Дифракція світла

ВСТУП.

Навколишній світ за своєю природою є матеріальним. Фізика – це наука, яка вивчає найзагальніші форми руху матерії ( механічні, теплові, електромагнітні та інші) та їх взаємні перетворення. Матерія може існувати в двох формах: у вигляді речовини та поля. До першої форми матерії належать, наприклад, електрони, протони, атоми, молекули та всі речовини, з яких вони побудовані. До другої – електромагнітні, гравітаційні поля. Різні види матерії можуть переходити одна в одну. Наприклад, електрон і позітрон при взаємодії перетворюються в електромагнітне випромінювання у вигляді фотонів. Можливий і зворотний процес.

Більшість фактичних відомостей про природу і навколишні явища людина отримала за допомогою зорового сприйняття, створеного світлом. Розділ фізики, в якому вивчають світлові явища, називається оптика. Історія розвитку оптики підтверджує одне з основних положень діалектики – закон єдності та боротьби протилежностей.

Світло за своєю природою – явище електромагнітне, але воно одночасно проявляє хвильові ( в явищах інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії) і квантові властивості (в явищах фотоефекту, люмінесценції і т.і.). Із зменшенням довжини хвилі (збільшенням частоти) дедалі чіткіше проявляються квантові властивості світла.

З точки зору сучасних теорій неправильно було б протиставляти хвильові та квантові властивості світла. Навпаки, їх можна порівнювати і поєднувати на основі теорії відносності та сучасних положень квантової фізики. З позицій сучасної фізики немає розбіжностей між квантовими і хвильовими уявленнями про світло – це різні властивості одного явища, і в цьому полягає діалектична єдність матерії.

Явища, в яких світло найбільше виявляє свої хвильові властивості, розглядає хвильова оптика.

Дифракція світла.

В геометричній оптиці широко користуються поняттям світлового променя, тобто вузького пучка світла, який прямолінійно поширюється. Прямолінійність поширення світла в однорідному середовищі така звична, що здається очевидною. Переконливим підтвердженням цього закону може бути утворення тіні за непрозорою перешкодою, що стоїть на шляху світла, яке випромінюється точковим джерелом.

В той же час прямолінійність поширення світла зовсім не була такою очевидною з позицій хвильової теорії. Адже за принципом Гюйгенса кожну точку поля хвилі можна розглядати як джерело вторинних хвиль, які поширюються вперед в усіх напрямках, в тому числі і в область геометричної тіні перешкоди. Крім того, досліди показали, що закон прямолінійного поширення світла не є універсальним. Він особливо помітно порушується при проходженні світла крізь досить вузькі щілини й отвори, а також при освітленні невеликих непрозорих перешкод. У цих випадках на екрані, розміщеному за отвором або перешкодою, замість чітко розмежованих областей світла і тіні спостерігається система інтерференційних максимумів та мінімумів освітленості. Наприклад, якщо на невеликий непрозорий диск падає світло від точкового джерела S, розміщеного проти центра О диску, то на встановленому за диском екрані спостерігається система концентричних темних та світлих кілець. Парадоксально те, що в центрі кілець, який лежить у точці перетину прямої SO з екраном, буде світла пляма. Із збільшенням радіусу диска інтенсивність цієї плями та інших світлих кілець поступово зменшується, і за диском утворюється область геометричної тіні. Проте навіть для перешкод і отворів великих розмірів немає різкого переходу від тіні до світла. Завжди є деяка перехідна область, в якій можна виявити слабкі інтерференційні максимуми і мінімуми.

Всі ці явища , що виникають при поширенні світла в середовищі з різко виявленими неоднорідностями, є дифракцією світла. Дифракцією називають сукупність явищ, обумовлених огинанням хвилями перешкод, які зустрічаються на їх шляху, або в більш широкому розумінні – будь-яке відхилення від законів геометричної оптики при поширенні хвиль.

1. Принцип Гюйгенса – Френеля.

Природа і основні закономірності дифракції світла можуть бути встановлені за допомогою принципу Гюйгенса – Френеля. За принципом Гюйгенса: кожна точка хвильового фронту є джерелом вторинних хвиль. Френзель істотно розвинув принцип Гюйгенса, припустивши, що вторинні джерела, еквівалентні тому самому джерелу S0, когерентні між собою. Тому в будь-якій точці поза допоміжною замкненою поверхнею S хвилі, які реально поширюються від джерела S0, повинні бути результатом інтерференції віх вторинних хвиль. Вибір поверхні S цілком довільний, у кожній конкретній задачі її беруть такою, щоб максимально спростити розв‘язання. Як правило, вважають, що поверхня S збігається у деякий момент часу з положенням однієї з хвильових поверхонь, які відповідають джерелу S0. Очевидно, що при такому виборі поверхні S усі вторинні джерела коливаються в одній фазі.Ці два вихідні положення ще недостатні для кількісних розрахунків дифракції світла, бо вони зовсім не торкаються інтенсивності і характеру спрямованості випромінювання вторинних джерел. Тому Френель висловив припущення про те, що для поверхні S, яка збігається з хвильовою поверхнею, потужності вторинного випромінювання однакових за площею ділянок однакові. Крім того, він вважав, що кожне вторинне джерело випромінює переважно в напрямку нормалі n до хвильової поверхні в цій точці. Відповідно, амплітуда вторинних хвиль у напрямі, який утворює з n кут α , тим менше, чим більший кутα, і дорівнює нулю при α ≥ π/2 (рис.10).