Что такое дифракция света: ДИФРАКЦИЯ СВЕТА • Большая российская энциклопедия

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА • Большая российская энциклопедия

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

Д. с. 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 мн.

ат­мо­сфер­ных оп­тич. яв­ле­ний.

Про­ник­но­ве­ние све­та в об­ласть гео­мет­рич. те­ни бы­ло из­вест­но уже в 17 в.; так, Ф. М. Гри­маль­ди опи­сал это яв­ле­ние в сво­ём трак­та­те, вы­шед­шем в 1665. Од­на­ко объ­яс­не­ние Д. с. бы­ло да­но лишь в 19 в. То­гда бы­ли сфор­му­ли­ро­ва­ны две, ка­за­лось бы, со­вер­шен­но раз­ные кон­цеп­ции Д. с. T. Юнг (1800) пред­по­ло­жил, что Д. с. 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.

Рис. 1. Обрезание волнового фронта краями экрана.

Рис. 2. Дифракция света на круглом отверстии при открытом нечётном (а) и чётном (б) числе зон.

В при­бли­жён­ной тео­рии О. Фре­не­ля (1815–18) Д.  с. счи­та­лась ре­зуль­та­том ин­тер­фе­рен­ции вто­рич­ных волн (см. Гюй­ген­са – Фре­не­ля прин­цип). Не­смот­ря на не­дос­тат­ки, эта тео­рия со­хра­ни­ла своё зна­че­ние и слу­жит ос­но­вой рас­чё­тов ди­фрак­ци­он­ных эф­фек­тов в ин­ст­ру­мен­таль­ной оп­ти­ке. В тео­рии Фре­не­ля ам­пли­ту­да $u_P$ све­то­во­го по­ля в точ­ке на­блю­де­ния $P$ (рис. 1) сла­га­ет­ся из пар­ци­аль­ных ам­пли­туд сфе­рич. 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 т. н. Фре­не­ля зо­ны, рас­стоя­ния от края ко­то­рых до точ­ки $P$ от­ли­ча­ют­ся на $λ/2$. По­это­му со­сед­ние зо­ны вно­сят в по­ле $u_Р$ вкла­ды про­ти­во­по­лож­ных зна­ков, вза­им­но ком­пен­си­рую­щие друг дру­га. Ос­ве­щён­ность в точ­ке $P$ за­ви­сит от ме­сто­по­ло­же­ния и раз­ме­ра от­вер­стия. Эта за­ви­си­мость оп­ре­де­ля­ет­ся ко­ли­че­ст­вом зон, дос­туп­ных ви­де­нию из точ­ки $P$: 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 гео­мет­рич. те­ни круг­ло­го эк­ра­на: свет­лый центр (т. н. 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 Д. с. – ди­фрак­ция Фре­не­ля и ди­фрак­ция Фра­ун­го­фе­ра – в за­ви­си­мо­сти от со­от­но­ше­ния ме­ж­ду $R,\text{ } L \text{ и } d$. [Здесь $L$ – ра­ди­ус кри­виз­ны по­верх­но­сти $S$, не за­кры­той эк­ра­ном, $d$ – по­пе­реч­ный раз­мер от­вер­стия, $R$ – рас­стоя­ние от точ­ки на­блю­де­ния до цен­тра $O$ диа­фраг­мы (от­вер­стия), рис. 1.] Ди­фрак­ция Фра­ун­го­фе­ра име­ет ме­сто, ко­гда $kd_2/l≪1$, т. е. $d≪\sqrt {l\lambda}$, где $𝑘$ – вол­но­вое чис­ло, $1/l=1/R+1/L$ (ди­фрак­ция в даль­ней зо­не).

2/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 $P$ ($r$ – рас­стоя­ние от $P$ до эле­мен­та по­верх­но­сти $dS$). Ди­фрак­ция Фре­не­ля на­блю­да­ет­ся, ко­гда раз­мер от­вер­стия срав­ним с раз­ме­ром зо­ны Фре­не­ля $d≈\sqrt {R\lambda}$. Рас­чёт это­го слу­чая сло­жен, он тре­бу­ет при­ме­не­ния спец. 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 Д. с. 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 неск. мет­ров, изо­гну­то­го края ко­то­рой ка­са­ет­ся све­то­вая вол­на, соз­да­ёт струк­ту­ру по­лос то­го же ви­да, что и лез­вие брит­вы.

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

За­да­чи диф­фу­зи­он­ной Д. с. 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 Д. с. час­то не­от­де­ли­ма от со­пут­ст­вую­щей ей ре­фрак­ции све­та.

Д. с. иг­ра­ет важ­ную прак­тич. роль: она ог­ра­ни­чи­ва­ет раз­ре­шаю­щую спо­соб­ность мик­ро­ско­пов и те­ле­ско­пов, доб­рот­ность от­кры­тых ре­зо­на­то­ров и др. В ла­зер­ной тех­ни­ке Д. с. оп­ре­де­ля­ют­ся свой­ст­ва по­лей из­лу­че­ния (см. Не­ли­ней­ная оп­ти­ка).

Дифракционная решетка: как это работает

Изучение одного из самых распространенных физических явлений – дифракции – привело к возникновению такого устройства, как дифракционная решетка.

В России крупнейший производитель дифракционной оптики – «Швабе» Госкорпорации Ростех. Дифракционные решетки холдинга сегодня функционируют во многих оптических приборах, и не только у нас в стране, но и за рубежом.

Дифракционная решетка: как увидеть радугу

Дифракционная решетка – это оптический прибор, представляющий собой поверхность, на которую нанесено большое число параллельных, равноотстоящих друг от друга микроскопических штрихов (щелей или выступов). Уже из самого названия прибора понятно, что он работает по принципу дифракции света – явления отклонения света от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.

У электромагнитных волн, составляющих свет, разный эффект интерференции, или по-простому способности огибать препятствия. Проходя через дифракционную решетку, световые волны огибают препятствия решетки (штрихи, щели или выступы) с разным углом отклонения.

Для каждой длины волны существует свой угол дифракции, и белый свет раскладывается штрихами решетки в спектр, то есть в радугу. Кстати, эффект радуги основан на таком же принципе, только в роли решетки – капельки воды.

В природе можно обнаружить и множество других естественных дифракционных решеток. Примером грубой дифракционной решетки можно считать ресницы. Смотря на свет сквозь прищуренные веки, можно в какой-то момент увидеть спектральные линии. А физик Джеймс Грегори, который впервые применил дифракционную решетку, использовал в этом качестве птичье перо. Благодаря очень тонкой структуре через перо можно пропустить солнечный свет и увидеть его разложение на спектр.

Изготовление: 3600 штрихов на миллиметр

Сегодня дифракционную решетку можно сделать самому из более современных материалов, например DVD-диска. Шаг между штрихами такой решетки составляет 0,74 мкм. Это намного более впечатляющий результат по сравнению с самой первой искусственной дифракционной решеткой в мире, которая появилась в 1875 году: она состояла из 50 натянутых волосков с расстоянием между ними в 250 мкм.

Число штрихов современной дифракционной решетки может доходить до 3600 на один миллиметр, и процесс изготовления такого устройства требует очень высокой точности. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решетка будет забракована. Нарезание решетки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 3 секунды.

Существуют два вида дифракционных решеток: прозрачные и отражательные. Прозрачная решетка – это стеклянная тонкая пластинка или пластинка из прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи дифракционной решетки являются препятствием для света, через них он не может пройти. Оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры играют роль щелей. При выполнении лабораторных работ чаще используют этот вид решеток.

Отражательная решетка – это металлическая или пластиковая отполированная пластинка, на которую вместо штрихов нанесены бороздки определенной глубины. Такие решетки часто используют при анализе спектров излучения. Вышеупомянутый DVD-диск – яркий пример этого вида дифракционной решетки: расположив его перед глазом, можно найти на нем спектр.

Практическое применение: от ДНК до далекой звезды

Дифракционные решетки широко применяются в различных оптических устройствах: спектральных приборах для получения монохроматического света (монохроматоры, спектрофотометры и др.), в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений, для поляризаторов и оптических фильтров и даже в так называемых антибликовых очках.

Дифракционные решетки нашли свое применение во многих научных исследованиях. Например, этот прибор лег в основу рентгеноструктурного анализа – самого распространенного метода определения структуры вещества. Этот способ заключается в измерении параметров кристаллической решетки посредством дифракции рентгеновских лучей. То есть в данном случае дифракционная решетка используется не для определения длины волны света, а для обратной задачи – нахождения по длине волны постоянной решетки (расстояния между штрихами).

В настоящее время широко используют рентгеноструктурный анализ биологических молекул и систем. Так, например, по данным, полученным этим методом, из нескольких возможных химических формул пенициллина была выбрана одна. В свое время этим методом были с успехом исследованы такие высокополимерные соединения, как каучук, целлюлоза, многие полиамиды и т.д. Именно с помощью рентгеноструктурного анализа американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик установили структуру молекулы ДНК (двойная спираль), за что и были удостоены в 1962 году Нобелевской премии.

Сегодня изделия дифракционной оптики применяются для научных исследований в области экологии. Например, в составе гиперспектральных камер для оценки качества воздуха. С их помощью определяют состав и состояние объекта съемки, фиксируя спектральные характеристики каждого пикселя на изображении.

Государственный институт прикладной оптики (ГИПО) холдинга «Швабе» – крупнейший производитель дифракционной оптики в России – поставляет для этих целей решетки и за рубеж. Только за прошлый год было поставлено более 400 изделий в Германию, Ирландию, Норвегию, Словакию и другие страны.

Дифракционная решетка шагнула и далеко за пределы Земли. С ее помощью, например, можно узнать химический состав далеких звезд. Свет, идущий от звезды, собирают зеркалами и направляют на решетку. Таким образом можно узнать все длины волн спектра, а значит, и химические элементы, которые их излучают.

Урок 17. дифракция света — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 17. Дифракция света

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) условия возникновения явления дифракции света.

2) знания о дифракционной решетке.

3) понятие дифракции, где наблюдается данное явление в природе.

4) представление о дифракции, как о явлении, подтверждающее волновую теорию света;

5) знакомство с спектральным прибором (дифракционная решетка).

Глоссарий по теме

Интерференция и дифракция – явления, подтверждающие волновую природу света.

Дифракция света – огибание световой волной непрозрачных тел с проникновением в область геометрической тени и образованием там интерференционной картины.

Принцип Гюйгенса — каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающая вторичных волн, становится волновой поверхностью в следующий момент времени.

Френеля Принцип Гюйгенса — каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

Дифракционная решётка — представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я, Буховцев Б Б. Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 213 – 220.

Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-Москва «Просвещение»1992. С.149 — 151

Основное содержание урока

Дифракция – огибание волнами краёв препятствий – присуща любому волновому движению

Но наблюдать дифракцию света нелегко, так как волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны, как мы с вами знаем, очень мала.

В 1802 г. Томас Юнг, поставил опыт по дифракции.

В непрозрачной ширме он сделал два маленьких отверстия на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим через первое отверстие в другой ширме. Волна от первого отверстия возбуждала когерентные колебания в двух других отверстиях. Вследствие дифракции из двух отверстий выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции этих двух световых волн на экране появились чередующиеся светлые и тёмные полосы. При закрывании Юнгом одной из отверстий, было обнаружено, что интерференционные полосы исчезали. Именно этот опыт помог Юнгу измерить длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета. Следующий учёный Френель завершил в своих работах исследования дифракции. Он разработал количественную теорию дифракции, позволяющую в принципе рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий. Учёный впервые объяснил прямолинейное распространение света в однородной среде на основе волновой теории.

По идее Френеля каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причём все вторичные источники когерентны.

На явлении дифракции основано устройство оптического прибора – дифракционной решётки

Дифракционная решётка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделённых непрозрачными промежутками.

Если ширина прозрачных щелей равна а, и ширина непрозрачных промежутков равна b, то величина d = а + b называется периодам решётки.

Обычно период дифракционной решётки порядка 10 мкм.

Разбор тренировочных заданий

1.Дифракционная решетка освещается монохроматическим зеленым светом. При освещении решетки монохроматическим красным светом картина дифракционного спектр.

1) сузится; 2) расширится; 3) исчезнет;4) не изменится

Правильный ответ: 2) расширится

2. Сколько штрихов на каждый миллиметр содержит дифракционная решётка, если при наблюдении в монохроматическом свете 𝛌 = 0,6 мкм максимум пятого отклонён на угол φ = 18°.

Ответ: N = 103.

Дифракция — это… Что такое Дифракция?

Дифракция первого и второго порядка как интерференция волн, образованных при падении плоской волны на непрозрачный экран с парой щелей. Стрелками показаны линии, проходящие через линии интерференционных максимумов

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

Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн (интерференция вторичных волн). Общим свойством всех эффектов дифракции является зависимость степени её проявления от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды , либо неоднородностей структуры самой волны. Наиболее заметно они проявляются при размерах неоднородностей, сравнимых с длиной волны. При размерах неоднородностей, существенно превышающих длину волны (на 3—4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь. В последнем случае распространение волн с высокой степенью точности описывается законами геометрической оптики. С другой стороны, если размер неоднородностей среды много меньше длины волны, то в таком случае дифракции проявляет себя в виде эффекта рассеяния волн. ^[1]

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

Дифракция волн может проявляться:

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

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

Тонкости в толковании термина «дифракция»

В явлении дифракции важную роль играют исходные размеры области волнового поля и исходная структура волнового поля, которая подвержена существенной трансформации в случае, если элементы структуры волнового поля сравнимы с длиной волны или меньше её.

Например, ограниченный в пространстве волновой пучок имеет свойство «расходиться» («расплываться») в пространстве по мере распространения даже в однородной среде. Данное явление не описывается законами геометрической оптики и относится к дифракционным явлениям (дифракционная расходимость, дифракционное расплывание волнового пучка).

Исходное ограничение волнового поля в пространстве и его определённая структура могут возникнуть не только за счёт присутствия поглощающих или отражающих элементов, но и, например, при порождении (генерации, излучении) данного волнового поля.

Следует заметить, что в средах, в которых скорость волны плавно (по сравнению с длиной волны) меняется от точки к точке, распространение волнового пучка является криволинейным (см. градиентная оптика, градиентные волноводы, мираж). При этом волна также может огибать препятствие. Однако такое криволинейное распространение волны может быть описано с помощью уравнений геометрической оптики, и это явление не относится к дифракции.

Вместе с тем, во многих случаях дифракция может быть и не связана с огибанием препятствия (но всегда обусловлена его наличием). Такова, например, дифракция на непоглощающих (прозрачных), так называемых фазовых, структурах.

Поскольку, с одной стороны, явление дифракции света оказалось невозможным объяснить с точки зрения лучевой модели, то есть с точки зрения геометрической оптики, а с другой стороны, дифракция получила исчерпывающее объяснение в рамках волновой теории, то наблюдается тенденция понимать её проявление как любое отступление от законов геометрической оптики.

При этом следует заметить, что некоторые волновые явления не описываются законами геометрической оптики и, в то же время, не относятся к дифракции. К таким типично волновым явлениям относится, например, вращение плоскости поляризации световой волны в оптически активной среде, которое дифракцией не является.

Вместе с тем, единственным результатом так называемой коллинеарной дифракции с преобразованием оптических мод может быть именно поворот плоскости поляризации, в то время как дифрагированный волновой пучок сохраняет исходное направление распространения. Такой тип дифракции может быть реализован, например, как дифракция света на ультразвуке в двулучепреломляющих кристаллах, при которой волновые векторы оптической и акустической волн параллельны друг другу.

Ещё один пример: с точки зрения геометрической оптики невозможно объяснить явления, имеющие место в так называемых связанных волноводах, хотя эти явления также не относят к дифракции (волновые явления, связанные с «вытекающими» полями).

Раздел оптики «Оптика кристаллов», имеющей дело с оптической анизотропией среды, также имеет лишь косвенное отношение к проблеме дифракции. В то же самое время он нуждается в корректировке используемых представлений геометрической оптики. Это связано с различием в понятии луча (как направления распространения света) и распространения волнового фронта (то есть направления нормали к нему)

Отступление от прямолинейности распространения света наблюдается также в сильных полях тяготения. Экспериментально подтверждено, что свет, проходящий вблизи массивного объекта, например, вблизи звезды, отклоняется в её поле тяготения в сторону звезды. Таким образом, и в данном случае можно говорить об «огибании» световой волной препятствия. Однако, это явление также не относится к дифракции.

Частные случаи дифракции

Исторически в проблеме дифракции сначала рассматривались два крайних случая, связанных с ограничением препятствием (экраном с дыркой) сферической волны и это была дифракция Френеля, либо плоской волны на щели или системе отверстий — дифракция Фраунгофера

Дифракция на щели

Распределение интенсивности света при дифракции на щели

В качестве примера рассмотрим дифракционную картину возникающую при прохождении света через щель в непрозрачном экране. Мы найдём интенсивность света в зависимости от угла в этом случае. Для написания исходного уравнения используем принцип Гюйгенса.

Рассмотрим монохроматическую плоскую волну с амплитудой с длиной волны λ, падающую на экран с щелью ширины a.

Будем считать, что щель находится в плоскости x′-y′ с центром в начале координат. Тогда может предполагаться, что дифракция производит волну ψ, которая расходится радиально. Вдали от разреза можно записать

пусть (x′,y′,0) — точка внутри разреза, по которому мы интегрируем. Мы хотим узнать интенсивность в точке (x,0,z). Щель имеет конечный размер в x направлении (от до ), и бесконечна в y направлении ([, ]).

Расстояние r от щели определяется как:

Предполагая случай дифракции Фраунгофера, получим условие . Другими словами, расстояние до точки наблюдения много больше характерного размера щели (ширины). Используя биноминальное разложение и пренебрегая слагаемыми второго и выше порядков малости, можно записать расстояние в виде:

Видно, что 1/r перед уравнением не осциллирует, то есть даёт малый вклад в интенсивность по сравнению с экспоненциальным множителем. И тогда его можно записать приближённо как z.

Здесь мы введём некую константу ‘C’, которой обозначим все постоянные множители в предыдущем уравнении. Она, в общем случае может быть комплексной, но это не важно, так как в конце нас будет интересовать только интенсивность, и нам будет интересен только квадрат модуля.

В случае дифракции Фраунгофера мало, поэтому . такое же приближение верно и для . Таким образом, считая , приводит к выражению:

Используя формулу Эйлера и её производную: и .

где ненормированная синкус функция определена как .

Подставляя в последнее выражение для амплитуды, можно получить ответ для интенсивности в виде волны в зависимости от угла θ:

См. также Дифракция на N-щелях

Дифракция на отверстии

Дифракция лазерного луча с длиной волны 650 нм, прошедшего через отверстие диаметром 0,2 мм

Дифракция звука и ультразвуковая локация

Дифракция радиоволн и радиолокация

Исследованием дифракции радиоволн занимается геометрическая теория дифракции^[2]

Дифракционная решётка

Дифракционная решётка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори, который использовал в качестве решётки птичьи перья.

Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ

Дифракция света на ультразвуке

Одним из наглядных примеров дифракции света на ультразвуке является дифракция света на ультразвуке в жидкости. В одной из постановок такого эксперимента в оптически-прозрачной ванночке в форме прямоугольного параллелепипеда с оптически-прозрачной жидкостью с помощью пластинки из пьезоматериала на частоте ультразвука возбуждается стоячая волна. В её узлах плотность воды ниже, и как следствие ниже её оптическая плотность, в пучностях — выше. Таким образом, при этих условиях ванночка с водой становится для световой волны фазовой дифракционной решёткой, на которой осуществляется дифракция в виде изменения фазовой структуры волн, что можно наблюдать в оптический микроскоп методом фазового контраста или методом тёмного поля.

Дифракция электронов

Дифракция электронов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет свойства, аналогичные свойствам волны. При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала. Процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях кристаллических структур металлов, сплавов, полупроводниковых материалов.

Брегговская дифракция

Согласно Закону Брэгга каждая точка (или отражение) в этой дифракционной картине формируется конструктивной интерференцией рентгеновских лучей, проходящих через кристалл. Эти данные могут быть использованы для определения атомной структуры кристаллов.

Дифракция от трехмерной периодической структуры, такой как атомы в кристалле называется дифракцией Брегга. Это похоже на то, что происходит, когда волны рассеиваются на дифракционной решётке. Брегговская дифракция является следствием интерференции между волнами, отражёнными от кристаллических плоскостей. Условие возникновения интерференции определяется законом Вульфа-Брегга:

,

где

d — расстояние между кристаллическими плоскостями,

θ угол скольжения — дополнительный угол к углу падения,

λ — длина волны,

n (n = 1,2…) — целое число называемое порядком дифракции.

Брегговская дифракция может осуществляться при использовании света с очень маленькой длиной волны, такого как рентгеновское излучение, либо волны материи, такие как нейтроны и электроны, длины волн которых сравнимы или много меньше, чем межатомное расстояние.^[3] Получаемые данные дают информацию о межплоскостных расстояния, что позволяет вывести кристаллическую структуру. Дифракционный контраст, в электронных микроскопах и рентгеновских топографических устройствах, в частности, также является мощным инструментом для изучения отдельных дефектов и локальных полей деформации в кристаллах.

Дифракция частиц (нейтронов, атомов, молекул)

История исследований

Основы теории дифракции были заложены при изучении дифракции света в первой половине XIX века в трудах Юнга и Френеля. Среди других учёных, которые внесли значительный вклад в изучение дифракции: Гримальди, Гюйгенс, Араго, Пуассон, Гаусс, Фраунгофер, Бабине, Кирхгоф, Аббе, У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг, фон Лауэ, Роуланд, Зоммерфельд, Леонтович, Фок, Ван-Циттерт, Цернике (см. История оптики).

Обнаружение дифракции частиц (электронов) в 1927 году (опыт Дэвиссона и Джермера) сыграло большую роль в подтверждении существования волн де Бройля и в подтверждении концепции корпускулярно-волнового дуализма (идеи двойственной природы волн и частиц). В XX и XXI веках продолжились исследования дифракции волн на сложных структурах.

Дифракция в фотографии

Дифракцию можно наблюдать в фотографии: чрезмерное закрытие диафрагмы (относительного отверстия) приводит к падению резкости. Поэтому для сохранения оптимально резкого изображения на фотографии не рекомендуется полностью закрывать диафрагму. Нужно отметить, что для каждого объектива существует свои границы до которых стоит закрывать диафрагму, в большинстве случаев они равны f/11.^[4]

См. также

Примечания

1. ↑ В явлении рассеяния на мелких неоднородностях среды сказывается не только экранирование фронта волны, но и свойства самой неоднородности (скажем, водяной капли), определяющие индикатрису рассеяния, что рассматривается, например, в научной дисциплине «Оптика атмосферы» в разделе, связанном с аэрозолем.
2. ↑ Боровиков В. А., Кинбер Б. Е. Геометрическая теория дифракции. М.: Связь, 1978, 247 с.
3. ↑ John M. Cowley (1975) Diffraction physics (North-Holland, Amsterdam) ISBN 0-444-10791-6
4. ↑ Что такое дифракция в фотографии. «Про Фото»

Литература

• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.. — Т. IV. Оптика.
• И. Г. Кондратьев, Г. Д. Малюжинец Дифракция волн // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998.

Ссылки

Дифракция света. Волновая оптика ::Класс!ная физика

Дифракция

— это явление, присущее волновым процессам для любого рода волн.

— наблюдение дифракции волн на водной поверхности при прохождении волн через узкую щель (с краю видны закругления плоских волн).

Дифракция света

– это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.

Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.

Для наблюдения дифракции можно:

— пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец.
— или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.

— наблюдение дифракции света на малом отверстии.

Объяснение картины на экране:

Французский физик О. Френель объяснил наличие полос на экране тем, что световые волны, приходящие из разных точек в одну точку на экране, интерферируют между собой.

Принцип Гюйгенса – Френеля

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой.
Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение явлению дифракции:

1. вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта (волновой фронт – это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени) , когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той же фазе;
2. вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют.

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.

Дифракционная решетка

— это оптический прибор для измерения длины световой волны.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Если на решетку падает монохроматическая волна . то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладыается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.

Итак, условие максимума:

где k – порядок (или номер) дифракционного спектра

Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому максимумы видны в виде раздельных линий, т.е. разрешающая сила решетки увеличивается.

Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на единицу длины решетки.

Дифракционная картина от тонкой проволоки

Дифракция в глазе

А ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Датский астроном Оле Рёмер знаменит тем, что впервые измерил скорость света, однако не только за это соотечественники говорят ему «спасибо». Именно благодаря Рёмеру в Копенгагене впервые в Европе появилось уличное освещение, ведь до этого горожанам приходилось носить с собой громоздкие фонари.
___

Интересно, что алмаз является не только рекордсменом по твердости и отражению света, но он может еще и снизить скорость света почти на половину — до 124 000 км/c.

Другие страницы по теме «Волновая оптика»:

Природа света. Измерение скорости света
Отражение света
Преломление света
Полное внутреннее отражение
Дисперсия света
Интерференция света
Дифракция света
Поляризация света

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля

Определение 1

Дифракция света – это явление отклонения света от прямолинейного направления его распространения во время прохождения рядом с препятствиями.

Из опыта видно, что определенные условия влияют на захождение геометрической тени на область.

Когда на пути встречается препятствие в виде диска, шарика или круглого отверстия, тогда экран, расположенный на большом расстоянии, покажет дифракционную картину, то есть систему чередующихся светлых и темных колец. При отверстии линейного характера (щели или нити) экран показывает параллельные дифракционные полосы.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Существование дифракционных явлений было задолго до времен Ньютона. Объяснение, основанное на корпускулярной теории, не давало должных результатов. Одним из первых объяснений явления дифракции, основанное на волновых представлениях, было дано Т. Юнгом. Еще в 1818 году была известна и развита количественная теория дифракционных явлений О. Френеля. Принцип Гюйгенса был заложен в основу. Он только дополнил при помощи идеи об интерференции вторичных волн.

Первоначальный вид данного принципа давал возможность нахождения положения фронтов в последующие моменты времени, иначе говоря, определял направление распространения волны. Это и есть принцип геометрической оптики. Впоследствии гипотеза Гюйгенса об огибающих вторичных волнах были заменены Френелем с помощью физически ясного положения, тогда вторичные волны в точке наблюдения интерферировали друг с другом.

Принципом Гюйгенса-Френеля считалась гипотеза, которая была со временем подтверждена. При решении задач, где необходимо использовать данный принцип, получение результата достаточно точное. На иллюстрации изображен принцип Гюйгенса-Френеля.

Рисунок 3.8.1 Принцип Гюйгенса-Френеля. ∆S1 и ∆S2_{– элементы волнового фронта, n1→ и n2→ — заданные нормали.}

Предположим, что поверхность S – положение волнового фронта в некоторый момент. Из теории волн известно, что он является поверхностью, где в заданных точках происходит колебание с одинаковым значением фазы. Волновыми фронтами плоской волны считают семейством параллельных плоскостей, которые перпендикулярно направлены относительно распространения волны. Волновые фронты сферической волны, которые испускаются при помощи точечного источника, относят к концентрическим сферам.

Для определения колебания в заданной точке P, которое вызвано волной, используя принцип Френеля, находят колебания, которые вызваны в этой точке с помощью отдельных вторичных волн, которые приходят от элементов поверхности S (∆S1, ∆S2 и так далее). Далее следует произвести сложение колебаний, учитывая амплитуды и фазы. Элементы, загороженные препятствиями, не учитываются при решении.

Для примера ниже приведена дифракционная задача прохождения плоской монохроматической волны, которая исходит от удаленного источника через отверстие с радиусом R непрозрачного экрана.

Рисунок 3.8.2 Дифракция плоской волны на экране, содержащем круглое отверстие.

Р – точка наблюдения, находящаяся на оси симметрии, располагаемого на L расстоянии относительно экрана. По принципу Гюйгенса-Френеля распределить на волновой поверхности вторичные источники, совпадающие с плоскостью отверстия, где волны достигают точки Р. Интерференция волн в этой точке является причиной возникновения результирующего колебания, квадрат амплитуды которого определяется при наличии значений длин волн λ, амплитуды A0_{падающей волны и расположением элементов.}

Чтобы расчеты были облегченными, волновая поверхность падающей волны разбивается на кольцевые зоны, называемыми зонами Френеля, исходя из правила: расстояния от границ соседних зон к точке Р имеют отличие на половину волны.

Иначе говоря, r1=L+λ2, r2=L+2λ2, r3=L+3λ2…

При рассмотрении волновой поверхности исходя из точки Р, тогда получим, что границы зон Френеля будут иметь вид концентрических окружностей. Наглядно это изображено на рисунке.

Рисунок 3.8.3 Границы зон Френеля в плоскости отверстия.

По рисунку 3.8.2 определяем радиусы ρmзон по формуле: ρm=ρm2-L2=mλL+m2λ24≈mλL.

Зоны Френеля. Интерференционный максимум

Из определений раздела оптики имеем, что λ<<L, тогда при решении можно пренебречь вторым подкоренным выражением. Для определения количества зон Френеля, которые укладываются на отверстии, используется формула, включающая в себя значение радиуса R: m=R2λL.

Значение m может быть любым числом. От него зависит результат интерференции вторичных волн, проходящих точку Р. Такие открытые зоны Френеля обладают одинаковым значением площади:

Sm=πρm2-πρm-21=πλL=S1.

По теории равные площади возбуждают колебания с одинаковой амплитудой в точке наблюдения. Но каждая последующая зона угла α, располагаемая между лучом, проводимым к точке наблюдения, и нормалью относительно волновой поверхности, возрастает. Предположения Френеля говорит о том, что при увеличении угла α происходит незначительное уменьшение колебаний, то есть:

A1>A2>A3>…>A1, где Amобозначает амплитуду колебаний, которые были вызваны при помощи m-ой зоны.

Используя приближение, видно, что амплитуда колебаний, которая вызвана определенной зоной, равняется среднему арифметическому соседних зон. Иначе это запишем как Am=Am-1+Am+12.

Отличие от двух соседних точек расстоянием λ2 говорит о том, что колебания, возбуждаемые этими зонами в состоянии противофазы. Соседние волны начинают гасить друг друга, а это приводит к тому, что суммарная амплитуда в точке запишется как:

A=A1–A2+A3–A4+…=A1–(A2–A3)–(A4–A5)–…<A1.

Отсюда делаем вывод, что суммарная амплитуда в точке меньше колебаний, вызванных только при помощи одной зоны Френеля. Если все имеющиеся зоны Френеля являлись открытыми, тогда к точке наблюдения двигалась волна с амплитудой A0, невозмущенная препятствием. Тогда запись принимает вид:

A=A0+A12-A2+A32+A32-A4+A52+…=A12.

Выражения в скобках равняются нулю, значит, амплитуда, вызванная волновым фронтом, равняется половине действий первой зоны.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Когда отверстие непрозрачного экрана дает возможность только одной зоне Френеля быть открытой, тогда наблюдается возрастание амплитуды колебаний в количестве 3 раз, а интенсивности – 4 раз. При открытии двух зон действие становится равным нулю. При наличии непрозрачного экрана с несколькими нечетными открытыми зонами, очевидно, что произойдет резкое возрастание амплитуды. При открытии 1, 3, 5 зон получим, что A=6·A0, I=36·I0.

Определение 2

Полученные пластинки обладают свойством фокусировки света, поэтому их называют зонными пластинками.

Круглый диск дает понять, что при дифракции зоны Френеля от 1 до m будут в закрытом состоянии. Отсюда получаем, что формула амплитуды колебаний примет вид:

A=Am+1-Am+2+Am+3-…=Am+12+Am+12-Am+2-Am+32+…

Иначе можно записать как A=Am+1 2, ибо выражения в скобках будут равняться нулю.

Определение 3

Когда диск может закрыть небольшие зоны, тогда Am + 1≈2A0 и A≈A0, можно наблюдать интерференционный максимум. Иначе его называют пятном Пуассона, которое окружается дифракционными кольцами светлого и темного цвета.

Пример 1

Чтобы углубиться в понятие, необходимо оценить зоны Френеля. Имеется дифракционная картина на экране с расстоянием равным L=1м, а значение длины волны света λ=600нм (красный). Отсюда получим, что радиусом первой зоны является ρ1=Lλ≈0,77мм.

Определение 4

Так как оптический диапазон имеет короткую волну, тогда соответственно зона Френеля также мала. Отчетливее проявление дифракционных явлений заметно при небольшом количестве зон на препятствии.

Получим формулы вида:

m=R2Lλ≥1 или R2≥Lλ.

Название данного соотношения — критерий наблюдения дифракции.

Когда количество зон Френеля из препятствия увеличивается, тогда дифракционные явления становятся незаметными:

m=R2Lλ>>1 или R2>>Lλ.

Определение границы применимости геометрической оптики возможно при помощи заданного неравенства. При выполнении данного условия узкий пучок света может быть сформирован.

Определение 5

Отсюда следует вывод, что волновая оптика – это предельный случай геометрической.

Выше рассмотренный случай относится к дифракции света с удаленным источником, располагаемом на препятствиях округлой формы. При расположении точечного источника света на конечном расстоянии сферически расходящаяся волна должна падать на препятствие. Данный случай усложняет задачу. Тогда построение зон Френеля необходимо выполнять на поверхности сферической формы, показанное на рисунке 3.8.4.

 Рисунок 3.8.4Зоны Френеля на сферическом фронте волны. 

При расчете видно, что радиусы ρmзон Френеля на волне сферического фронта запишется, как

ρm=aba+bλ.

Выводы по теории Френеля справедливы.

Дифракция и интерференция света применима к любым волнам, так как имеется общность закономерностей. Начало XIX века – это было время, когда ученые только начинали изучать волны, а физическая природа света еще не была раскрыта.

Рисунок 3.8.5 Модель дифракции света.

Рисунок 3.8.6 Модель зоны Френеля.

Свет (Серия 2. Дифракция света) — Передачи и шоу

Одним из значимых разделов физики является оптика. Она рассматривает различные явления света, исследует их природу, свойства и понятия, связанные с ними. Изучение закономерностей световых явлений даёт людям возможность лучше понимать мир и самих себя. Знания, полученные в этой области, позволяют создавать оптические приборы, которые открывают для человечества загадки макро- и микромира.

Несмотря на то, что свет является для нас привычным явлением, его природа непроста, поэтому, чтобы разобраться в ней, порой требуется немало усилий. Представленный сборник уроков направлен на то, чтобы облегчить процесс обучения и объяснить сложные вещи на элементарных примерах. Каждый видеоролик удачно совмещает в себе теоретическую часть с практической составляющей. В мини-уроках предлагается множество терминологических значений, формул и опытов.

С помощью лабораторных экспериментов преподаватель наглядно объяснит, что представляют собой дисперсия, спектр и дифракция света, покажет особенности изображения в вогнутом стекле и собирательной линзе, расскажет о том, как происходит поляризация света. Зрители познакомятся с камерой-обскура и линзой Френеля, узнают, почему в мире существует такое понятие, как миражи и каким образом они образуются.

Особенность данных уроков состоит в том, что их хронометраж обычно не превышает десяти минут. Благодаря этому в процессе обучения исключается перегрузка информацией, новые знания усваиваются гораздо легче и быстрее. Аудиовизуальный контент, которым дополнено каждое видео, превращает уроки физики в настоящий досуг и делает занятия интересными для всех возрастных групп.

Одним из значимых разделов физики является оптика. Она рассматривает различные явления света, исследует их природу, свойства и понятия, связанные с ними. Изучение закономерностей световых явлений даёт людям возможность лучше понимать мир и самих себя. Знания, полученные в этой области, позволяют создавать оптические приборы, которые открывают для человечества загадки макро- и микромира. Несмотря

Физика света и цвета — Дифракция света

Мы классически думаем, что свет всегда движется по прямым линиям, но когда световые волны проходят около барьера, они имеют тенденцию огибать этот барьер и распространяться. Дифракция света происходит, когда световая волна проходит через угол, отверстие или щель, которые физически имеют приблизительный размер или даже меньше длины волны этого света.

Очень простую демонстрацию дифракции можно провести, держа руку перед источником света и медленно смыкая два пальца, наблюдая за светом, проходящим между ними.Когда пальцы сближаются и сближаются, вы начинаете видеть серию темных линий, параллельных пальцам. Параллельные линии на самом деле являются дифракционными картинами. Это явление также может происходить, когда свет «огибает» частицы, которые имеют тот же порядок величины, что и длина волны света. Хорошим примером этого является дифракция солнечного света на облаках, которую мы часто называем серебряной подкладкой , показанной на Рисунке 1 с красивым закатом над океаном.

Мы часто можем наблюдать пастельные оттенки синего, розового, пурпурного и зеленого в облаках, которые образуются при дифрагировании света от капель воды в облаках. Степень дифракции зависит от длины волны света, при этом более короткие волны дифрагируют под большим углом, чем более длинные (в действительности, синий и фиолетовый свет дифрагируют под большим углом, чем красный свет). Когда световая волна, проходящая через атмосферу, встречает каплю воды, как показано ниже, она сначала преломляется на границе раздела вода : , затем она отражается , когда она снова встречает границу раздела.Луч, все еще движущийся внутри капли воды, снова преломляется, когда попадает на границу раздела в третий раз. Это последнее взаимодействие с границей раздела преломляет свет обратно в атмосферу, но также преломляет часть света, как показано ниже. Этот дифракционный элемент приводит к явлению, известному как гало Челлини (также известному как эффект Хайлигеншайна ), когда яркое кольцо света окружает тень головы наблюдателя.

Термины дифракция и рассеяние часто используются как синонимы и считаются почти синонимами. Дифракция описывает специальный случай рассеяния света, в котором объект с регулярно повторяющимися характеристиками (например, дифракционная решетка) производит упорядоченную дифракцию света в дифракционной картине. В реальном мире большинство объектов имеют очень сложную форму, и их следует рассматривать как состоящие из множества отдельных дифракционных элементов, которые в совокупности могут производить случайное рассеяние света.

Одной из классических и наиболее фундаментальных концепций, связанных с дифракцией, является эксперимент по однощелевой оптической дифракции, впервые проведенный в начале девятнадцатого века. Когда световая волна распространяется через щель (или апертуру), результат зависит от физического размера апертуры по отношению к длине волны падающего луча. Это проиллюстрировано на рисунке 3, предполагая, что когерентная монохроматическая волна, излучаемая точечным источником S , подобная свету, который излучается лазером , проходит через апертуру d и дифрагируется, при этом падает первичный падающий световой луч. в точке P и первых вторичных максимумах в точке Q .

Как показано в левой части рисунка, когда длина волны ( λ ) намного меньше ширины апертуры ( d ), волна просто движется вперед по прямой линии, как если бы она была присутствовала частица или отсутствовала апертура. Однако, когда длина волны превышает размер апертуры, мы испытываем дифракцию света в соответствии с уравнением :

sinθ = λ / d

Где θ — угол между центральным направлением распространения падающего света и первый минимум дифракционной картины.Эксперимент дает яркий центральный максимум, который с обеих сторон окружен вторичными максимумами, причем интенсивность каждого последующего вторичного максимума уменьшается по мере удаления от центра. Рисунок 4 иллюстрирует эту точку с графиком зависимости интенсивности луча от дифракционного радиуса. Обратите внимание, что минимумы, возникающие между вторичными максимумами, кратны π .

Этот эксперимент был впервые объяснен Огюстином Френелем, который вместе с Томасом Янгом предоставил важные доказательства, подтверждающие, что свет распространяется волнами.Из рисунков выше мы видим, как когерентный монохроматический свет (в этом примере, лазерное излучение ), испускаемый из точки L , дифрагирует на апертуре d . Френель предположил, что амплитуда максимумов первого порядка в точке Q (определяемая как ε _Q ) будет определяться уравнением :

d ε _Q = α (A / r ) f (χ) d

, где A — амплитуда падающей волны, r — расстояние между d и Q , а f (χ) — функция χ , коэффициент наклона, введенный Френелем.

Дифракция света

Изучите, как световой луч преломляется, когда проходит через узкую щель или отверстие. Отрегулируйте длину волны и размер апертуры и посмотрите, как это влияет на картину интенсивности дифракции.

Дифракция света играет первостепенную роль в ограничении разрешающей способности любого оптического инструмента (например, фотоаппаратов, биноклей, телескопов, микроскопов и глаза). Разрешающая способность — это способность оптического прибора создавать отдельные изображения двух соседних точек.Это часто определяется качеством линз и зеркал в приборе, а также свойствами окружающей среды (обычно воздуха). Волнообразная природа света ставит предел разрешающей способности всех оптических инструментов.

При обсуждении дифракции мы использовали щель в качестве апертуры, через которую дифрагирует свет. Однако все оптические инструменты имеют круглые отверстия, например зрачок глаза или круговую диафрагму и линзы микроскопа.Круглые отверстия создают дифракционные картины, аналогичные описанным выше, за исключением того, что картина естественным образом демонстрирует круговую симметрию. Математический анализ дифракционных картин, созданных круглой апертурой, описывается уравнением :

sinθ (1) = 1,22 (λ / d)

, где θ (1) — угловое положение минимумы дифракции первого порядка (первое темное кольцо), λ — длина волны падающего света, d — диаметр апертуры и 1.22 — постоянная величина. В большинстве случаев угол θ (1) очень мал, поэтому приближение, согласно которому sin и tan угла почти равны, дает :

θ (1) ≅ 1,22 (λ / d)

Из этих уравнений становится очевидным, что центральный максимум прямо пропорционален λ / d , что делает этот максимум более разбросанным для более длинных волн и для меньших апертур. Вторичная мимина дифракции ограничивает полезное увеличение линз объектива в оптической микроскопии из-за собственной дифракции света на этих линзах.Какой бы идеальной ни была линза, изображение точечного источника света, создаваемое линзой, сопровождается вторичными максимумами и максимумами более высокого порядка. От этого можно было избавиться, только если линза имела бесконечный диаметр. Два объекта, разделенных расстоянием менее θ (1) , не могут быть разрешены, независимо от того, насколько высока мощность увеличения. Хотя эти уравнения были получены для изображения точечного источника света на бесконечном расстоянии от апертуры, это разумное приближение разрешающей способности микроскопа, когда диаметр линзы объектива заменяется d .

Таким образом, если два объекта находятся на расстоянии D друг от друга и находятся на расстоянии L от наблюдателя, угол (выраженный в радианах) между ними равен :

θ = D / L

, что позволяет нам сжать последние два уравнения, чтобы получить :

D (0) = 1,22 (λL / d)

Где D (0) — минимальное расстояние между объекты, которые позволят их разрешить.Используя это уравнение, человеческий глаз может различать объекты, разделенные расстоянием 0,056 миллиметра, однако фоторецепторы в сетчатке недостаточно близко друг к другу, чтобы обеспечить такую ​​степень разрешения, и 0,1 миллиметра является более реалистичным числом при нормальных обстоятельствах.

Разрешающая способность оптических микроскопов определяется рядом факторов, в том числе обсуждаемыми, но в наиболее идеальных условиях это число составляет около 0,2 микрометра. Это число должно учитывать оптическую настройку микроскопа, качество линз, а также преобладающую длину волны света, используемого для изображения образца.Хотя часто нет необходимости рассчитывать точную разрешающую способность каждого объектива (что в большинстве случаев было бы пустой тратой времени), важно понимать возможности линз микроскопа в их применении в реальном мире.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист. ., Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

свет, огибающий объект

.

Дифракция света свет огибает объект Дифракция — это небольшое искривление света при его прохождении. край объекта. Степень изгиба зависит от относительный размер длины волны света к размеру открытие. Если отверстие намного больше длины волны света, изгиб будет практически незаметен.Однако если эти двое ближе по размеру или равно, величина изгиба значительна, и легко увидеть невооруженным глазом. В атмосфере дифрагированный свет фактически изгибается вокруг атмосферного частицы — чаще всего атмосферные частицы представляют собой крошечные частицы воды. капли, обнаруженные в облаках. Дифрагированный свет может давать полосы света, темные или цветные полосы. Оптический эффект, возникающий в результате дифракции света — это серебряная подкладка, которую иногда можно найти по краям облаков. или короны, окружающие солнце или луну.На рисунке выше показано, как свет (от солнца или луны) огибает маленькие капельки в облако. Оптические эффекты, возникающие в результате дифракции, возникают через интерференция световых волн. Чтобы визуализировать это, представьте световые волны как водные волны. Если бы водные волны падали на поплавок, на поверхности воды поплавок в ответ подпрыгивал вверх и вниз падающим волнам, создавая собственные волны. Как эти волны распространяются во все стороны от поплавка, они взаимодействуют с другие водные волны.Если гребни двух волн объединяются, усиливается волна (конструктивная интерференция). Однако если гребень одна волна и впадина другой волны объединяются, они гасят друг друга наружу, чтобы не было вертикального смещения (деструктивной интерференции). Это понятие применимо и к световым волнам. Когда солнечный свет (или лунный свет) встречает облачную каплю, световые волны изменяются и взаимодействуют с друг друга аналогично волнам на воде, описанным выше. Если есть конструктивная интерференция, (гребни двух световых волн совмещения) свет будет ярче.Если есть деструктивный интерференция (впадина одной световой волны встречает гребень другой), свет станет темнее или полностью исчезнет. Преломление воздух, пыль, дымка

Молекулярные выражения: наука, оптика и вы: свет и цвет

Дифракция света

Классически свет рассматривается как всегда движущийся по прямым линиям, но на самом деле световые волны имеют тенденцию огибать близлежащие препятствия и при этом распространяться.Это явление известно как дифракция и возникает, когда световая волна проходит через угол, отверстие или щель, размер которых приблизительно равен длине волны этого света или даже меньше.

Очень простую демонстрацию дифракции можно провести, держа руку перед источником света и медленно смыкая два пальца, наблюдая за светом, проходящим между ними. Когда пальцы сближаются и сближаются, начинает появляться серия темных линий, параллельных пальцам.Параллельные линии представляют собой пример дифракционных картин . Это явление также может происходить, когда свет изгибается вокруг частиц, которые имеют тот же порядок величины, что и длина волны света. Пример такой ситуации проиллюстрирован выше на Рисунке 1, который демонстрирует дифракцию солнечного света на облаках во время заката, что приводит к тому, что часто называют их серебряной подкладкой . Пастельные оттенки синего, розового, пурпурного и зеленого также иногда наблюдаются в облачном покрове и образуются, когда свет дифрагируется от капель воды в облаках.Величина возникающей дифракции зависит от длины волны света, и более короткие волны дифрагируют под большим углом, чем более длинные.

Изображение ниже дополнительно иллюстрирует, что происходит, когда световая волна, проходящая через атмосферу, встречает каплю воды. Как показано, свет сначала преломляется на границе раздела между воздухом и водой, а затем отражается, когда снова встречается с поверхностью раздела. Луч, все еще движущийся внутри капли воды, затем преломляется еще раз, когда попадает на границу раздела в третий раз.Это последнее взаимодействие с границей раздела преломляет свет обратно в атмосферу, но также преломляет часть света, как показано ниже. Этот дифракционный элемент приводит к явлению, известному как ореол Челлини или эффект Хайлигеншайна , при котором яркое кольцо света окружает тень от головы наблюдателя.

Термины дифракция и рассеяние часто используются как синонимы и считаются почти синонимами.Однако дифракция описывает специальный случай рассеяния света, в котором объект с регулярно повторяющимися характеристиками, например дифракционная решетка, производит упорядоченную дифракцию света в дифракционной картине. В реальном мире большинство объектов имеют очень сложную форму, и их следует рассматривать как состоящие из множества отдельных дифракционных элементов, которые в совокупности могут производить случайное рассеяние света.

Одна из самых классических и фундаментальных концепций дифракции может быть продемонстрирована с помощью эксперимента по оптической дифракции на одной щели, впервые проведенного в начале девятнадцатого века.То есть, когда световая волна распространяется через щель, физический размер апертуры по отношению к длине волны падающего луча определяет, как свет реагирует. Эта же концепция проиллюстрирована ниже на рисунке 2. Как показано в левой части рисунка, когда длина волны (-1 ) намного меньше, чем ширина апертуры (d ), волна просто распространяется вперед по прямой линии. точно так же, как если бы это была частица или не было отверстия.

Однако правая часть рисунка 2 иллюстрирует иную ситуацию.В этом случае длина волны света, излучаемого точечным источником, превышает размер апертуры, и свет дифрагируется, при этом первичный падающий луч света попадает в точку P , а первые вторичные максимумы возникают в точке Q . Такая ситуация приводит к дифракционной картине, которая состоит из яркой центральной части, называемой первичным максимумом , окруженной с обеих сторон вторичными максимумами , которые разделены темными участками, известными как минимумов .Вторичные максимумы уменьшаются по интенсивности по мере увеличения их расстояния от центра, области наибольшей интенсивности. Связь между размером отверстия и возникающей дифракцией можно продемонстрировать с помощью уравнения:

sinq = л / сут

, где q — угол между центральным направлением распространения падающего излучения и первым минимумом дифракционной картины. На рисунке 3 ниже эта точка дополнительно проиллюстрирована графиком зависимости интенсивности луча от дифракционного радиуса.Обратите внимание, что минимумы, возникающие между вторичными максимумами, кратны p .

Эксперимент по дифракции на одной щели был впервые объяснен Огюстином Френелем, который вместе с Томасом Янгом предоставил важные доказательства, подтверждающие, что свет распространяется волнами. Основываясь на своих выводах, Френель предположил, что амплитуда максимумов первого порядка в точке Q (определяемой как e _Q ) будет определяться уравнением:

d e _Q = a (A / r) f (c) d

, где A — амплитуда падающей волны, r — расстояние между d и Q , а f ( c ) — функция от c , коэффициент наклона введен Френелем.Важно отметить, что и это уравнение Френеля, и уравнение, связанное с ним ранее, предназначены только для описания поведения дифракции через отверстие в форме щели.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Тем не менее, круглые апертуры чрезвычайно важны, потому что все оптические инструменты имеют круглые апертуры.Об этом свидетельствуют зрачок глаза, круглая диафрагма и линзы микроскопа. Круглые апертуры создают дифракционные картины, аналогичные описанным ранее, но они, естественно, обладают круговой симметрией. Математический анализ дифракционных картин, полученных от круглой апертуры, дает уравнение:

sinq (1) = 1,22 (л / сут)

, где q (1) — угловое положение дифракционных минимумов первого порядка (первое темное кольцо), l — длина волны падающего света, d — диаметр апертуры, а 1.22 — постоянная величина. В большинстве случаев угол q (1) очень мал, поэтому приближение, согласно которому sin и tan угла почти равны, дает:

q (1) @ 1,22 (л / сут)

Из этих уравнений становится очевидным, что центральный максимум прямо пропорционален л / сут , что делает этот максимум более размытым для более длинных волн и для меньших апертур.

Дифракция играет первостепенную роль в ограничении разрешающей способности любого оптического прибора.Разрешающая способность — это способность оптического прибора создавать отдельные изображения двух соседних точек. Какой бы идеальной ни была линза, изображение точечного источника света, создаваемое линзой, сопровождается вторичными максимумами и максимумами более высокого порядка. Устранить это явление можно было, только если линза имела бесконечный диаметр. Два объекта, разделенных расстоянием менее q (1) , не могут быть разрешены, независимо от того, насколько высока степень увеличения.

Следовательно, важно понимать, что, хотя предыдущие уравнения были получены для изображения точечного источника света на бесконечном расстоянии от апертуры, разумное приближение разрешающей способности микроскопа может быть получено при замене d для диаметра линзы объектива.Следовательно, если два объекта находятся на расстоянии D друг от друга и находятся на расстоянии L от наблюдателя, угол (выраженный в радианах) между ними составляет:

q = D / L

Предыдущие два уравнения могут быть затем сжаты, чтобы дать:

D (0) = 1,22 (л / сут)

, где D (0) — минимальное расстояние между объектами, которое позволит их разрешить.Согласно этому уравнению, человеческий глаз должен уметь различать объекты, расположенные на расстоянии 0,056 миллиметра. Однако фоторецепторы сетчатки расположены недостаточно близко друг к другу, чтобы обеспечить такую ​​степень разрешения, и 0,1 миллиметра — более реалистичное число при нормальных обстоятельствах.

Разрешающая способность оптических микроскопов определяется рядом факторов, таких как оптическое выравнивание микроскопа, качество линз и преобладающая длина волны света, используемого для изображения образца.В идеальных условиях разрешающая способность составляет около 0,2 микрометра. Однако часто нет необходимости рассчитывать точную разрешающую способность каждого используемого объектива, но важно понимать возможности линз микроскопов в их применении к реальному миру.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Шеннон Х.Neaves и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

---

НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1998-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей.Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается командой

Graphics & Web Programming Team
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18

Количество обращений с 10 марта 2003 г .: 71494

Посетите сайты наших партнеров в сфере образования:

Праймер для молекулярных выражений для микроскопии: свет и цвет

Дифракция света

В своем трактате 1704 года по теории оптических явлений ( Opticks ) сэр Исаак Ньютон писал, что «никогда не известно, что свет следует кривым проходам или отклоняется в тени».Он объяснил это наблюдение тем, что описал, как частицы света всегда движутся по прямым линиям, и как объекты, расположенные на пути световых частиц, отбрасывают тень, потому что частицы не могут распространяться за объектом.

В целом эта гипотеза подтверждается кажущимися резкими краями теней, отбрасываемых лучами солнца. Однако в гораздо меньшем масштабе, когда световые волны проходят около барьера, они имеют тенденцию огибать этот барьер и распространяться под косыми углами.Это явление известно как дифракция света и возникает, когда световая волна проходит очень близко к краю объекта или через крошечное отверстие, такое как щель или апертура. Свет, проходящий через отверстие, частично перенаправляется из-за взаимодействия с краями. Пример дифракции света представлен на рисунке 1 для когерентного красного лазерного света, проходящего через очень крошечную линейную решетку, состоящую из серии полосок на предметном стекле микроскопа. Полосы преломляют лазерный свет в широко разнесенные периодические пучки яркого света, которые можно наблюдать на рисунке.Дифракция — это явление, подобное дисперсии, но не связанное с изменением длины волны света.

Яркие полосы, которые часто видны по краям геометрических теней, являются результатом дифракции. Когда световые волны, исходящие из удаленной точки света, падают на непрозрачный объект, они имеют тенденцию изгибаться по краям, изгибаясь как в тень, так и обратно на пути других световых волн от того же источника. Волны, которые изгибаются позади объекта, создают яркую линию там, где обычно начинается тень, но волны, которые отражаются на пути света, перекрывают волны от источника, создавая интерференционный узор светлых и темных полос по краю объекта (см. рисунок 2).Дифракцию часто объясняют с помощью принципа Гюйгенса , который гласит, что каждую точку волнового фронта можно рассматривать как источник новой волны.

В зависимости от обстоятельств, вызывающих явление, дифракция может восприниматься по-разному. Ученые умело использовали дифракцию нейтронов и рентгеновских лучей, чтобы выяснить расположение атомов в небольших ионных кристаллах, молекулах и даже в таких крупных макромолекулярных ансамблях, как белки и нуклеиновые кислоты.Электронная дифракция часто используется для изучения периодических свойств вирусов, мембран и других биологических организмов, а также синтетических и природных материалов. Не существует линзы, которая фокусировала нейтроны и рентгеновские лучи в изображение, поэтому исследователи должны реконструировать изображения молекул и белков по дифракционным картинам, используя сложный математический анализ. К счастью, магнитные линзы могут фокусировать дифрагированные электроны в электронном микроскопе, а стеклянные линзы очень полезны для фокусировки дифрагированного света для формирования оптического изображения, которое можно легко увидеть.

Очень простую демонстрацию дифракции света можно провести, держа одну руку перед сильным источником света и медленно сводя два пальца вместе, наблюдая за светом, проходящим между ними. Когда пальцы подходят друг к другу и очень близко друг к другу (почти соприкасаются), можно начать видеть серию темных линий, параллельных пальцам. Параллельные темные линии вместе с яркими областями между ними на самом деле представляют собой дифракционных картин .Этот эффект ясно продемонстрирован на рисунке 2 для дифракционных колец, которые появляются вокруг острых краев бритвенного лезвия, когда оно освещается интенсивным синим светом от лазерного источника.

Другой простой, но очень распространенный пример дифракции возникает, когда свет рассеивается или изгибается небольшими частицами, имеющими физические размеры того же порядка величины, что и длина волны света. Хорошим примером является распространение лучей автомобильных фар туманом или мелкими частицами пыли.Величина рассеяния и углы, принимаемые перенаправленными световыми лучами, зависят от размера и плотности частиц, вызывающих дифракцию. Рассеяние света, форма дифракции, также лежит в основе голубого цвета неба и часто красиво окрашенных восходов и закатов, которые можно наблюдать на горизонте. Если бы на Земле не было атмосферы (не хватало воздуха, воды, пыли и мусора), небо казалось бы черным даже в дневное время. Когда солнечный свет проходит через атмосферу Земли, локализованные объемы молекул газа с различной плотностью из-за колебаний температуры и количества присутствующего водяного пара будут рассеивать свет.Самые короткие длины волн (фиолетовые и синие) рассеиваются в наибольшей степени, придавая небу насыщенный темно-синий цвет. Когда в воздухе присутствует значительное количество пыли или влаги, более длинные (в основном красные) волны также рассеиваются вместе с синими длинами волн, в результате чего голубое небо становится белее.

Когда солнце находится высоко (около полудня) в чистой сухой атмосфере, большая часть видимого света, проходящего через атмосферу, не рассеивается в значительной степени, и солнце кажется почти белым на темно-синем фоне.Когда солнце начинает садиться, световые волны должны проходить через увеличивающееся количество атмосферы, обычно содержащей большее количество взвешенной пыли и влаги. В этих условиях более длинные волны света рассеиваются, и другие цвета начинают преобладать над цветом солнца, который варьируется от желтого до оранжевого, и, наконец, становится красным как раз перед тем, как опуститься за горизонт.

Мы часто можем наблюдать пастельные оттенки синего, розового, пурпурного и зеленого в облаках, которые создаются комбинацией эффектов, когда свет преломляется и дифрагируется от капель воды в облаках.Степень дифракции зависит от длины волны света, при этом более короткие волны дифрагируют под большим углом, чем более длинные (в действительности, синий и фиолетовый свет дифрагируют под большим углом, чем красный свет). Термины дифракция и рассеяние часто используются как синонимы и во многих случаях считаются почти синонимами. Дифракция описывает специальный случай рассеяния света, в котором объект с регулярно повторяющимися характеристиками (например, периодический объект или дифракционная решетка) создает упорядоченную дифракционную картину.В реальном мире большинство объектов имеют очень сложную форму, и их следует рассматривать как состоящие из множества отдельных дифракционных элементов, которые в совокупности могут производить случайное рассеяние света.

	Интерактивное учебное пособие по Java

В микроскопе рассеяние или дифракция света может происходить в плоскости образца из-за взаимодействия света с мелкими частицами или элементами, а также на краях передней линзы объектива или на краях круглой апертуры внутри или вблизи задняя часть объектива.Именно эта дифракция или распространение света позволяет наблюдать увеличенные изображения образцов в микроскопе, однако дифракция также ограничивает размер объектов, которые могут быть разрешены. Если свет проходит через образец и не поглощается или не дифрагирует, образец не будет виден через окуляры. Способ формирования изображения в микроскопе зависит от дифракции света на расходящиеся волны с последующей их рекомбинацией в увеличенное изображение посредством конструктивной и деструктивной интерференции.

Когда мы смотрим на образец напрямую или через микроскоп, телескоп или другой оптический инструмент, изображение, которое мы видим, состоит из множества перекрывающихся световых точек, исходящих из плоскости образца. Следовательно, внешний вид и целостность изображения из одной точки света имеет большое значение для формирования общего изображения. Поскольку световые лучи, формирующие изображение, дифрагируют, отдельная световая точка никогда не рассматривается как точка в микроскопе, а скорее как дифракционная картина, содержащая центральный диск или пятно света, имеющее конечный диаметр и окруженное серией затухания. колец.В результате изображение образца никогда не является точным представлением образца, и нижний предел накладывается на мельчайшие детали образца, которые могут быть разрешены. Разрешающая способность — это способность оптического прибора создавать четко разделенные изображения двух соседних точек. До точки, в которой дифракция ограничивает разрешение, качество линз и зеркал в приборе, а также свойства окружающей среды (обычно воздуха) определяют окончательное разрешение.

Некоторые из классических и наиболее фундаментальных экспериментов, которые помогают объяснить дифракцию света, были впервые проведены между концом семнадцатого и началом девятнадцатого веков итальянским ученым Франческо Гримальди, французским ученым Огюстеном Френелем, английским физиком Томасом Янгом и несколькими другими исследователями. Эти эксперименты включают распространение световых волн через очень маленькую щель (апертуру) и демонстрируют, что, когда свет проходит через щель, физический размер щели определяет, как щель взаимодействует со светом.Если длина световой волны намного меньше, чем ширина апертуры или щели, световая волна просто движется вперед по прямой линии после прохождения, как это было бы, если бы апертура отсутствовала (как показано на рисунке 3). Однако, когда длина волны превышает размер щели, происходит дифракция света, вызывающая формирование дифракционной картины, состоящей из яркой центральной части (первичный максимум ), ограниченных с обеих сторон серией вторичных максимумов, разделенных темными областями ( минимумов ; см. рисунок 4).Максимумы и минимумы создаются интерференцией дифрагированных световых волн. Каждая следующая яркая полоса становится менее интенсивной по мере удаления от центрального максимума. Ширина центральной яркой части и расстояние между сопутствующими боковыми полосами зависят от размера апертуры (щели) и длины волны света. Это соотношение может быть описано математически и демонстрирует, что ширина центрального максимума уменьшается с уменьшением длины волны и увеличением ширины апертуры, но никогда не может быть уменьшена до размера точечного источника света.

Распределение интенсивности света, дифрагированного в эксперименте с одной щелью, представлено на рисунках 3 и 4. Предполагается, что оба световых луча на рисунке 3 состоят из когерентных монохроматических волн, излучаемых точечным источником, который находится достаточно далеко от щели. чтобы волновые фронты считались линейными и параллельными. Свет, проходящий через апертуру d в правой части рисунка, имеет длину волны, превышающую апертуру, и дифрагирует, при этом первичный падающий луч света попадает в точку P , а первый вторичный максимум — в точке Q . .Как показано в левой части рисунка 3, когда длина волны намного меньше ширины апертуры ( d ), волна просто проходит по прямой линии, как если бы это была частица или без апертуры. были представлены. Однако, когда длина волны превышает размер апертуры, она дифрагируется с образованием центрального пика, содержащего большую часть интенсивности света, сопровождаемого вторичными максимумами более высокого порядка и минимумами интенсивности, регулируемыми в соответствии с уравнением:

sin (q) = мл / сут

, где q — угол между центральным направлением распространения падающего излучения и первым минимумом дифракционной картины, а м. указывает порядковый номер максимумов более высокого порядка.Интенсивность света максимальна при q = ноль градусов и уменьшается до минимума (где интенсивность равна нулю) под углами, определяемыми приведенным выше уравнением. Эксперимент дает яркий центральный максимум, который с обеих сторон ограничен вторичными максимумами, причем интенсивность каждого последующего вторичного максимума уменьшается по мере удаления от центра. Рисунок 4 иллюстрирует этот принцип с помощью графика зависимости интенсивности луча от дифракционного радиуса. Обратите внимание, что минимумы, возникающие между вторичными максимумами, расположены в кратных числах числа пи ( p ).

И в эксперименте, описанном выше, и в демонстрации дифракции с использованием света, проходящего между пальцами, используется узкая щель в качестве апертуры для создания дифракционной картины. Во всех оптических приборах, включая микроскопы, используются круглые линзы и апертуры, как и в самом человеческом глазу. Круглые отверстия вызывают аналогичные явления дифракции, но с круговой симметрией (вместо линейной геометрии, как в случае щелей). Таким образом, дифракционная картина точечного источника света при большом увеличении представляет собой центральный яркий диск, окруженный серией дифракционных колец (вторичные максимумы и минимумы).Когда линза, такая как линза объектива микроскопа, правильно сфокусирована, интенсивность света в минимумах между яркими кольцами в шаблоне равна нулю. Независимо от того, насколько совершенна линза, вторичные дифракционные максимумы не могут быть устранены, а центральное пятно не может быть сведено к одной световой точке (если только линза не может быть сделана с бесконечным диаметром).

	Интерактивное учебное пособие по Java

Центральное дифракционное пятно или диск называется диском Эйри в честь сэра Джорджа Эйри, описавшего многие аспекты этой концепции в девятнадцатом веке.Образец диска Эйри (проиллюстрированный на рисунке 5) является прямым результатом дифракции и демонстрирует изменение точек света, составляющих изображение, с помощью оптического инструмента, такого как микроскоп. Подобно дифракции на щели, размер центрального диска, создаваемого круглыми линзами, связан с длиной волны света и диаметром или апертурным углом линзы. В случае, если объектив камеры или телескопа принимает свет от объекта на большом (бесконечном) расстоянии, угол открытия зависит от фокусного отношения f / D , где D — диаметр объектива, а f — фокусное расстояние.Фокусное отношение обычно обозначается в фотографии как f — номер объектива. Угол апертуры можно рассматривать как угловой диаметр линзы, измеренный от контрольной точки на апертуре линзы до точки в плоскости изображения, расположенной на фокусном расстоянии ( f ) от линзы. Радиус дифракционного диска ( d ) определяется соотношением :

д = 1.22 л ( ф / Д)

В линзах объектива, используемых в микроскопе, используется концепция числовой апертуры ( NA ) вместо угловой апертуры. Определение числовой апертуры включает показатель преломления среды, расположенной между передней частью линзы и предметным стеклом микроскопа, и половину угла, под которым линза может собирать свет от ближайшего образца, помещенного на фокусном расстоянии. Используя переменную n для обозначения показателя преломления и q для полуугловой апертуры, числовая апертура объектива микроскопа определяется как:

NA (числовая апертура) = n sin (q)

Радиус дифракционного пятна ( r ) для точки света в плоскости изображения (см. Рисунок 4) определяется соответствующим выражением :

г = 1.22 л / (2NA)

Образцы дисков Эйри вместе с функциями рассеяния точек при трех гипотетических разрешениях представлены на рисунке 5. Функция рассеяния точки представляет собой трехмерное представление дифракционной картины, возникающей вдоль оптической оси микроскопа. По мере увеличения разрешения по горизонтали размер диска Эйри уменьшается, а соответствующая функция рассеяния точки сужается. Это можно продемонстрировать, наблюдая за рисунком, сравнив диск Эйри и функцию рассеяния точки на (a), которые отображают самое низкое разрешение, с соответствующим набором на (c), которые имеют самое высокое разрешение в группе.Экспериментально разрешение можно увеличить, уменьшив длину волны света, используемого для изображения образца (например, от белого света до синего) или увеличив числовую апертуру объектива и конденсора. В большинстве случаев проще и практичнее выбрать объектив с более высокой числовой апертурой, чтобы повысить разрешение изображений, получаемых с помощью микроскопа.

Независимо от того, формируется ли изображение в микроскопе или другом оптическом приборе, размер дифрагированной точки света становится меньше с уменьшением длины волны или увеличением числовой апертуры, но всегда остается диском, который больше точки света, исходящей из образец (или другой объект), отображаемый.При оценке разрешения, которое возможно с помощью микроскопа, если размер отдельного дифракционного пятна является ограничивающим фактором (а не аберрации линзы или другие переменные), полученное изображение считается с ограничением дифракции . Таким образом, для любого оптического прибора способность собирать свет фиксируется апертурным углом или числовой апертурой, а полученное разрешение регулируется путем изменения этих значений и длины волны света, используемого для захвата изображения, чтобы получить наименьший размер дифракционного диска. это возможно с инструментом.Только когда детали образца, видимые на изображении, превышают этот ограничивающий размер диска, можно делать выводы о размере, форме и расположении деталей.

Соавторы

Томас Дж. Феллерс и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

---

НАЗАД К РАССЕИВАНИЮ СВЕТА

НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1998-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается командой

Graphics & Web Programming Team
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18

Счетчик доступа с 8 июня 1998 г .: 139479

Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов,

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Что такое дифракция света

Известно, что световые волны ведут себя одним из трех способов, когда достигают границы среды. То есть конец одной среды и / или начало другой.Они либо отражаются, либо преломляются, либо дифрагируют.

• Дифракция — это явление, при котором волна меняет направление, огибая объект на своем пути или проходя через отверстие.
• Отражение происходит, когда волна входит в контакт с поверхностью, отражается от поверхности и перенаправляется обратно в исходную среду.
• Преломление — это изменение направления волны при переходе из одной физической среды в другую.Например, направление меняется, когда волна переходит от воды к воздуху.

Эти явления характерны не только для видимых световых волн. Фактически, их можно наблюдать для любой волны, включая звуковые волны, волны на воде или любую волну в электромагнитном спектре. Однако этот блог будет посвящен чудесам дифракции видимых световых волн.

Дифракция света — сложная тема, но в Rainbow Symphony мы очень гордимся тем, что являемся воротами к радостям науки для учащихся на всех уровнях.Мы шаг за шагом познакомим вас с основами и покажем, как вы можете проводить свои собственные забавные эксперименты и изучать науку дифракции.

Принцип Гюйгена

Начнем с принципа Гюйгена. Христиан Гюйгенс был блестящим голландским физиком, математиком, изобретателем и астрономом, особенно известным своим вкладом в оптику и механику. Объяснения всех трех явлений поведения световых волн основаны на принципе Гюйгена, который гласит, что каждая точка волнового фронта является источником вейвлетов, которые распространяются вперед с одинаковой скоростью.

Что такое видимый свет?

Все электромагнитные волны являются светом, но человеческий глаз видит только свет определенного участка электромагнитного спектра. Электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 760 нм видно человеческому глазу. Этот диапазон называется спектром видимого света. В электромагнитном спектре видимый световой спектр находится между инфракрасными и ультрафиолетовыми волнами. Видимые эффекты дифракции наиболее выражены, когда длина отверстия, через которое проходит волна, близка к длине волны света.

Примеры дифракции света в природе

Примеры дифракции света в природе можно наблюдать каждый день! Возьмем, к примеру, «серебряную подкладку» облака. Этот визуальный эффект является результатом того, что солнечный свет огибает край облака. Различные цвета, которые иногда наблюдаются в облаках, — еще один пример дифракции света, на этот раз каплями воды в облаках. Это называется облачной радужностью и чаще всего наблюдается в перисто-кучевых, высококучевых, линзовидных и перистых облаках.Разные цвета показывают, как волны разной длины по-разному дифрагируют и «рассеиваются».

Еще одним прекрасным примером дифракции света в природе являются световые кольца (корона), наблюдаемые вокруг Солнца и других небесных тел. Это вызвано дифракцией световой волны на мелких частицах в атмосфере. Даже кажущийся голубой цвет неба является примером действия дифракции света. Когда солнечный свет попадает в атмосферу Земли, цвета более длинных волн просто проходят сквозь нее.Однако синий цвет, который имеет относительно короткую длину волны, дифрагирует и рассеивается при столкновении с молекулами атмосферы.

Дифракционная решетка

Вы можете наблюдать за цветовым спектром света, наблюдая за источником света через дифракционную решетку в темной комнате. Дифракционная решетка используется для разделения света на составляющие его цвета. Это расположение большого количества равноудаленных параллельных узких царапин одинаковой ширины, разделенных равными непрозрачными участками.

Как гласит принцип Гюйгена, когда световая волна входит в контакт с дифракционной решеткой, свет рассеивается, образуя множество точечных источников с центрами на каждой щели. Конструктивная и деструктивная интерференция между «новыми» световыми волнами происходит там, где их впадины и пики встречаются или противостоят друг другу соответственно.

Конструктивная интерференция возникает в разных направлениях для разных цветов из-за разной длины волны цветов, составляющих видимый спектр.Основываясь на этом, мы можем направить дифракционную решетку на источник белого света и увидеть различные цвета в спектре.

Купить в нашем магазине сегодня

Изучите ассортимент забавных товаров в магазине Rainbow Symphony, чтобы продолжить изучение дифракции света, включая наши дифракционные очки и радужные солнечные ловушки. У нас также есть три типа слайдов дифракционной решетки: слайд дифракционной решетки с двойной осью 13 500 линий / дюйм, линейный слайд дифракционной решетки 1000 линий / мм и линейный слайд дифракционной решетки 500 линий / мм.

Свяжитесь с нашей командой Rainbow Symphony сегодня, чтобы помочь вам добавить ярких красок в вашу жизнь и превратить обычные впечатления в необычные. Кроме того, продолжайте заходить в наш блог, чтобы найти интересные дискуссии по всем вопросам, связанным со светом и цветом.

световых | Определение, свойства, физика, характеристики, типы и факты

свет , электромагнитное излучение, которое может быть обнаружено человеческим глазом. Электромагнитное излучение происходит в чрезвычайно широком диапазоне длин волн, от гамма-лучей с длинами волн менее примерно 1 × 10 ⁻¹¹ метров до радиоволн, измеряемых в метрах.В пределах этого широкого спектра длины волн, видимые человеку, занимают очень узкую полосу, от примерно 700 нанометров (нм; миллиардных долей метра) для красного света до примерно 400 нм для фиолетового света. Спектральные области, прилегающие к видимому диапазону, часто также называют светом, инфракрасным с одного конца и ультрафиолетовым с другого. Скорость света в вакууме — фундаментальная физическая константа, принятое в настоящее время значение которой составляет точно 299 792 458 метров в секунду, или около 186 282 миль в секунду.

видимый спектр света

Когда белый свет распространяется призмой или дифракционной решеткой, появляются цвета видимого спектра. Цвета различаются в зависимости от длины волны. У фиолетового цвета самые высокие частоты и самые короткие длины волн, а у красного — самые низкие частоты и самые длинные волны.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Популярные вопросы

Что такое свет в физике?

Свет — это электромагнитное излучение, которое может быть обнаружено человеческим глазом.Электромагнитное излучение происходит в чрезвычайно широком диапазоне длин волн, от гамма-лучей с длинами волн менее примерно 1 × 10 ⁻¹¹ метров до радиоволн, измеряемых в метрах.

Какая скорость света?

Скорость света в вакууме — фундаментальная физическая константа, и в настоящее время принятое значение составляет 299 792 458 метров в секунду, или около 186 282 миль в секунду.

Что такое радуга?

Радуга образуется, когда солнечный свет преломляется сферическими каплями воды в атмосфере; два преломления и одно отражение в сочетании с хроматической дисперсией воды создают первичные цветные дуги.

Почему свет важен для жизни на Земле?

Свет — это основной инструмент восприятия мира и взаимодействия с ним для многих организмов. Свет от Солнца согревает Землю, управляет глобальными погодными условиями и инициирует поддерживающий жизнь процесс фотосинтеза; около 10 ²² джоулей солнечной лучистой энергии достигают Земли каждый день. Взаимодействие света с материей также помогло сформировать структуру Вселенной.

Как цвет соотносится со светом?

В физике цвет связан с электромагнитным излучением определенного диапазона длин волн, видимым человеческим глазом.Излучение таких длин волн составляет часть электромагнитного спектра, известную как видимый спектр, то есть свет.

Нет однозначного ответа на вопрос «Что такое свет?» удовлетворяет множество контекстов, в которых свет переживается, исследуется и используется. Физика интересуют физические свойства света, художника — эстетическая оценка визуального мира. Через зрение свет является основным инструментом восприятия мира и общения в нем.Свет от Солнца согревает Землю, влияет на глобальные погодные условия и запускает поддерживающий жизнь процесс фотосинтеза. В самом большом масштабе взаимодействие света с материей помогло сформировать структуру Вселенной. Действительно, свет открывает окно во Вселенную, от космологического до атомного масштаба. Практически вся информация об остальной Вселенной достигает Земли в виде электромагнитного излучения. Интерпретируя это излучение, астрономы могут заглянуть в самые ранние эпохи Вселенной, измерить общее расширение Вселенной и определить химический состав звезд и межзвездной среды.Подобно тому, как изобретение телескопа резко расширило возможности исследования Вселенной, изобретение микроскопа открыло замысловатый мир клетки. Анализ частот света, излучаемого и поглощаемого атомами, был основным стимулом для развития квантовой механики. Атомная и молекулярная спектроскопия по-прежнему является основным инструментом для исследования структуры вещества, обеспечивая сверхчувствительные тесты атомных и молекулярных моделей и способствуя изучению фундаментальных фотохимических реакций.

Солнце

Солнце светит из-за облаков.

© Matthew Bowden / Fotolia

Свет передает пространственную и временную информацию. Это свойство лежит в основе оптики и оптических коммуникаций, а также множества связанных технологий, как зрелых, так и новых. Технологические приложения, основанные на манипуляциях со светом, включают лазеры, голографию и волоконно-оптические телекоммуникационные системы.

В большинстве повседневных обстоятельств свойства света могут быть получены из теории классического электромагнетизма, в которой свет описывается как связанные электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве как бегущая волна.Однако этой волновой теории, разработанной в середине XIX века, недостаточно для объяснения свойств света при очень низких интенсивностях. На этом уровне необходима квантовая теория для объяснения характеристик света и объяснения взаимодействий света с атомами и молекулами. В своей простейшей форме квантовая теория описывает свет как состоящий из дискретных пакетов энергии, называемых фотонами. Однако ни классическая волновая модель, ни классическая модель частиц не описывает правильно свет; свет имеет двойственную природу, которая раскрывается только в квантовой механике.Этот удивительный дуализм волна-частица присущ всем основным составляющим природы (например, электроны имеют как частицы, так и волновые аспекты). С середины 20 века физики считают завершенной более полную теорию света, известную как квантовая электродинамика (КЭД). КЭД сочетает в себе идеи классического электромагнетизма, квантовой механики и специальной теории относительности.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Эта статья посвящена физическим характеристикам света и теоретическим моделям, которые описывают природу света. Его основные темы включают введение в основы геометрической оптики, классические электромагнитные волны и эффекты интерференции, связанные с этими волнами, а также основополагающие идеи квантовой теории света. Более подробные и технические презентации этих тем можно найти в статьях оптика, электромагнитное излучение, квантовая механика и квантовая электродинамика. См. Также относительность , чтобы узнать, как рассмотрение скорости света, измеренной в различных системах отсчета, имело решающее значение для развития специальной теории относительности Альберта Эйнштейна в 1905 году. world

Хотя есть явные доказательства того, что простые оптические инструменты, такие как плоские и изогнутые зеркала и выпуклые линзы, использовались рядом ранних цивилизаций, древнегреческим философам обычно приписывают первые формальные предположения о природе света.Концептуальные препятствия, связанные с различением человеческого восприятия визуальных эффектов и физической природы света, препятствовали развитию теорий света. Созерцание механизма зрения доминировало в этих ранних исследованиях. Пифагор ( ок. 500 до н. Э.) Предположил, что зрение вызывается визуальными лучами, исходящими из глаза и поражающими объекты, тогда как Эмпедокл ( ок. 450 до н. предметы и глаз.Эпикур ( c. 300 до н. Э.) Считал, что свет излучается источниками, отличными от глаза, и что зрение возникает, когда свет отражается от объектов и попадает в глаз. Евклид ( c. 300 до н. Э.) В своей работе Optics представил закон отражения и обсудил распространение световых лучей по прямым линиям. Птолемей ( c. 100 гг. Н. Э.) Предпринял одно из первых количественных исследований преломления света при его переходе от одной прозрачной среды к другой, составив таблицы пар углов падения и пропускания для комбинаций нескольких сред.

Пифагор

Пифагор, портретный бюст.

© Photos.com/Jupiterimages

С упадком греко-римского царства научный прогресс переместился в исламский мир. В частности, аль-Махмун, седьмой аббасидский халиф Багдада, основал Дом мудрости (Байт аль-Хикма) в 830 году н. Э. Для перевода, изучения и улучшения эллинистических научных и философских работ. Среди первых ученых были аль-Хваризми и аль-Кинди. Аль-Кинди, известный как «арабский философ», расширил концепцию прямолинейного распространения световых лучей и обсудил механизм зрения.К 1000 году от пифагорейской модели света отказались, и появилась лучевая модель, содержащая основные концептуальные элементы того, что сейчас известно как геометрическая оптика. В частности, Ибн аль-Хайтам (латинизированный как Альхазен) в Китаб аль-маназир ( ок. 1038; «Оптика») правильно отнес зрение к пассивному восприятию отраженных от объектов световых лучей, а не к активному излучению. световых лучей из глаз. Он также изучил математические свойства отражения света от сферических и параболических зеркал и нарисовал подробные изображения оптических компонентов человеческого глаза.Работа Ибн аль-Хайсама была переведена на латынь в 13 веке и оказала большое влияние на францисканского монаха и натурфилософа Роджера Бэкона. Бэкон изучал распространение света через простые линзы и считается одним из первых, кто описал использование линз для коррекции зрения.

Роджер Бэкон

Английский философ-францисканец и реформатор образования Роджер Бэкон, изображенный в его обсерватории во францисканском монастыре, Оксфорд, Англия (гравюра около 1867 года).

© Photos.com/Thinkstock

Учебное пособие по физике: волновое поведение света

Вековая дискуссия, которая продолжается среди ученых, связана с вопросом: «Является ли свет волной или потоком частиц?» Заслуживающие внимания и выдающиеся физики рассмотрели каждую сторону аргумента, предоставив множество свидетельств каждой из сторон. Дело в том, что свет проявляет поведение, характерное как для волн, так и для частиц. В этом разделе Учебного пособия по физике основное внимание будет уделено волнообразной природе света.

Свет проявляет определенные поведения, характерные для любой волны, и их трудно объяснить с точки зрения чисто частиц. Свет отражается так же, как и любая волна. Свет преломляется так же, как и любая волна. Свет дифрагирует так же, как дифрагирует любая волна. Свет подвергается интерференции так же, как и любая волна. И свет проявляет эффект Доплера так же, как любая волна проявляет эффект Доплера.Свет ведет себя в соответствии с нашим концептуальным и математическим пониманием волн. Поскольку свет ведет себя как волна, есть все основания полагать, что это может быть волна. В Уроке 1 мы исследуем разнообразие поведения, свойств и характеристик света, которые, кажется, подтверждают волновую модель света. На этой странице мы сосредоточимся на трех конкретных вариантах поведения — отражении, преломлении и дифракции.

Волна не просто останавливается, когда достигает конца среды.Скорее, волна будет претерпевать определенные действия, когда встречается с концом среды. В частности, будет некоторое отражение от границы и некоторая передача в новую среду. Проходящая волна преломляется (или изгибается), если приближается к границе под углом. Если граница представляет собой просто препятствие, имплантированное в среду, и если размеры препятствия меньше, чем длина волны, тогда будет очень заметная дифракция волны вокруг объекта.Каждое из этих поведений — отражение, преломление и дифракция — характеризуется конкретными концептуальными принципами и математическими уравнениями. Отражение, преломление и дифракция волн были впервые представлены в Разделе 10 учебного пособия по физике. В Разделе 11 учебного курса по физике обсуждались отражение, преломление и дифракция звуковых волн. Теперь мы увидим, как световые волны демонстрируют свою волновую природу посредством отражения, преломления и дифракции.

Отражение световых волн

Известно, что все волны подвержены отражению , или отражению от препятствия.Большинство людей привыкли к тому, что световые волны тоже отражаются. Отражение световых волн от зеркальной поверхности приводит к формированию изображения. Одной из характеристик отражения волны является то, что угол, под которым волна приближается к плоской отражающей поверхности, равен углу, под которым волна покидает поверхность. Эта характеристика наблюдается для волн на воде и звуковых волн. Это также наблюдается для световых волн. Свет, как и любая волна, при отражении от поверхностей подчиняется закону отражения.Более подробно об отражении световых волн мы поговорим в Блоке 13 Физического кабинета. Пока достаточно сказать, что отражающее поведение света свидетельствует о волнообразной природе света.

Преломление световых волн

Известно, что все волны претерпевают рефракцию , когда они переходят из одной среды в другую. То есть, когда волновой фронт пересекает границу между двумя средами, направление движения волнового фронта внезапно изменяется; путь «изогнут».«Такое поведение рефракции волны можно описать как концептуальными, так и математическими принципами. Во-первых, направление« изгиба »зависит от относительной скорости двух сред. Волна изгибается в одну сторону, когда проходит из среды, в которой она медленно перемещается в среду, в которой он перемещается быстро; и при перемещении от быстрой среды к медленной среде , фронт волны будет изгибаться в противоположном направлении. Во-вторых, величина изгиба зависит от фактических скоростей движения два носителя с каждой стороны границы.Величина изгиба — это измеримое поведение, которое следует определенным математическим уравнениям. Эти уравнения основаны на скоростях волны в двух средах и углах, под которыми волна приближается и отходит от границы. Известно, что свет, как и любая волна, преломляется при переходе из одной среды в другую. Фактически, исследование преломления света показывает, что его преломляющее поведение подчиняется тем же концептуальным и математическим правилам, которые управляют преломляющим поведением других волн, таких как волны на воде и звуковые волны.Более подробно преломление световых волн будет обсуждаться в Разделе 14 учебного курса по физике. Пока достаточно сказать, что преломление света свидетельствует о волнообразной природе света.

Дифракция световых волн

Отражение включает изменение направления волн, когда они отскакивают от преграды. Преломление волн включает изменение направления волн, когда они переходят из одной среды в другую.А дифракция включает изменение направления волн, когда они проходят через отверстие или вокруг препятствия на своем пути. Волны на воде могут перемещаться по углам, препятствиям и прорезям. Звуковые волны делают то же самое. А что насчет света? Огибают ли световые волны препятствия и отверстия? Если они это сделают, то это предоставит еще больше доказательств, подтверждающих веру в то, что свет ведет себя как волна.

Когда свет встречает препятствие на своем пути, препятствие блокирует свет и имеет тенденцию вызывать образование тени в области позади препятствия.Свет не проявляет очень заметной способности огибать препятствие и заполнять светом область позади него. Тем не менее, свет рассеивается вокруг препятствий. На самом деле, если вы внимательно посмотрите на тень, вы заметите, что ее края очень нечеткие. Эффекты интерференции возникают из-за дифракции света вокруг разных сторон объекта, в результате чего тень объекта становится нечеткой. Это часто демонстрируется в классе физики с помощью лазерного луча и демонстрации копейки.Свет, рассеивающийся вокруг правого края пенни, может конструктивно и разрушительно мешать свету, рассеивающемуся вокруг левого края пенни. В результате создается интерференционная картина; узор состоит из чередующихся колец света и тьмы. Такой рисунок заметен только в том случае, если узкий луч монохроматического света (то есть света с одной длиной волны) направлен на монету.

Что такое дифракция света: ДИФРАКЦИЯ СВЕТА • Большая российская энциклопедия