Дифракция света

Вторым признаком волновой природы света служит явление дифракции (от латинского «дифракцио» — огибание). Дифракцией называют, огибание волнами препятствий. Препятствия нарушают прямолинейность перемещения фронта волны. Явление дифракции для волн, распространяющихся на поверхности воды, показано на рис. 32.10. Когда препятствие велико (по сравнению с длиной волны), то за ним волн нет (рис. 32.10, а). Когда размер препятствия мал, то волны заходят за его края (рис, 32.10, б), а очень маленькое препятствие волны огибают так, что за ним никаких изменений во фронте волны не происходит (рис. 32.10, в).

На рис. 32.11 показано прохождение волн через отверстие в преграде. Когда отверстие большое (по сравнению с длиной волны), то волны почти не заходят за его края (рис. 32.11, а). Когда отверстие маленькое, то волны заметно заходят за края отверстия (рис. 32,11, б). При очень маленьком отверстии волны покрывают всю поверхность за препятствием (рис. 32.11, в). В этом случае отверстие как бы является самостоятельным источником волн, которые и распространяются за препятствием во все стороны.

Все эти явления объясняются тем, что препятствие отсекает часть фронта бегущей волны. Из принципа Гюйгенса можно заключить, что дифракционные явления обусловлены интерференцией элементарных волн на границе отсеченного препятствием фронта волны. При этом, чем меньше размеры препятствия или отверстия по сравнению с длиной волны, тем заметнее явление дифракции.

Когда размеры препятствия (отверстия) соизмеримы с длиной волны, дифракция обнаруживается в непосредственной близости от препятствия (рис. 32.10, в и 32.11, в). Однако когда препятствие велико по сравнению с длиной волны, дифракцию тоже можно обнаружить, но на более далеком расстоянии от препятствия. Это объясняется тем, что изменения во фронте волны, обусловленные препятствием, по мере удаления от него делаются все заметнее. Итак, чем больше размеры препятствия, тем на более далеком расстоянии от него обнаруживается явление дифракции. Однако энергия волн при этом должна быть достаточно большой, чтобы их дифракция была заметна.

Рассмотрим теперь дифракцию света. Поскольку длины волн светового излучения очень малы, дифракцию света можно наблюдать только на значительном расстоянии от препятствия или отверстия. Пусть на пути лучей, идущих от точечного источника монохроматического света S, помещен маленький диск диаметром АВ (рис. 32.12, а), а дифракция наблюдается на экране CD. Если бы свет распространялся прямолинейно, то на экране получилась бы тень диаметром CD. Однако когда расстояние от диска до экрана достаточно велико, то на экране получается дифракционная картина из чередующихся темных и светлых колец (рис. 32.12, б), а в центре экрана, т. е. в точке О, оказывается светлый кружок.

Расчет показывает, что в точку О приходит энергия, обусловленная колебаниями лишь в той части волновой поверхности, которая непосредственно примыкает к диску АВ. Все остальные колебания в точке О, вызванные другими участками волновой поверхности, при интерференции гасят друг друга. На рис. 32.12, а видно, что все точки волновой поверхности, окружающей диск АВ, находятся на одинаковом расстоянии от точки О. Это означает, что вызванные ими колебания в точке О, когда волны дойдут до нее, будут иметь одинаковые фазы, т. е. должны усиливать друг друга. Поэтому в точке О и получается светлое пятно.

Для наблюдения дифракции от узкой щели делают такой опыт. На пути параллельных монохроматических лучей ставят непрозрачный экран с узкой щелью, а на некотором расстоянии от него помещают второй экран, на котором и наблюдают дифракционную картину, показанную на рис. 32.13. При этом против щели видна светлая полоса, ширина которой оказывается тем больше, чем уже щель (почему?), а за светлой полосой чередуются темные и светлые полосы.

Заметим, что при освещении препятствий и отверстий белым светом картина дифракции получается более расплывчатой, чем в описанных выше случаях, и имеет радужную окраску.