Общие сведение о дифракции

№111-1,

физико-математические науки

В данной статье будет рассматриваться общие сведения о дифракции. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы. Поскольку в большинстве случаев, имеющих практическое значение, это ограничение ширины волнового фронта имеет место всегда, явление дифракции сопровождает любой процесс распространения волн. Именно явлением дифракции задаётся предел разрешающей способности любого оптического прибора, создающего изображение, который невозможно преступить принципиально при заданной ширине спектра излучения, используемого для построения изображения.

Похожие материалы

Что такое дифракция? Дифракция — это физическое явление, при котором происходит огибание препятствий. При дифракции тип волн не играет большой роль, она наблюдается и для звука, и для света, и для других волновых процессов. Например, дифракция электромагнитных волн в различных диапазонах наблюдаются повседневно. Примером служит обычное радио. При прослушивании любимой песни многие даже не представляют, как волна заходит в закрытое помещение. В этом и есть чудо дифракции.

Дифракция волн это огибание волнами различных препятствий. Другой случай дифракции волн это отклонение волны в сторону геометрической тени, который проходит через отверстие малого размера. Диаметр отверстия на много меньше длины волны.

Дифракция световых волн — это физическое явление огибания световыми волнами границ непрозрачных тел. Дифракцию, возможно, наблюдать, если размеры препятствий приближенно колеблются в интервале порядка . Этот интервал соответствует для видимого света.

Таким образом, дифракцией является отклонение от прямолинейного распространения света и ее проникновение в недоступную, на первый взгляд, геометрическую тень. При дифракции нарушаются законы геометрической оптики. В реальных условиях, без каких-либо физических приборов, можно увидеть явление дифракции света. Надо только внимательно посмотреть на тень нашего предмета, который освещается удаленным источником света. Если границы тени размытые или нечеткие, то мы наблюдаем прекрасное явление, которое называется дифракция световых волн.

Для более подробного раскрытия темы самые значимые открытия известных ученых по данной теме рассмотрим отдельно.

Франческо Гримальди (1618-1663)

Дифракция света была открыта в 17 веке, итальянским ученым Ф. Гримальди. Определение своему открытия он дал сам. В 1665 году, после смерти ученого, работа была опубликована. Объяснение этому интересному явлению было дано лишь в 19 веке французским ученым О. Френелем. В ранние годы своей жизни, Гримальди изучал астрономию. Его руководителем был итальянский астроном Дж. Риччиолли. В дальнейшем он увлекся проблемами оптики. В последние годы своей жизни, Гримальди писал книгу по оптике, которая опубликована лишь после его смерти. Он, когда наблюдал за тенью, заметил, что тень от нити на экране отличается от размеров самой нити. Тень становилась шире. Это противоречило закону прямолинейного распространения света. Интересно было и то, что по обе стороны тени были видны радужные полосы. Гримальди не смог объяснить природу этого явления. Он понимал, что дифракция является противоречием с законом прямолинейного распространения света. Следовательно, это доказывало противоречивость корпускулярной теории. Но он не смог полностью отказаться от этой теории. Гримальди предполагал, что свет — это световой флюид (тонкая неощутимая жидкость). Когда света встречается с препятствием, то оно вызывает волны флюида. Именно Гримальди является автором сравнения явления дифракции с брошенным в воду камнем. Открытие дифракции света и ее объяснение является доказательством волновой природы света.

Исаак Ньютон (1643-1727)

Еще во времена Ньютона дифракция вызывала интерес среди ученых. Сам Ньютон заинтересовался этим явлением. Много времени уделял оптике. К многочисленному списку открытий Ньютона относится открытие дисперсии света. Занимаясь исследованием оптики, он не смог пропустить открытия, которые были уже открыты до него. Ньютон пытался дать свое объяснение явлений исходя из корпускулярной теории. Когда он столкнулся с явлением дифракция, сразу выдвинул свое мнение об этом явлении. В скором времени, появилось его объяснение. Ньютон утверждал, что когда свет проходит мимо экрана, то между частицами, из которых состоит экран, и световыми лучами (атомами света) действуют силы притяжения. Поэтому лучи устремляются в область геометрической тени. Приведенное утверждение было неправильным, но объяснение казалось более чем убедительным. Может быть, авторитет Ньютона сыграл свою роль в признании его ошибочного утверждения.

Ньютон пытался связать представление о свете, как о направленном движении корпускул, исходя из волновой теории. Принять эту теорию он не мог, так как она не доказывала прямолинейность распространения света. В 1704 году Ньютон публикует итог своих исследований в сочинение «Оптика».

Христиан Гюйгенс (1629-1695)

Гюйгенс является Нидерландским астрономом, ученым, который оставил огромный вклад в оптике. Его теория света — это крупнейшее наследство для всего человечества. В 1690 году Гюйгенс, после долгих раздумий в уверенности и правдивости в своих утверждениях, представил человечеству свое сочинение «Трактат о свете». Это сочинение является одним из первых научных публикаций по волновой оптике. В его труде, известный под именем своего первооткрывателя, «принцип Гюйгенса» являются основой для рассмотрения оптических явлений. По его принципу, каждая точка волнового процесса является источником возмущений в эфире, а их огибающая формирует новый волновой фронт.

Допустим, что плоская волна устремляется к отверстию в непрозрачном экране. Гюйгенс утверждал, что любая точка, проходящая через отверстие, является источником вторичных волн. Фронт волны начинает заполнять территорию геометрической тени. Согласно этому утверждению, волна огибает края отверстия. Из опыта Гюйгенса можно заметить, что предметы, освещаемые светом, дают резкую тень. Из этого следует, что лучи не отклоняются от их прямолинейного распространения. Если свет имеет волновое происхождение, почему в результате получается резкая тень? Гюйгенс не мог ответить на этот вопрос.

Принцип, который выдвинул Гюйгенс, дает понять лишь о направлении распространения волнового фронта. В своей теории Гюйгенс не учитывал интенсивность волн, которые распространяются в разные стороны. Идеи Гюйгенса не были поддержаны при его жизни. Невозможность объяснения о прямолинейности распространения света стала причиной непризнания этого принципа. Лишь вначале 19 века теория Гюйгенса, предложенная О. Френелем на новой основе, была признана на всемирном уровне

Томас Юнг (1773-1829)

Многие известные ученые пытались объяснить природу дифракции, но никто так и не смог до конца прийти к верной интерпретации этого явления. Первым ученым, который дал верное описание объяснения явления дифракции с точки зрения волновой теории света, является английский физик Т. Юнг. Считается, что он дал качественное объяснение этому физическому явлению.

Явлениями оптики Томас начал заниматься в конце 18 века. В его голову пришла мысль, что кольца Ньютона легко объяснить, опираясь на волновую теорию света, а точнее на принцип интерференции. Томас Юнг впервые ввел такое понятие как, интерференция.

Основной вклад и величайший труд Юнга в теории дифракции — объяснение этого явления исходя из волновой теории света. В 1802 году Томас Юнг поставил классический опыт по дифракции. Томас впервые рискнул дать такое, с одной стороны противоречивое, объяснение дифракции. Исходя из своего опыта, он утверждал, что явление дифракция происходит в результате интерференции двух волн. Первая прямая падающая волна распространяется во всех точках пространства согласно законам геометрической оптики. Она претерпевает разрыв на границе геометрической тени, там и возникает резкий переход от света к темноте. Вторую волну Юнг назвал дифрагированной волной, которая отклоняется края освещенного дифрагирующего экрана. Томас Юнг думал, что эта волна непрерывна, даже за границами тени.

Свои результаты исследований Юнг опубликовал в начале 19 века.

Но по каким-то причинам его убедительное объяснение так и было признано. Принять правдивость утверждений Юнга означало отказ от привычных взглядов. Никто кроме Томаса Юнга не стал сопротивляться корпускулярной теории Ньютона. Сторонники Ньютона не дали толчок для развития идеи Юнга. Корпускулярная теория все еще оставалась непобедимой.

Огюстен Френель (1788-1827)

Параллельно открытию Юнга французский ученый О. Френель изучал дифракцию. Френель не знал о работах Юнга, но подобно ему он считал, что дифракция является доказательством волновой теории света. В свое доказательство Френель опирался на принцип Гюйгенса, в который он добавил идею об интерференции вторичных волн. Изначально принцип Гюйгенса позволял находить направление распространения волны. По факту, этот принцип опирался главным образом на геометрическую оптику. Френель некоторым образом поменял идею Гюйгенса, введя так называемые зоны Френеля. Вместо огибания вторичных волн Френель выдвинул идею об интерференции вторичных волн друг с другом. В научных работах ученый уделял большое внимание физической оптике. О. Френель считается разработчиком количественной теории дифракции света.

В 1818 г. Френель решил участвовать в конкурсе за лучшую работу по дифракции, которую проводила академия наук Франции. Свою работу Френель назвал «Записка о теории дифракции». Основное внимание в своей работе Френель уделил опытам по дифракции света. Для этого ему пришлось разработать специальную теорию. Ученый в своей теории опирался на принцип Гюйгенса, который был усовершенствован. В последующем этот принцип стал называться принципом Гюйгенса-Френеля. Через некоторое время этот принцип становиться основным постулатом волновой теории.

Согласно Гюйгенсу, волновую поверхность в определенный момент времени можно считать как огибающую всех волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний период времени.

Согласно Френелю, значение амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства в определенное время можно считать как результат интерференции всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний период времени.

Френель поставил опыт, в котором через маленькое отверстие проходит свет и падает на экран. Он определил, какая картина должна быть на экране. По его вычислениям, если использовать монохроматический свет на экране будут видны темные и светлые кольца. Ученому удалось вычислить радиусы этих колец. Оказалось, что они зависят от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия и расстояния отверстия до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.

В своей конкурсной работе Френель описал и другие случаи дифракции света от различных экранов. Используя волновую теорию света, ему удалось рассчитать расположение дифракционных полос. К счастью, все расчеты Френеля подтверждались на опытах.

Конкурсные работы проверялись специальной комиссией. В эту комиссию входили ученые, которые придерживались к теории Ньютона, т.е являлись сторонниками корпускулярной теории света. Несмотря ни на что, работу Френеля признали лучшей. Почти все расчеты Огюстена Френеля совпадали с результатами опытов. Академия наук Франции торжественно вручила премию этому выдающему ученому.

Йозеф Фраунгофер (1787-1826)

До сих пор мы рассматривали дифракцию Френеля, но существует и другая дифракция. Тип дифракции, когда дифракционная картина образуется параллельными пучками, носит имя немецкого ученого Фраунгофера. Такая дифракция является простым частным случаем обычной дифракции. Оказывается, существует дифракция плоских световых волн, которая называется дифракция Фраунгофера. Параллельные лучи проявятся, если источник света и экран находятся в бесконечной удаленности. Чтобы эту дифракцию получить, достаточно точечный источник света поместить в фокусе первой собирающей линзы, дифракционную картину исследовать в фокальной плоскости второй собирающей линзы, который находится за препятствием. Таким образом, можно заметить, что Йозеф Фраунгофер является одним из основных исследователей, который предложил новый метод наблюдения дифракции света в параллельных лучах. В 1821 г. Фраунгофер, впервые из всех ученых, удачно применил дифракционную решетку для изучения различных спектров.

Дифракция Фраунгофера принципиально не отличается от дифракции Френеля, но имеет большое практическое значение, который используется во многих дифракционных приборах (дифракционная решетка). Ученый нашел применение оптической дифракционной сетки для измерения длины световых волн.

Более чем через 100 лет после открытия дифракции появляется информация о применении дифракционного явления в конкретном приборе. Явление дифракции было применено в интерферометре.

Список литературы

  1. Волькенштейн В.С Все решения к «Сборнику задач по общему курсу физики» / В.С. Волькенштейн — М.: «Аст», 1999 — 588 с.
  2. Гершензон Е.М. Курс общей физики. Оптика и атомная физика / Е.М. Гершензон– М.: «Просвещение», 1981 –240 с.
  3. Голин Г.М. Классики физической науки / Г.М. Голин. — М.: «Высшая школа», 1989. — 576 с.
  4. Каменецкий С.Е. Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы / С.Е. Каменецкий — М.: «Академия», 2000 — 384 с.
  5. Касьянов В.А. Физика 11 класс. Профильный уровень / В.А Касьянов — М.: «Дрофа», 2011 — 448 с.
  6. Колпачев. А.Б. Учебное пособие. Волновая оптика. Дифракция и дисперсия света / А.Б. Колпачев. — Ростов на Дону-Таганрог: Издательство Южного Федерального Университета, 2017 — 99 с.