Рис. 4).

Рис. 4. Дифракция света на тонкой щели

• Опыт 5
• Дифракция на плотной бумаге
• Если взять плотный лист бумаги и сделать бритвой надрез, то, поднеся этот разрез бумаги вплотную к глазу и меняя расположение соседних двух листочков, можно наблюдать дифракцию света.
• Опыт 6
• Дифракция на малом отверстии

Чтобы пронаблюдать такую дифракцию, нам потребуется плотный лист бумаги и булавка. С помощью булавки делаем в листе маленькое отверстие. Затем подносим отверстие вплотную к глазу и наблюдаем яркий источник света. В этом случае видна дифракция света (см. Рис. 5).

Изменение дифракционной картины зависит от величины отверстия.

Рис. 5. Дифракция света на малом отверстии

Опыт 7

Дифракция света на кусочке плотной прозрачной ткани (капрон, батист).

Возьмем батистовую ленту и, расположив ее на небольшом расстоянии от глаз, посмотрим сквозь ленту на яркий источник света. Мы увидим дифракцию, т.е. разноцветные полосы и яркий крест, который будет состоять из линий дифракционного спектра.

На рисунке представлены фотографии дифракции, которую мы наблюдаем (см. Рис. 6).

Рис. 6. Дифракция света

Отчет: в нем должны быть представлены рисунки интерференции и дифракции, которые наблюдались в ходе работы.

Изменение линий характеризует, как происходит та или иная процедура преломления и сложения (вычитания) волн.

На основании дифракционной картины, полученной от щели, создан специальный прибор – дифракционная решетка. Она представляет собой набор щелей, через которые проходит свет. Этот прибор нужен для того, чтобы проводить детальные исследования света. Например, с помощью дифракционной решетки можно определить длину световой волны.

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Физика (Источник).
2. Первое сентября. Учебно-методическая газета (Источник).

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/boptikab/prakticheskaya-rabota-po-teme-nablyudenie-interferentsii-i-difraktsii-sveta

Пути света

• Предмет: Физика
• Класс: 11 классы.
• Тема: Дифракция света
• Основной вопрос: Может ли свет огибать препятствия и как это будет происходить.
• Гипотеза:
• Свет распространяется прямолинейно и следовательно, обходить препятствия не может.
• Цели: 
• Изучение световых явлений на примере дифракции и выявление условий её возникновения и ограничения , которые она накладывает на применение законов геометрической оптики.
• Задачи: 

1. Изучить из теории явление дифракции, условия её возникновения и условия при которых она накладывает ограничение на применение законов геометрической оптики .
2. Провести опыты наглядно показывающие/объясняющие явление дифракции.

Этапы:

1. Ознакомиться с теорией и информацией в сети интернет.
2. Провести консультацию у учителей физики и проанализировать видео ранее найденных опытов в сети интернет.
3. Провести собственные  эксперименты  (опыты с бумагой, с булавкой и CD-диском).
4. Проанализировать полученные результаты.
5. Сделать выводы.

Результаты изучения научной литературы

1. Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.
2. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени.
3. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец.
4. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным.

Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом.

Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики:

• Закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только , если размеры препятствий много больше длины световой волны.
• Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов:
• — в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым
  — в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.
• Постановка опытов:
  ОПЫТ С БУМАГОЙ

Можно  увидеть дифракцию света и на круглом отверстии в листе черной бумаги.
Сделайте большое отверстие, например, при помощи дырокола. Тогда под лупой будет видна легкая цветная кайма по его краям снаружи. У луча света, выходящего из большого отверстия, дифракционная картина почти незаметна. В большинстве случаев ее можно вообще не учитывать, полагая, что свет распространяется исключительно прямолинейно. Дифракционная картина крохотного отверстия, проколотого в бумаге иглой, гораздо больше, чем оно само, и  выглядит как система колец.

В этом случае  отверстие  выступает  как источник света с малыми угловыми размерами. Его можно заменить светящейся точкой любого происхождения.

Взяв, например, отражение солнца в шарике от подшипника, лежащем на черном фоне, можно увидеть отчетливую картину, состоящую из колец, как дифракция на отверстии.

Отражение солнца в шарике — не что иное, как его оптически уменьшенное изображение! Так, например, в шарике диаметром 3 мм мы видим солнце таким, каким бы оно виделось с очень далекой планеты. Поэтому звезды, находящиеся от нас гораздо дальше, предстают перед окуляром обычного телескопа как крохотные светящиеся точки, при увеличении которых можно видеть лишь их дифракционные картины.

ОПЫТ С БУЛАВКОЙ

Обычная булавка с колечком укреплена на кусочке дерева и освещена лампой карманного фонари с расстояния 1 — 1,5 м. Если на булавку посмотреть через лупу, то станет отчетливо видна дифракционная картина.

Точно так же рассмотрение мелких предметов через микроскоп с очень большим увеличением позволяет отчетливо видеть их дифракционные картины, и  их нередко принимают за реальные детали,  иногда приводило  к ложным открытиям.

Примеры дифракции в природе и в быту:

Тонкий слой облаков из водяных капелек, закрывающий солнце или месяц, действует как дифракционная решетка. Светило кажется окруженным разноцветным венцом (радужным ореолом) . В случае игольчатых, ледяных облаков получается другое явление: узкое кольцо большого радиуса вокруг солнца или луны. Оно возникает вследствие преломления света.

Если рассматривать пламя свечи через запотевшее стекло, посыпанное очень мелким порошком, то пламя кажется окруженным радужным ореолом.

Радуга возникает в основном вследствие преломления и полного отражения солнечных лучей в шарообразных каплях дождя.

Радуга состоит из спектра, расположенного таким образом, что внешняя сторона радуги окрашена в красный цвет, а внутренний край – в фиолетовый цвет; от внешнего края до фиолетового располагаются все остальные цвета спектра.

Радиус полукруга виден под углом зрения в 42,5º. Побочная радуга имеет внутренний радиус, видный под углом в 51º, и окрашена изнутри в красный цвет, а снаружи в фиолетовый.

Выводы: 

1. Изучив теорию и проведя опыты, мы сделали вывод, что в средах, в которых скорость волны плавно (по сравнению с длиной волны) меняется от точки к точке, распространение волнового пучка является криволинейным.
2. При этом световая волна также может огибать препятствие, но размеры препятствия должны быть сравнимы с длинной её волны, следовательно наша гипотеза была не верна.
3. Мы выяснили, что явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только , если размеры препятствий много больше длины световой волны.
4.  

   Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов: в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым; в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.

Ссылки на ресурсы:

http://www. physics.ru Информационный портал о физике «ФИЗИКОН»

https://ru.wikipedia.org/wiki/Дифракция «Википедия» – Энциклопедия.

http://class-fizika.spb.ru/ «Класс!ная физика – занятные страницы»

http://www.scienceforum.ru/ Научный форум

Презентация

Дифракция

Источник: http://iteach.vspu.ru/07-2015/7324/

Дифракция света

• Основные примеры явления.
• История происхождения.
• Понятие дифракции света.

Определение 1 Дифракция света представляет собой явление, при котором происходит отклонение света от прямого направления его распространения, когда он проходит в непосредственной близости к каким-либо препятствиям.

Основные примеры явления

Классическая физика предполагает описывать это явление в соответствие с интерференцией волны. Такое явление появляется, когда волна движется и сталкивается с препятствием или отверстием, через которое не может пройти.

Обычно, длина препятствия должна быть равной длине волны. Такие явления возникают, когда волна пересекает те пространства, в которых изменяется угол преломления света.

Данное явление признано фундаментальным в области исследований физики.

Явление дифракции относится к любым существующим видам волн: звуковым, световым, электромагнитным. Даже применительно к лучам рентгена и радиоволнам.

В связи с тем, что световые волны присущи всем физическим существам, то дифракция может относиться и к тем предметам, которые изучаются квантовой физикой.

Эта область знаний поможет дополнить выводы, которые можно сделать на основе исследований классической физики.

Примеры. Дифракцию можно заметить достаточно легко в обычной жизни каждый день. Одними из показательных примеров являются световые дифракции. Если рядом расположить два диска, то они будут рассматриваться как своеобразные дифракционные решетки.

Так же можно наблюдать явления дифракции в атмосфере, например, они могут привести к образованию яркого кольца около источника света.

Эти явления являются прямым доказательством, что свет распространяется в виде волн.

Можно заметить, что морские волны и волны океана распространятся вокруг пристани потоками. Звуковые волны часто огибают препятствия, поэтому можно слышать музыку в другой комнате. Или слышать звук голоса, если человек стоит за стеной или деревом.

История происхождения

Явление дифракции всегда интересовало ученых. Первые серьезные исследования начались еще в далеком семнадцатом веке. Одним из первых исследований были проведены Гримальди Франческо Марией.

Этот ученый и стал тем, кто предложил называть подобные явления именно дифракцией.

Он долгое время изучал все процессы и явления, которые были связаны с распространением волн, однако первые его труды удалось опубликовать только после смерти ученого.

Еще одним выдающимся исследователем дифракции стал Томас Юнг. Среди его блестящих экспериментов особенно известным является эксперимент 1803 года.

Именно тогда была продемонстрирована интерференция таких волновых потоков, которые начинаются из двух разных мест. Именно тогда он установил, что распространение должно происходить волнообразно.

Данное явление было в дальнейшем использовано физиками для подтверждения волновой теории не только света, но и других веществ и явлений.

Френель предложил еще более точные варианты своих исследований. Работы были выпущены в 1815 году, так обозначались основные положения его теории. Он описал явление вторичных волн.

Далее он подробно описал свой эксперимент, в результате которого было полностью доказана волновая природа света.

Ученый долгое время занимался проведением подобных экспериментов, чтобы в итоге прийти к тем выводам, которые берут за основу современные исследователи.

Понятие дифракции света

Дифракция может быть описана следующим образом. Если существует щель небольшой ширины, которая полностью освещается светом, то она осуществит преломление света. Если щель широкая, то произойдет явление интерференции. Так как лучи будут проходить большими потоками и распространяться.

Что из себя представляет дифракционная решетка? Это оптический компонент, который имеет промежутки между закрытыми полостями. Именно они расщепляют свет на множество лучей, которые расходятся в различные направления. Чтобы определить количество света, надо сложить все показатели.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/difrakciya-sveta/

Дифракция света

В рамках геометрической оптики, распространение луча в оптически однородной среде — прямолинейное, однако в природе существует ряд явлений, где можно наблюдать отклонение от этого условия.

Дифракция – явление огибания световыми волнами встреченных препятствий. В школьной физике изучаются две дифракционные системы (системы, при прохождении луча в которых наблюдается дифракция):

• дифракция на щели (прямоугольном отверстии)
• дифракция на решётке (набор равноотстоящих друг от друга щелей)

Дифракция на щели — дифракция на прямоугольном отверстии (рис. 1).

Рис. 1. Дифракция на щели

Пусть дана плоскость со щелью, шириной , на которую под прямым углом падает пучок света А. Большинство света проходит на экран, однако часть лучей дифрагирует на краях щели (т.е. отклоняется от своего первоначального направления). Далее эти лучи интерферируют друг с другом с образованием дифракционной картины на экране (чередование ярких и тёмных областей). Рассмотрение законов интерференции достаточно сложно, поэтому ограничимся основными выводами.

Полученная дифракционная картина на экране состоит из чередующихся областей с дифракционными максимумами (максимально светлыми областями) и дифракционными минимумами (максимально тёмными областями).

Эта картина симметрична относительно центрального светового пучка. Положение максимумов и минимумов описывается углом относительно вертикали, под которым они видны, и зависит от размера щели и длины волны падающего излучения.

Положение этих областей можно найти используя ряд соотношений:

• для дифракционных максимумов

• где
  • — ширина щели,
  • — угол между вертикалью и направлением на максимум,
  • — порядок максимума (счётчик), 
  • — длина волны света.

Нулевым максимумом дифракции называется центральная точка на экране под щелью (рис. 1).

• для дифракционных минимумов

• где
  • — ширина щели,
  • — угол между вертикалью и направлением на минимум,
  • — порядок минимума (счётчик), 
  • — длина волны света.

Вывод: по условиям задачи необходимо выяснить: максимум или минимум дифракции необходимо найти и использовать соответствующее соотношение (1) или (2).

Дифракция на дифракционной решётке. 

Дифракционной решёткой называется система, состоящая из чередующихся щелей, равноотстоящих друг от друга (рис. 2).

Рис. 2. Дифракционная решётка (лучи)

Так же, как и для  щели, на экране после дифракционной решётки будет наблюдаться дифракционная картина: чередование светлых и тёмных областей. Вся картина есть результат интерференции световых лучей друг с другом, однако на картину от одной щели будет воздействовать лучи от других щелей. Тогда дифракционная картина должна зависеть от количества щелей, их размеров и близкорасположенности.

Введём новое понятие — постоянная дифракционной решётки:

(3)

• где
  • — постоянная дифракционной решётки,
  • — расстояние между щелями,
  • — ширина щели.

Тогда положения максимумов и минимумов дифракции:

• для главных дифракционных максимумов (рис. 3)

(4)

• где
  • — постоянная дифракционной решётки,
  • — угол между вертикалью и направлением на максимум.
  • —  порядок максимума (счётчик), 

Рис. 3. Дифракционная решётка (максимумы)

• для дифракционных минимумов

(5)

• где
  • — ширина щели,
  • — угол между вертикалью и направлением на минимум,
  • — порядок минимума (счётчик), 
  • — длина волны света.

Отдельным вопросом задач на дифракцию является вопрос о наибольшем количестве максимумов, которые можно наблюдать в текущей системе. Наибольший угол, под которым можно наблюдать максимум — , тогда, исходя из (4):

(6)

Главное помнить, что число максимумов — число, т.е. от полученного ответа необходимо брать только целую часть.

Вывод: по условиям задачи необходимо выяснить: максимум или минимум дифракции необходимо найти и использовать соответствующее соотношение (4) или (5).

Общий вывод: задачи на дифракцию должны содержать в себе словосочетания, связанные с «дифракцией». Далее разбираемся с объектом: щель или дифракционная решётка и используем соответствующие соотношения для минимума или максимума.

Источник: https://www.abitur.by/fizika/teoreticheskie-osnovy-fiziki/optika/volnovaya-optika/difrakciya-sveta/

Типы дифракции с примерами

Оптика

В этом посте вы всесторонне узнаете о дифракции света.
Итак, если вы хотите получить пользу от этого поста, то он вам понравится.
Содержание:

• Определение дифракции
• Типы дифракции
• Примеры дифракции
• Многое другое

Что такое дифракция света?

Огибание световых волн вокруг углов препятствия и распространение световых волн в геометрическую тень называется дифракцией. Дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля — это два типа дифракции света. Изгиб света вокруг углов окна является примером дифракции.

Дифракционный эффект зависит от размера препятствия. Дифракция света имеет место, если размер препятствия сравним с длиной волны света. Световые волны имеют очень малую длину волны, то есть от 4×10 ^-7 м до 7×10 ^-7 м. Если размер отверстия или препятствия близок к этому пределу, только тогда мы можем наблюдать явление дифракции.

Типы дифракции в физике

Дифракцию света можно разделить на два типа:

• Дифракция Фраунгофера
• Дифракция Френеля

Дифракция Фраунгофера

При дифракции Фраунгофера:

• Источник и экран находятся далеко друг от друга.
• Волновые фронты, падающие на дифрагирующее препятствие, плоские.
• Дифракционное препятствие создает волновые фронты, которые также являются плоскими.
• Плоские дифрагирующие волновые фронты сходятся с помощью выпуклой линзы для получения дифракционной картины.

Дифракция Френеля

В дифракции Френеля:

• Источник и экран находятся недалеко друг от друга.
• Падающие волновые фронты имеют сферическую форму.
• Волновые фронты, покидающие препятствия, также имеют сферическую форму.
• Выпуклая линза не требуется для схождения сферических волновых фронтов.

См. также: Преломление света

Дифракция света

В двухщелевом эксперименте Юнга по интерференции света центральная область системы полос яркая. Если свет распространяется по прямой траектории, центральная область должна казаться темной, т. е. тенью экрана между двумя щелями. Можно провести еще один простой эксперимент, демонстрируя тот же эффект.

Предположим, что небольшой гладкий шарик диаметром около 3 мм освещается точечным источником света. Тень предмета попадает на экран, как показано на рисунке. Тень сферического объекта не совсем темная, но имеет яркое пятно в центре. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка на краю сферы ведет себя как источник вторичных волн, освещающих центральную область тени.

Эти два эксперимента ясно показывают, что когда свет проходит мимо препятствия, он движется не точно по прямой траектории, а огибает препятствие. Это явление становится заметным, когда длину волны света сравнивают с размером препятствия или отверстием щели. Дифракция света происходит, по сути, из-за интерференции лучей, исходящих из разных частей одного и того же волнового фронта.

См. также: Интерференция света

Дифракция на узкой щели

На рисунке показана экспериментальная установка для изучения дифракции света на узкой щели. Щель АВ шириной d освещается параллельным пучком монохроматического света с длиной волны λ. Экран S расположен параллельно щели для наблюдения эффектов дифракции света. Небольшая часть падающего волнового фронта проходит через узкую щель. Каждая точка этого участка волнового фронта посылает на экран вторичные вейвлеты. Затем эти вейвлеты интерферируют, создавая дифракционную картину. Становится проще иметь дело с лучами, а не с волновыми фронтами, как показано на рисунке.

На этом рисунке нарисовано всего девять лучей, тогда как на самом деле их очень много. Рассмотрим лучи 1 и 5, находящиеся в фазе на волновом фронте АВ. Когда они достигнут волнового фронта AC, луч 5 будет иметь разность хода, скажем, равную λ/2. Таким образом, когда эти два луча достигают точки p на экране; они будут мешать разрушительно. Точно так же каждая пара 2 и 6,3 и 7,4 и 8 отличается по пути на λ/2 и будет делать то же самое. Но разность хода ab=d/2 sinθ.

Уравнение для первого минимума будет таким:

d sinθ =mλ

где m=± (1,2,3,….)

Область между любыми двумя последовательными минимумами как выше, так и ниже O будет яркой. Таким образом, узкая щель создает серию ярких и темных областей, причем первая яркая область находится в центре рисунка.

Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах

Длину волны электромагнитной волны можно определить, если имеется решетка соответствующего шага, т. е. порядка длины волны λ волны. Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны очень коротких длин волн (порядка 0,1 нм). Было бы невозможно построить решетку с таким малым шагом методом резки. Однако известно, что расстояние между атомами в твердом теле составляет около 0,1 нм. В 1913 году Макс фон Лауэ предположил, что регулярный массив атомов в твердом кристалле может действовать как трехмерная дифракционная картина, сложная из-за трехмерной дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Последующий эксперимент подтвердил это предсказание. Дифракционные картины сложны из-за трехмерной природы кристалла. Тем не менее дифракция рентгеновских лучей оказалась бесценным методом для изучения кристаллических структур и понимания строения вещества.

Коллимированный пучок рентгеновских лучей падает на кристалл. Дифрагированные лучи очень интенсивны в определенных направлениях, что соответствует конструктивной интерференции волн, отраженных от слоев атомов в кристалле. Дифрагированные лучи могут быть обнаружены фотографической пленкой, и они образуют массив пятен, известный как картина Лауэ. Можно вывести кристаллическую структуру, анализируя положение и интенсивность различных пятен в узоре.

Уравнение Брэгга

Предположим, что рентгеновский луч падает под углом θ на одну из плоскостей. Луч может отражаться как от верхней плоскости, так и от нижней плоскости, которая проходит дальше, чем луч, отраженный от верхней плоскости. Видно, что луч 2 проходит большее расстояние, чем луч 1 после отражения от атомов плоскости. Таким образом, расстояние BC+CD представляет собой эффективную разность хода между двумя отраженными лучами 1 и 2.0008

• Отражение Light
• .
• https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction
• https://www.quora.com/What-is-diffraction-of-light

Статьи по теме

Излучение черного тела в физике для чайников (11 класс)

Современная физика

Другим явлением, которое не могла объяснить классическая физика, было испускание излучения черным телом. Черное тело — это объект, способный поглощать все падающее на него излучение, ничего не отражая. Интенсивность излучения, испускаемого черным телом, изменяется с длиной волны по характеристической кривой, имеющей максимум, зависящий от температуры тела.
Согласно классической теории, интенсивность излучения, испускаемого черным телом, должна увеличиваться по мере уменьшения длины волны, становясь бесконечной, поведение, лишенное физического смысла.

Когда тело нагревается, оно испускает излучение. Характер излучения зависит от температуры. При низкой температуре тело испускает излучение, которое является основным длинноволновым излучением в невидимой инфракрасной области. При высокой температуре увеличивается доля более коротковолнового излучения. Кроме того, количество испускаемого излучения различно для разных длин волн. Интересно посмотреть, как энергия распределяется между разными длинами волн при разных температурах. Например, когда платиновую проволоку нагревают, она кажется тускло-красной при температуре около 500°С, а при 9°С становится вишнево-красной.00°С, становится оранжево-красным при 1100°С, желтым при 1300°С и, наконец, белым при температуре около 1600°С. Это показывает, что по мере повышения температуры излучение становится богаче более короткими длинами волн.

Чтобы понять распределение излучения, испускаемого горячим телом. Мы рассматриваем неотражающий объект, такой как твердое тело, внутри которого имеется полая полость. В нем есть маленькое отверстие, и излучение может войти или выйти только через это отверстие. Внутренняя часть почернена сажей, чтобы сделать его как можно более хорошим поглощающим и настолько плохим отражателем. Маленькое отверстие кажется черным, потому что проникающее излучение много раз отражается от внутренних стенок и частично поглощается при каждом отражении, пока не останется совсем. Такое тело называется черным телом и обладает свойством поглощать все поступающее в него излучение. Черное тело является одновременно идеальным поглотителем и идеальным излучателем.

Диаграмма распределения интенсивности

Люммер и Прингшейм измерили интенсивность излучаемой энергии с длиной волны, излучаемой черным телом при различных температурах. Количество излучения, испускаемого с разными длинами волн, показано в виде кривых распределения энергии для каждой температуры на рисунке ниже.

Эти кривые раскрывают следующие интересные факты.

1. При данной температуре энергия распределяется в спектре излучения тела неравномерно.
2. При заданной температуре T излучаемая энергия имеет максимальное значение для определенной длины волны λ _max , а произведение λ _max ×T остается постоянным.

λ _max ×T=Constant …..(1)

Значение константы составляет около 2,9 × 10 ^-3 м K. Это уравнение означает, что при увеличении T λ смещается в сторону более короткой длины волны .

Для всех длин волн повышение температуры вызывает увеличение излучения энергии. Интенсивность излучения увеличивается с увеличением длины волны и на определенной длине волны λ _max   , имеет максимальное значение. При дальнейшем увеличении длины волны интенсивность излучения уменьшается.

Площадь под каждой кривой представляет собой общую энергию (E), излучаемую на всех длинах волн при определенной температуре. Установлено, что площадь прямо пропорциональна четвертой степени температуры по шкале Кельвина T. Таким образом,

E ∝ T4 ИЛИ  E=σT ⁴  ………..(2)

Где σ называется константой Стивена. Ее значение равно 5,67 × 10 ^-6 Wm2k ^-4  , и указанное выше соотношение известно как закон Стивена Больцмана.

Закон излучения Планка и предположение

Теория излучения электромагнитных волн не может объяснить распределение энергии вдоль кривых интенсивности длин волн. Успешные попытки объяснить форму кривых распределения энергии породили новый, неклассический взгляд на электромагнитное излучение. В 1900 году Макс Планк основал математическую модель, результатом которой стало уравнение, точно описывающее форму наблюдаемых кривых. Он предположил, что энергия излучается или поглощается дискретными порциями, называемыми квантами, а не непрерывной волной. Каждый квант связан с излучением одной частоты. Энергия Е каждого кванта пропорциональна частоте f, и:

E = hf ……. (3)

Здесь h – постоянная Планка. Его значение равно 6,63×10 ^-34 Дж с. Эта фундаментальная постоянная важна в физике как константа с, скорость света в вакууме.

Макс Планк получил Нобелевскую премию по физике в 1918 году за открытие квантов энергии. Излучение черного тела (видео)0001

• Автор Saurav_C
• Последнее изменение 20-07-2022

• Автор Саурав_C
• Последнее изменение 20-07-2022

Обычно мы думаем, что свет всегда распространяется прямолинейно, но знаете ли вы, что когда световые волны проходят вблизи препятствия, они имеют тенденцию огибать это препятствие и расходиться? Когда свет проходит через препятствие, происходит дифракция света .

Дифракция света делится в основном на два типа: дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля. Дифракция света используется для преобразования света в его спектр. Используется в голографии. В этой статье будет представлена ​​подробная информация о дифракции света. Прокрутите вниз, чтобы узнать больше!

Как мы все знаем, свет распространяется по прямой. Однако, когда свет проходит через крошечное отверстие (размер сравним с длиной волны света), происходит определенное распространение света. Когда свет проходит мимо препятствия, кажется, что он огибает края препятствия. Явление искривления света вокруг углов небольших блоков или отверстий и последующее его распространение в области геометрической тени называется дифракцией света. На рис. (а) и (б) показана дифракционная картина ниже:

(а) (б)

Изгиб не будет заметен, если отверстие намного больше, чем длина волны света. Таким образом, возможно, когда оба равны или близки по размеру для значительного изгиба, который можно увидеть невооруженным глазом. Дифракция — это общая характеристика, проявляемая всеми типами волн, такими как звуковые волны, световые волны, волны воды или волны материи.
Основное условие наблюдения дифракции.
1. Источник света должен быть когерентным.
2. Длина волны используемого света должна быть сопоставима с размером препятствия.

Изучение концепций экзамена на Embibe

Типы дифракции

Дифракция в основном бывает двух типов:
1. Дифракция Фраунгофера
2. Дифракция Френеля.
1. Дифракция Фраунгофера: Это происходит, когда все лучи, проходящие через узкую щель, приблизительно параллельны друг другу. Этого можно добиться, поместив источник света подальше от отверстия, используемого для создания дифракции, как показано на рисунке ниже. Важные моменты для дифракции Фраунгофера приведены ниже:
а. Экран и источник находятся на бесконечном расстоянии друг от друга.
б. Падающие волновые фронты горизонтальны.
в. Плоский или горизонтальный волновой фронт соединяются с помощью выпуклой линзы для получения дифракционной картины.
д. Плоские дифрагирующие волны сохраняются с помощью выпуклой линзы для создания дифракционной картины.

Рис. Дифрактограмма Фраунгофера

2. Дифракция Френеля :- В дифракции Френеля источник света и экран, на котором получается дифракционная картина, фактически находятся на конечном расстоянии от дифракционной системы. Важные моменты для дифракции Френеля приведены ниже:
а. Экран и источник находятся рядом друг с другом.
б. Формы волновых фронтов инцидентов сферические или цилиндрические.
в. Объекты, оставленные волновыми фронтами, имеют сферическую форму.
д. Выпуклая линза не нужна для преобразования сферических волновых фронтов.

Рис. 2. Дифракция Френеля

Однощелевая дифракция

Когда свет, исходящий от когерентного источника, проходит через отверстие конечного размера, размеры которого сравнимы с длиной волны света, мы наблюдаем дифракционную картину. Когда источники очень малы по размерам длины волны, дифракция заметна. На этой дифракционной картине формируется центральный максимум с несколько более тонким узором с обеих сторон. Центральный максимум будет иметь наибольшую интенсивность, а интенсивность быстро убывает с обеих сторон.

Практические экзаменационные вопросы

Формула однощелевой дифракции

В этом разделе мы увидим, как конечная ширина щелей является основой для понимания дифракции Фраунгофера.

Рис. Дифракция света на одной щели шириной a

Рассмотрим волны, исходящие из различных частей щели на данном рисунке. Теперь, согласно принципу Гюйгенса, каждая часть щели действует как источник световых волн. Так что свет от одной части щели может интерферировать со светом от другой части щели, а результирующая интенсивность света будет зависеть от направления \(θ\) и ее можно получить на экране.

Чтобы проанализировать дифракционную картину, сначала разделите щель на две половины, как показано на рис. 3. Имея в виду, что все волны находятся в фазе, когда они покидают щель, теперь рассмотрим лучи \(1\) и \(3\) . Поскольку эти два луча движутся к экрану далеко справа на рис. 3, а луч \(1\) проходит дальше, чем луч \(3\), на величину, равную разности хода \((a/2) \ sin⁡ θ\), где \(a\) — ширина щели. Точно так же разность хода между лучами \(2\) и \(4\) также равна \((a/2) \sin ⁡θ\). Две волны компенсируют друг друга, если эта разность хода составляет ровно половину длины волны (что соответствует разнице фаз \(180°\)). Когда любые два луча исходят из точек (при разности фаз \(180°\)), то они разделены половиной ширины щели. Следовательно, мы можем заключить, что волны из верхней половины щели будут интерферировать с волнами из нижней половины с деструктивным эффектом, когда:0005 \(\frac{a}{2}\sin \theta = \frac{\lambda}{2}\)
или когда
\(\sin \theta = \frac{\lambda}{a}\)
Снова по той же причине, если мы разделим щель на четыре равные части, мы заметим, что экран просмотра также темный, когда
\(\sin \theta = \frac{2 \lambda}{a}\)
In точно так же, если мы разделим щель на шесть равных частей и снова, мы заметим, что темнота на экране возникает, когда:
\(\sin \theta = \frac{3 \lambda}{a}\)
Следовательно , для деструктивной интерференции общее условие можно записать в виде:
\(\sin \theta = m \frac{\lambda}{a}\)
Где \(m = ±1,\,±2,\,±3\),…
Это уравнение дает значения \ (θ\), при котором дифракционная картина имеет нулевую интенсивность света, т. е. когда образуется темная полоса. Распределение интенсивности полос показано на рис. 4. Мы можем наблюдать широкую центральную яркую полосу, окруженную гораздо более слабыми яркими полосами, которые чередуются с темными полосами. Различные темные полосы возникают при значениях \(θ\). И каждый пик яркой полосы будет находиться примерно на полпути между граничащими с ним минимумами темной полосы.

Рис. Распределение интенсивности для дифракционной картины Фраунгофера

Решенные примеры на

Дифракция света

Q.1. Первые дифракционные минимумы из-за дифракции на одной щели приходятся на \(θ = 30°\) для света с длиной волны \(5000\, (Å)\). Тогда найдите ширину щели?
Ответ: Расстояние первого минимума дифракции от центрального минимума
\(x = \frac{{\lambda D}}{d}\)
Следовательно, 9{-6}\,\rm{m}\)
\(D = 2\,\rm{m}\)
Теперь для первых максимумов
Имеем
\(\sin \theta = \frac {{3{\lambda _1}}}{{2a}} = \frac{{{x_1}}}{D}\)
\( \Rightarrow {x_1} = \frac{{3{\lambda _1}D }}{{2a}}\)
А,
\( \Rightarrow {x_2} = \frac{{3{\lambda _2}D}}{{2a}}\)
Следовательно, расстояние между первыми максимумами две линии натрия \(= x_2 – x_1\)
\(\frac{{3D}}{{2a}}\left({{\lambda _2} – {\lambda _1}} \right)\)
\( \Rightarrow \frac{{3 \times 2}}{{2 \times 2 \times {{10}^{ – 6}}}}(589{-4}\,\rm{m}\).

Попытка пробных тестов

Сводка

Свет не всегда движется по прямому пути; он огибает углы препятствия в область геометрической тени препятствия. Хотя дифракция возникает всякий раз, когда распространяющиеся волны сталкиваются с такими изменениями, ее эффекты обычно наиболее выражены для волн, длина волны которых примерно эквивалентна размеру дифрагирующего объекта или щели, а падающий свет исходит от когерентного источника.

Во время Дифракции посылает волну по краям отверстия или другого препятствия, а затем одиночная щель дает интерференционную картину, характеризующуюся широким центральным максимумом, а также к краям проявляются более тусклые максимумы. Минимумы образуются, когда \(\sin\theta = m\frac{\lambda}{a}\). Где \(a\) — ширина щели, \(λ\) — длина волны света и \(m = ±1,\,±2,\,±3\)… Максимумы и минимумы будут образовываться поочередно заказ. Интенсивность центральных максимумов будет максимальной, а с обеих сторон интенсивность будет быстро уменьшаться.

Часто задаваемые вопросы о дифракции света

Q.1. Как мы можем увидеть Дифракцию в нашей повседневной жизни?
Ответ : Эффекты дифракции обычно наблюдаются в повседневной жизни. Например, когда вы наблюдаете за компакт-диском или DVD-диском, близко расположенные дорожки на компакт-диске или DVD-диске действуют как дифракционная решетка, образуя знакомую радужную картину. Голограмма на кредитной карте также работает по принципу дифракции.

Q.2. Является ли радуга примером дифракции?
Ответ : Нет, радуга не является примером дифракции, потому что радуга образуется из-за отражения и преломления. Эта Дифракция даже не играет никакой роли в образовании радуги.

Q.3. Каково применение дифракции света?
Ответ: i. Рентгеновская дифракция используется в кристаллографии.
ii. Дифракционная решетка используется для преобразования света в его спектр, и
iii. Он также используется в голографии.

Q.4. В чем разница между дифракцией и интерференцией?
Ответ: Важнейшее различие между дифракцией и интерференцией заключается в том, что дифракция света происходит из-за наложения вторичных вейвлетов, которые генерируются из различных частей волнового фронта. Но интерференция является результатом наложения световых волн от двух когерентных источников.

Q.5. Что такое дифракционная решетка?
Ответ: Дифракционная решетка – это оптический элемент, который разделяет свет, состоящий из множества различных длин волн (например, белый свет), на световые компоненты по длине волны. Самый простой тип решетки — это решетка с большим количеством равномерно расположенных параллельных щелей. Когда белый свет попадает на решетку, компоненты света преломляются под углами, которые определяются соответствующими длинами волн .

Мы надеемся, что эта подробная статья о дифракции света поможет вам подготовиться. Если вы застряли, сообщите нам об этом в разделе комментариев ниже, и мы свяжемся с вами в ближайшее время.

Практические ответы на вопросы о свете с советами и решениями

Дифракция света | bartleby

Что понимается под дифракцией света?

В физике термин дифракция определяется как отклонение света от углов препятствия. Когда световой луч проходит через отверстие, он огибает края или через щели, он распространяется через узкое отверстие. Дифрагированный свет будет давать полосы ярких и темных или цветных полос, которые обозначаются как дифракционная картина.

Экспрессия для дифракции света

Экспрессия для дифракции света составляет,

nλ = d sinθ

Где,

d = расстояние расстояния щели

θ = угол дифракции

λ Длина волны Light

θ = = Максимальный порядок

Типы дифракции

Существует два типа дифракции:

• Дифракция Френеля – Дифракция, при которой источник света и щели расположены на конечном расстоянии, называется дифракцией Френеля. Падающий и дифрагированный волновые фронты имеют сферическую или цилиндрическую форму.

• Дифракция Фраунгофера -Явление, при котором источник света и щели находятся на расстоянии друг от друга, называется дифракцией Фраунгофера. Это зависит только от угла от апертуры до экрана. Здесь фронты падающей волны и фронты дифрагированной волны являются плоскостями.

Условия возникновения дифракции

Одно из основных условий возникновения дифракции: ширина препятствия или щели должна быть меньше или равна длине волны используемого света. Если это условие выполняется, происходит искривление света.

В случае, если препятствие имеет прямую кромку, оно должно быть с острыми краями, а если это отверстие, то его диаметр должен быть крошечным и, самое главное, толщина препятствия должна быть небольшой или близкой к длине волны легкий.

Пусть λ — длина волны света, а a — ширина полосы, условие дифракции задается формулой

                         Он заметил, что каждая точка на фронте волны действует как источник вторичных сферических волн, распространяющихся в прямом направлении со скоростью света.

Когда утром вы открываете окно своей комнаты, свет проникает в вашу комнату и распространяется по всей комнате. Вы знаете, что происходит? Из-за волновой природы света он исходит из окна и полностью распространяется во всех направлениях.

Важные термины дифракции

Разность фаз

Разница между двумя световыми волнами или любыми двумя объектами, имеющими одинаковое происхождение и частоту, называется разностью фаз. Единицей измерения является радиан.

Разность хода

Разность хода — это разница между расстоянием, пройденным двумя волнами от источника до точки их встречи. Единица измерения – метр.

Конструктивная интерференция и деструктивная интерференция

При распространении световой волны форма волны образует две поверхности. В форме волны верхний поверхностный слой называется гребнем, а нижний — впадиной. Когда две волны движутся вместе, если гребень одной волны встречается с гребнем другой волны или впадина волны встречается с другой впадиной, возникает яркая полоса. Это называется конструктивной интерференцией. Если гребень волны соприкасается с впадиной другой волны, это называется деструктивной интерференцией.

Конструктивная интерференция возникает, если разность фаз волн  четно кратна π (2, 4, 6…), а деструктивная интерференция возникает, если разность фаз волн кратна π (1, 3, 5..) нечетно.. )

Ширина полосы

Это разница между двумя последовательными яркими или темными полосами на дифракционной картине.

В эксперименте с двумя щелями есть две щели. Если бы они заменили его одной щелью, мы получили бы одиночный узор широкой полосы с яркой областью в центре полосы. Этот эксперимент является осуществлением теории Гюйгенса, согласно которой каждая точка волнового фронта действует как вторичный источник.

СС-BY| Кредиты изображений:
https://www.informationpalace.com/diffraction-of-light/

Когда луч входит в единственную щель, толщина щели должна быть меньше длины волны света. Когда световые волны входят в щель, они создают дифракционную картину на оптическом экране. Как только световой луч попадает в щель, он начинает действовать как источник и создает волновые фронты. Все созданные здесь волновые фронты собрались вместе, чтобы создать дифракционную картину с темными и светлыми полосами.

Двухщелевой эксперимент

В классической физике двухщелевой дифракционный эксперимент играет важную роль. Экспериментальная установка состоит из монохроматического света, экрана с двойными щелями и оптического экрана. Лазерный луч используется в качестве источника света, потому что свет, используемый для дифрагирования волн, должен быть когерентным. Луч лазера проходит через экран с двумя щелями.

Свет, исходящий из отверстия щели, действует как когерентные волны и образует интерференционную картину на экране. Полученный узор включает темную и яркую бахрому. Из-за деструктивной и созидательной интерференции образуются темные и светлые полосы.

CC BY-SA 4.0 | Кредиты изображений: https://commons.wikimedia.org | NekoJaNekoJa

Центральный максимум

В однощелевом эксперименте, когда луч света попадает в щель, он начинает действовать как вторичные волны, источник усиливает друг друга, что приводит к образованию максимальной интенсивности в определенной точке. Точка называется центральным максимумом.

Диск Эйри

Когда массив света попадает в любую круглую апертуру или небольшое отверстие, он образует на пленке дифракционную картину, состоящую из яркой области в центре, окруженной концентрическими кругами убывающей интенсивности. Центральная более яркая область называется воздушным диском.

Дифракционная решетка

В оптической физике решетка является фундаментальным применением дифракции. Устройство преломляет свет на различные длины волн. Когда белый свет сталкивается с решеткой, он преломляется в цвета с различными длинами волн, когда свет проходит через тонкую линию решеток, называемую отражательной решеткой.

Рентгеновская дифракция

Другое применение рентгеновской дифракции заключается в том, что она помогает идентифицировать кристаллографическую структуру и ориентацию неизвестного материала. Он используется для изучения среднего расстояния между слоями или рядами атомов или молекул. Мы также можем рассчитать внутреннее напряжение, форму, размер крошечных кристаллов.

 Дифракция рентгеновских лучей — это явление, при котором падающий пучок рентгеновских лучей освещается через атомные плоскости кристалла, поэтому плоскости сталкиваются друг с другом, покидая кристалл, изучается кристаллическая структура.

Разрешающая способность телескопа

Предположим, мы собираемся наблюдать за звездой на небе с помощью телескопа. Свет входит в телескоп через линзу и проходит через круглое отверстие или апертуру, где свет преломляется. Из-за дифракционного предела линза может преломлять два объекта, которые расположены нетронутыми. Когда звезда рассматривается в телескоп, она выглядит размытой из-за рассеивания света. Чтобы получить четкую картину, яркая центральная полоса первой звезды должна попасть на первую темную полосу следующей звезды. Мы можем получить четкое изображение звезды, увеличив силу линзы и тем самым изменив разрешающую способность телескопа, и это явление называется критерием Рэлея.

Формула дифракционного предела любой линзы:

sin θ=λD

Где

λ=длина волны и

D=диаметр линзы.

Формулы. физике и для всех аспирантов и студентов, особенно для бакалавров и магистров естественных наук (физика и химия) и бакалавров технических наук (электротехника).

Практические задачи

Вопрос 1: Для яркой линии второго порядка найдите длину волны света, используемого для освещения решетки с 2000 штрихов/см под углом 30°.

1. 125000 A0
2. 20000 A0
3. 150000 A0
4. 950000 A0

Ответ : Правильный вариант — A.

Приведены данные:

Количество штрихов в решетке N= 2000 штрихов/см

Заряд n = 2

Расстояние между линиями, d = 1n

d = 12000 линий/cmd = 5 × 10-6m

Угол дифракции = 30 °

Объяснение:

дифракции света,

n λ = d sin θ

Следовательно, длина волны света равен,

2λ = 5 × 10-6 × sin30 ° λ == 5 × 10-6 × sin30 ° 2λ = 1,25×10-6λ=125000 A0

Длина волны света 125000 A°.

Вопрос 2: Изгиб световых лучей известен как?

1. Отражение
2. Преломление
3. Дифракция
4. Поляризация

Ответ : Правильный вариант c.

Пояснение: Явление искривления световых лучей вокруг углов препятствия называется дифракцией.

Вопрос 3: Монохроматический свет с длиной волны 2,5×10-7 м падает на решетку, содержащую 10000 щелей/см. Определите угол яркой линии второго порядка.

1. 30°                             
2. 45°
3. 90°
4. 60°

Правильный вариант ответа: 90 a.

Приведены данные:

Длина волны λ=2,5×10-7 м

Количество щелей N=10000 щелей/см

Заказ n=2

Пояснение:

Расстояние между линиями, d=1N=110000щелей/см=1×10-4 см=1×10-6м

Следовательно,

nλ=dsinθ2×2,5×10-7=(1 ×10-6)sinθsinθ=2×2,5×10-71×10-6sinθ=0,5θ=30°

Вопрос 4 : При дифракции с одной щелью круглая апертура дает дифракционную картину концентрических колец, которые становятся слабее мы удаляемся от центра известен как ______.

1. Диски Эйри
2. Круглые диски
3. Одиночные диски
4. Ни один из этих

Ответ: Правильный вариант a.

Пояснение: Когда луч света входит в круглое отверстие, он образует на пленке дифракционную картину, состоящую из яркой области в центре, окруженной концентрическими кругами убывающей интенсивности. Центральная более яркая область называется воздушным диском.

Вопрос 5: Какие из предложенных вариантов являются устройствами с дифракционным ограничением?

1. Перископ
2. Микроскоп
3. Телескоп
4. варианты (b) и (c)

Ответ: Правильный вариант d.

Пояснение: Микроскопы и телескопы обладают разрешающей способностью. Когда свет попадает в апертуру через линзу, разрешающая способность линзы преломляет точечный источник и создает четкое изображение для вида. Для получения четкого изображения яркая центральная полоса первого изображения должна попасть на первую темную полосу следующего изображения. Мы можем получить четкое изображение объекта при просмотре через прибор.

Дифракция: Наука о волнах и свете

Свет изгибается, когда он проходит по краю или через щель. Это искривление называется дифракцией. Вы можете легко продемонстрировать дифракцию, используя свечу или маленькую яркую лампочку фонарика и прорезь, сделанную двумя карандашами. Дифракционная картина — узор из темного и светлого, возникающий, когда свет огибает край или края — показывает, что свет обладает волнообразными свойствами.

---

Тема: 

Физика

Свет

Waves

Ключевые слова:

Дифракция

на основе при экспонатах

Интерференция

NGSS и EP & CS:

PS

PS4

CCCS

Паттерны

и эффект

.

---

---

Инструменты и материалы

• Два чистых новых карандаша с ластиками
• Кусок прозрачного скотча (подойдет любой тонкий скотч)
• Фонарик Mini Maglite ( не заменяет другие фонари ) или свеча со спичками или зажигалкой.
• Дополнительно: Кусочки ткани, перо, пластиковая дифракционная решетка, металлический экран, человеческий волос.

---

Сборка

1. Зажгите свечу или, если вы используете Mini Maglite, отвинтите верхнюю часть фонарика. Крошечная лампа зажжется и будет ярко светить. ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: если вы используете мини-светодиодный фонарь Maglite, убедитесь, что он настроен на затемнение, прежде чем отвинчивать верхнюю часть фонарика. Избегайте смотреть прямо на свет в течение длительного периода времени.
2. Оберните один слой ленты вокруг верхней части одного из карандашей, чуть ниже ластика.

---

Действия и уведомления

Поместите фонарь на устойчивую поверхность на расстоянии не менее одной руки от себя.

Держите два карандаша рядом, ластиком вверху. Лента, обернутая вокруг одного карандаша, должна держать карандаши немного друг от друга, образуя тонкую щель между ними, прямо под лентой. Поднесите оба карандаша к одному глазу (на расстоянии около 2,5 см) и посмотрите на источник света через прорезь между карандашами. Сожмите карандаши вместе, сделав щель меньше.

Обратите внимание, что есть линия света, перпендикулярная щели. Глядя в щель, вращайте карандаши, пока они не станут горизонтальными, и обратите внимание, что линия света становится вертикальной.

Если вы присмотритесь, то увидите, что линия состоит из крошечных пятен света. Когда вы сжимаете щель, световые пятна увеличиваются и расходятся, удаляясь от центрального источника света, и их становится легче увидеть. Обратите внимание, что у пятен есть синие и красные края, а синие края расположены ближе к источнику света.

Туго натяните волосы и держите их на расстоянии около 2,5 см от глаз. Переместите волосы, пока они не окажутся между вашим глазом и источником света, и обратите внимание, что свет распространяется в виде линии капель от волос, точно так же, как это было от щели. Вращайте волосы и наблюдайте, как вращается линия капель.

Посмотрите на свет через кусок ткани, перо, дифракционную решетку или кусок металлического экрана. Вращайте каждый объект, пока вы просматриваете его.

---

Что происходит?

Черные полосы между световыми пятнами показывают, что волна связана со светом. Световые волны, проходящие через щель, распространяются, перекрываются и складываются, образуя дифракционную картину, которую вы видите. Там, где гребень одной волны пересекается с гребнем другой волны, две волны объединяются, образуя большую волну, и вы видите яркое пятно света. Там, где впадина одной волны пересекается с гребнем другой волны, волны компенсируют друг друга, и вы видите темную полосу.

Угол, под которым преломляется свет, пропорционален длине волны света. Красный свет, например, имеет большую длину волны, чем синий свет, поэтому он изгибается больше, чем синий свет. Эта разная степень изгиба придает каплям цветные края: синие внутри, красные снаружи.

Чем уже щель, тем больше распространяется свет. На самом деле угол между двумя соседними темными полосами на дифракционной картине обратно пропорционален ширине щели.

Тонкие объекты, такие как прядь волос, также преломляют свет. Свет, проходящий вокруг волос, распространяется, перекрывается и создает дифракционную картину. Ткань и перья, которые состоят из множества более мелких и тонких частей, создают сложные дифракционные картины.

---

Идем дальше

В тускло освещенной комнате посмотрите одним глазом на лампочку Mini Maglite (свеча не подойдет). Обратите внимание на линии света, исходящие от источника света, как семена, исходящие из центра одуванчика.

Как найти происхождение этих линий? Вращайте источник света и обратите внимание, что линии света не вращаются. Поверните голову и обратите внимание, что линии вращаются. Держите руку или каталожную карточку перед глазами, чтобы они не закрывали вам вид на источник света (щелкните, чтобы увеличить рисунок ниже).

Обратите внимание, что вы все еще видите полный круг линий, исходящих от источника света. Эффект на самом деле происходит в вашем глазу, поскольку световые линии распространяются на сетчатку из-за дефектов в тканях вашей роговицы.

---

Похожие закуски

CD Spectroscope

Превратите старый компакт-диск в спектроскоп для анализа света.

Модель интерференции мыльной пленки

Смоделируйте поведение света, отражающегося от поверхностей мыльной пленки.

Мыльная пленка на банке

Почему мы видим цвета в мыльных пузырях?

---

Связанные экспонаты

Дифракционные тени

Тени, сделанные лазерным светом, имеют светлые и темные полосы.

---

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Атрибуция: Педагогический институт Эксплораториум

Волновое поведение | Управление научной миссии

Световые волны электромагнитного спектра ведут себя схожим образом. Когда световая волна сталкивается с объектом, она либо передается, отражается, поглощается, преломляется, поляризуется, дифрагирует или рассеивается в зависимости от состава объекта и длины волны света.

Специализированные приборы на борту космических кораблей и самолетов НАСА собирают данные о поведении электромагнитных волн при взаимодействии с материей. Эти данные могут раскрыть физический и химический состав вещества.

Отражение

Отражение — это когда падающий свет (входящий свет) попадает на объект и отражается от него. Очень гладкие поверхности, такие как зеркала, отражают почти весь падающий на них свет.

Цвет объекта на самом деле представляет собой длину волны отраженного света, в то время как все остальные длины волн поглощаются. Цвет в данном случае относится к разным длинам волн света в спектре видимого света, воспринимаемом нашими глазами. Физический и химический состав вещества определяет, какая длина волны (или цвет) отражается.

Это отражающее поведение света используется лазерами на борту Лунного разведывательного орбитального аппарата НАСА для картирования поверхности Луны. Прибор измеряет время, необходимое лазерному импульсу для достижения поверхности и возврата. Чем дольше время отклика, тем дальше от поверхности и ниже высота над уровнем моря. Более короткое время отклика означает, что поверхность находится ближе или выше по высоте. На этом изображении южного полушария Луны низкие возвышения показаны фиолетовым и синим, а большие возвышения показаны красным и коричневым.

Авторы и права: NASA/Goddard

 

Поглощение

Поглощение происходит, когда фотоны падающего света сталкиваются с атомами и молекулами и вызывают их вибрацию. Чем больше движутся и вибрируют молекулы объекта, тем горячее он становится. Затем это тепло излучается объектом в виде тепловой энергии.

Некоторые объекты, например объекты более темного цвета, поглощают больше энергии падающего света, чем другие. Например, черный тротуар поглощает большую часть видимой и ультрафиолетовой энергии и очень мало отражает, тогда как светлый бетонный тротуар отражает больше энергии, чем поглощает. Таким образом, черный тротуар горячее, чем тротуар в жаркий летний день. Фотоны отскакивают во время этого процесса поглощения и по пути отдают часть энергии многочисленным молекулам. Затем эта тепловая энергия излучается в виде более длинноволновой инфракрасной энергии.

Тепловое излучение энергопоглощающего асфальта и крыш в городе может повысить температуру его поверхности на целых 10° по Цельсию. На спутниковом снимке Landsat 7 ниже показан город Атланта как остров тепла по сравнению с окружающей местностью. Иногда это потепление воздуха над городами может влиять на погоду, что называется эффектом «городского острова тепла».

Авторы и права: Марит Джентофт-Нильсен, на основе данных Landsat-7.

 

Дифракция

Дифракция — это изгиб и распространение волн вокруг препятствия. Наиболее ярко она проявляется, когда световая волна падает на объект, размер которого сравним с ее собственной длиной волны. Прибор, называемый спектрометром, использует дифракцию для разделения света на диапазон длин волн — спектр. В случае видимого света разделение длин волн за счет дифракции приводит к радуге.

Спектрометр использует дифракцию (и последующую интерференцию) света от щелей или решеток для разделения длин волн. Затем можно обнаружить и записать слабые пики энергии на определенных длинах волн. График этих данных называется спектральной сигнатурой. Образцы спектральной сигнатуры помогают ученым определить физическое состояние и состав звездной и межзвездной материи.

На приведенном ниже графике инфракрасного спектрометра SPIRE, установленного на борту космического телескопа ЕКА (Европейское космическое агентство) Herschel, видны сильные эмиссионные линии монооксида углерода (CO), атомарного углерода и ионизированного азота в галактике M82.

Авторы и права: ESA/NASA/JPL-Caltech

 

Рассеяние

Рассеяние происходит, когда свет отражается от объекта в различных направлениях. Величина рассеяния зависит от длины волны света, размера и структуры объекта.

Небо кажется голубым из-за такого рассеяния. Свет с более короткими длинами волн — синий и фиолетовый — рассеивается азотом и кислородом при прохождении через атмосферу. Более длинные волны света — красный и желтый — проходят через атмосферу. Это рассеяние света на более коротких волнах освещает небо светом синего и фиолетового конца видимого спектра. Хотя фиолетовый рассеивается больше, чем синий, небо кажется нам голубым, потому что наши глаза более чувствительны к синему свету.

Аэрозоли в атмосфере также могут рассеивать свет. Спутник NASA Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO) может наблюдать за рассеянием лазерных импульсов, чтобы «видеть» распределение аэрозолей из таких источников, как пыльные бури и лесные пожары. На изображении ниже показано облако вулканического пепла, дрейфующее над Европой в результате извержения вулкана Эйяфьятлайокудль в Исландии в 2010 году.0314

Преломление – это изменение направления световых волн при переходе из одной среды в другую. Свет распространяется медленнее в воздухе, чем в вакууме, и еще медленнее в воде.

No related posts.