Главная | Обратная связь

II. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Краткие теоретические сведения

Согласно закону прямолинейного распространения света, свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. На практике наблюдаются явления, не подчиняющиеся этому закону. Явление дифракции светасостоит в отклонении волн от прямолинейного распространения вблизи препятствий, в результате чего волна попадает в область геометрической тени, огибая препятствия. Это явление наблюдается у волн любой природы. Дифракция звуковых волн позволяет слышать звук, находясь за каким-либо препятствием. Причина дифракции – проявление волновых свойств света в условиях, близких к условиям применимости представлений геометрической оптики.

Если на пути светового пучка, идущего от точечного монохроматического источника и проходящего сквозь небольшое отверстие, поставить экран, то дифракционная картина, наблюдаемая на экране, будет представлять собой световое пятно, окруженное совокупностью темных и светлых колец (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Если на пути луча поставить узкую щель, то дифракционная картина будет представлять собой систему прямолинейных светлых и темных полос (рис. 2.2).

Впервые явление дифракции было описано в 1665 году итальянским физиком и астрономом Франческо Гримальди, которым также была высказана гипотеза о волновой природе света.

 

Принцип Гюйгенса.

 

Для описания проникновения света в область геометрической тени голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс в 1678 году предложил простой принцип, впоследствии названный его именем. Принцип Гюйгенса: каждая точка среды, до которой дошла световая волна в данный момент времени, является центром вторичных волн, огибающая которых будет волновой поверхностью в последующий момент времени (рис. 2.3).

Геометрическое место точек, до которых дошли колебания в некоторый момент времени, называют фронтом волны. Колебания всех точек фронта волны происходит в противофазе.

Рис. 2.3

Объяснить явление дифракции удалось французскому физику Огюстену Френелю в 1818 году. Он дополнил принцип Гюйгенса положением об интерференции вторичных волн, в результате которой и возникает усиление амплитуды световых колебаний в одних точках пространства и ослабление – в других, т. е. возникает дифракционная картина (рис. 2.1, 2.2).

Принцип Гюйгенса – Френеля: световая волна, возбуждаемая каким-либо источником в некоторой точке пространства, является результатом интерференции когерентных вторичных волн, «излучаемых» вторичными источниками света.

Усиление света должно наблюдаться в тех точках пространства,
в которые вторичные волны приходят в одинаковой фазе (когда оптическая разность хода интерферирующих лучей равна целому числу длин волн), а ослабление света происходит в тех точках пространства, в которые волны приходят в противофазе (когда разность хода лучей равна нечетному числу длин полуволн).

 

 

Метод зон Френеля

 

Строгий расчет дифракционной картины света математически достаточно сложен. Френелем для объяснения дифракции света был предложен метод, получивший название метод зон Френеля. Согласно этому методу, в любой момент времени волновую поверхность (рис. 2.4) разбивают на отдельные зоны таким образом, что разность расстояний от двух соседних зон до точки наблюдения (т. е. разность хода соответственных лучей от двух соседних зон Френеля до точки ) равна половине длины волны (l/2). Волны, имеющие разность хода l/2, будут иметь разность фаз, равную , и, следовательно, при интерференции будут ослаблять друг друга. Зоны Френеля – участки, на которые разбивают поверхность фронта световой волны для упрощения вычислений при определении амплитуды волны в заданной точке .

Рис. 2.4

Если перекрыть все четные (или нечетные) зоны Френеля, то колебания, приходящие от открытых зон, будут совпадать по фазе и, следовательно, при интерференции будут усиливать друг друга. Такое перекрытие можно осуществить, поместив в плоскости отверстия так называемую зонную пластинку. В простейшем случае она представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесена система концентрических темных колец определенного радиуса, чередующихся с прозрачными кольцами. При надлежащем подборе размеров колец такая пластинка будет перекрывать четные (или нечетные) зоны Френеля и ее действие окажется аналогичным действию собирающей линзы. Эксперимент, проведенный с такой пластинкой, доказывает правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля.