Oltita muhim hodisa yorugʻlik toʻlqinining yoʻlida toʻsiqga duch kelsa, uning harakatini tavsiflaydi. Bu hodisalarga yorug'likning aks etishi, sinishi, qutblanishi, dispersiyasi, interferensiyasi va difraksiyasi kiradi. Ushbu maqola ularning oxirgisiga qaratiladi.
Yorugʻlik tabiati va Tomas Yangning tajribalari haqidagi bahslar
17-asrning oʻrtalarida yorugʻlik nurlarining tabiati boʻyicha teng shartlarda ikkita nazariya mavjud edi. Ulardan birining asoschisi Isaak Nyuton bo'lib, u yorug'likni tez harakatlanuvchi materiya zarralari yig'indisi deb hisoblagan. Ikkinchi nazariya golland olimi Kristian Gyuygens tomonidan ilgari surilgan. Uning fikricha, yorug'lik to'lqinning o'ziga xos turi bo'lib, u tovush havo orqali tarqaladigan tarzda muhitda tarqaladi. Gyuygensning fikriga ko'ra, yorug'lik uchun vosita efir edi.
Efirni hech kim kashf qilmagani va o'sha paytda Nyutonning obro'si katta bo'lgani uchun Gyuygens nazariyasi rad etildi. Biroq, 1801 yilda ingliz Tomas Yang quyidagi tajribani o'tkazdi: u bir-biriga yaqin joylashgan ikkita tor tirqish orqali monoxromatik nurni o'tkazdi. O'tishu yorug'likni devorga qaratdi.
Bu tajriba qanday natija berdi? Agar Nyuton ishonganidek yorug'lik zarrachalar (korpuskulalar) bo'lsa, devordagi tasvir har bir tirqishdan keladigan ikkita yorqin chiziqqa mos keladi. Biroq, Jung butunlay boshqacha rasmni kuzatdi. Devorda bir qator qorong'u va engil chiziqlar paydo bo'ldi, yorug'lik chiziqlari ikkala tirqishning tashqarisida ham paydo bo'ldi. Ta'riflangan yorug'lik namunasining sxematik ko'rinishi quyidagi rasmda ko'rsatilgan.
Bu rasm bitta narsani aytdi: yorug'lik to'lqin.
Difraksiya hodisasi
Yang tajribalaridagi yorug’lik namunasi yorug’likning interferensiya va difraksiyasi hodisalari bilan bog’liq. Ikkala hodisani bir-biridan ajratish qiyin, chunki bir qator tajribalarda ularning birgalikdagi ta'sirini kuzatish mumkin.
Yorugʻlikning diffraktsiyasi oʻz yoʻlida oʻlchamlari toʻlqin uzunligiga teng yoki undan kichik boʻlgan toʻsiqqa duch kelganda toʻlqin frontini oʻzgartirishdan iborat. Ushbu ta'rifdan ko'rinib turibdiki, diffraktsiya nafaqat yorug'lik, balki boshqa har qanday to'lqinlar, masalan, tovush to'lqinlari yoki dengiz yuzasidagi to'lqinlar uchun ham xarakterlidir.
Nima uchun bu hodisani tabiatda kuzatish mumkin emasligi ham aniq (yorugʻlikning toʻlqin uzunligi bir necha yuz nanometr, shuning uchun har qanday makroskopik obʼyektlar aniq soyalar chiqaradi).
Gyuygens-Frennel printsipi
Yoruglik diffraktsiyasi hodisasi nomi keltirilgan printsip bilan izohlanadi. Uning mohiyati quyidagicha: tarqaladigan to'g'ri chiziqli tekislikto'lqin jabhasi ikkilamchi to'lqinlarning qo'zg'alishiga olib keladi. Bu toʻlqinlar sharsimon, lekin agar muhit bir hil boʻlsa, ular bir-birining ustiga qoʻyilgan boʻlsa, ular asl tekis frontga olib keladi.
Har qanday toʻsiq paydo boʻlishi bilanoq (masalan, Jung tajribasida ikkita boʻshliq) u ikkilamchi toʻlqinlar manbaiga aylanadi. Ushbu manbalarning soni cheklanganligi va to'siqning geometrik xususiyatlari bilan aniqlanganligi sababli (ikkita nozik tirqish bo'lsa, faqat ikkita ikkinchi darajali manba mavjud), natijada paydo bo'lgan to'lqin endi asl tekis jabhani hosil qilmaydi. Ikkinchisi o'z geometriyasini o'zgartiradi (masalan, sharsimon shaklga ega bo'ladi), bundan tashqari yorug'lik intensivligining maksimal va minimallari uning turli qismlarida paydo bo'ladi.
Gyuygens-Frennel printsipi yorug'likning interferensiyasi va diffraksiyasi hodisalarining bir-biridan ajralmasligini ko'rsatadi.
Difraktsiyani kuzatish uchun qanday shartlar kerak?
Ulardan biri yuqorida aytib o'tilgan: bu kichik (to'lqin uzunligi tartibidagi) to'siqlarning mavjudligi. Agar to'siq nisbatan katta geometrik o'lchamlarga ega bo'lsa, diffraktsiya naqshi faqat uning chekkalari yaqinida kuzatiladi.
Yorug'lik diffraksiyasining ikkinchi muhim sharti turli manbalardan to'lqinlarning kogerentligidir. Bu shuni anglatadiki, ular doimiy fazalar farqiga ega bo'lishi kerak. Faqat bu holatda, shovqin tufayli barqaror rasmni kuzatish mumkin bo'ladi.
Manbalarning uyg'unligiga oddiy yo'l bilan erishiladi, bir manbadan har qanday yorug'lik jabhasini bir yoki bir nechta to'siqlardan o'tkazish kifoya. Bulardan ikkilamchi manbalarto'siqlar allaqachon izchil bo'ladi.
E'tibor bering, yorug'likning interferensiyasi va diffraksiyasini kuzatish uchun birlamchi manba monoxromatik bo'lishi shart emas. Bu diffraktsiya panjarasini ko'rib chiqishda quyida muhokama qilinadi.
Fresnel va Fraungofer difraksiyasi
Oddiy qilib aytganda, Fresnel diffraktsiyasi tirqishga yaqin joylashgan ekranda naqshni tekshirishdir. Fraungofer diffraktsiyasi esa tirqish kengligidan ancha katta masofada olingan naqshni ko'rib chiqadi, bundan tashqari, u tirqishdagi to'lqin fronti hodisasi tekis ekanligini taxmin qiladi.
Bu ikki turdagi difraksiya farqlanadi, chunki ulardagi naqshlar har xil. Bu ko'rib chiqilayotgan hodisaning murakkabligi bilan bog'liq. Gap shundaki, diffraktsiya masalasining aniq yechimini olish uchun Maksvellning elektromagnit to'lqinlar nazariyasidan foydalanish kerak. Yuqorida aytib o'tilgan Gyuygens-Fresnel printsipi amalda qo'llanilishi mumkin bo'lgan natijalarni olish uchun yaxshi taxminiy hisoblanadi.
Quyidagi rasmda ekran tirqishdan uzoqlashganda difraksiya naqshidagi tasvir qanday oʻzgarishi koʻrsatilgan.
Rasmda qizil strelka ekranning tirqishga yaqinlashish yoʻnalishini koʻrsatadi, yaʼni yuqoridagi raqam Fraungofer difraksiyasiga, pastki qismi esa Frenelga toʻgʻri keladi. Ko‘rib turganingizdek, ekran tirqishga yaqinlashganda, rasm yanada murakkablashadi.
Keyingi maqolada biz faqat Fraungofer diffraktsiyasini ko'rib chiqamiz.
Yupqa yoriq (formulalar) orqali diffraksiya
Yuqorida ta'kidlanganidek,diffraktsiya naqshi to'siqning geometriyasiga bog'liq. To'lqin uzunligi l bo'lgan monoxromatik yorug'lik bilan yoritilgan a enli yupqa tirqishda
tengligiga mos keladigan burchaklar uchun minimal (soyalar) o'rinlari kuzatilishi mumkin.
sin(th)=m × l/a, bu erda m=±1, 2, 3…
Bu yerda teta burchagi tirqish markazi va ekranni bogʻlovchi perpendikulyardan oʻlchanadi. Ushbu formula tufayli ekrandagi to'lqinlarning to'liq dampingi qaysi burchaklarda sodir bo'lishini hisoblash mumkin. Bundan tashqari, diffraktsiya tartibini, ya'ni m sonini hisoblash mumkin.
Fraungofer diffraktsiyasi haqida gapirayotganimizdan keyin L>>a, bu erda L - ekranga tirqishdan masofa. Oxirgi tengsizlik burchak sinusini y koordinatasining L masofaga oddiy nisbati bilan almashtirishga imkon beradi, bu quyidagi formulaga olib keladi:
ym=m×l×L/a.
Bu yerda ym - ekrandagi minimal tartib m ning joylashuv koordinatasi.
Yorilish difraksiyasi (tahlil)
Oldingi paragrafda keltirilgan formulalar to'lqin uzunligi l yoki tirqish kengligi a o'zgarishi bilan diffraktsiya naqshidagi o'zgarishlarni tahlil qilish imkonini beradi. Shunday qilib, a qiymatining oshishi birinchi tartibli minimal y1 koordinatasini pasayishiga olib keladi, ya'ni yorug'lik tor markaziy maksimalda to'planadi. Yoriqning kengligining pasayishi markaziy maksimalning cho'zilishiga olib keladi, ya'ni u loyqa bo'ladi. Bu holat quyidagi rasmda ko'rsatilgan.
Toʻlqin uzunligini oʻzgartirish teskari taʼsirga ega. l ning katta qiymatlaritasvirning xiralashishiga olib keladi. Bu shuni anglatadiki, uzun to'lqinlar qisqa to'lqinlarga qaraganda yaxshiroq tarqaladi. Ikkinchisi optik asboblarning ruxsatini aniqlashda asosiy ahamiyatga ega.
Optik asboblarning diffraksiyasi va ruxsati
Yorug'lik diffraksiyasini kuzatish teleskop, mikroskop va hatto inson ko'zi kabi har qanday optik asbobning ruxsatini cheklovchi hisoblanadi. Ushbu qurilmalar haqida gap ketganda, ular diffraktsiyani yoriq bilan emas, balki dumaloq teshik orqali ko'rib chiqadilar. Shunga qaramay, ilgari qilingan barcha xulosalar haqiqat bo'lib qolmoqda.
Masalan, biz sayyoramizdan juda uzoqda joylashgan ikkita yorqin yulduzni ko'rib chiqamiz. Ko'zimizga yorug'lik tushadigan teshikka o'quvchi deyiladi. To'r pardadagi ikkita yulduzdan ikkita diffraktsiya naqshlari hosil bo'lib, ularning har biri markaziy maksimalga ega. Agar yulduzlardan keladigan yorug'lik ko'z qorachig'iga ma'lum bir kritik burchak ostida tushsa, ikkala maksimal nuqta bittaga birlashadi. Bunday holda, odam bitta yulduzni ko'radi.
Rezolyutsiya mezoni Lord J. V. Rayleigh tomonidan o'rnatilgan, shuning uchun u hozirda uning familiyasini oladi. Tegishli matematik formula quyidagicha ko'rinadi:
sin(thc)=1, 22×l/D.
Bu yerda D - dumaloq teshikning diametri (linza, koʻz qorachigʻi va boshqalar).
Shunday qilib, linza diametrini oshirish yoki uzunlikni kamaytirish orqali piksellar sonini oshirish mumkin (thc kamaytirish).to'lqinlar. Birinchi variant teleskoplarda qo'llaniladi, bu esa thc ni inson ko'ziga nisbatan bir necha baravar kamaytirish imkonini beradi. Ikkinchi variant, ya'ni l ni kamaytirish, shunga o'xshash yorug'lik asboblariga qaraganda 100 000 marta yaxshi aniqlikka ega bo'lgan elektron mikroskoplarda qo'llanilishini topadi.
Difraktsiya panjarasi
Bu bir-biridan d masofada joylashgan yupqa tirqishlar to'plami. Agar to'lqin old tomoni tekis bo'lsa va bu panjaraga parallel tushsa, u holda ekrandagi maksimallarning holati
ifodasi bilan tavsiflanadi.
sin(th)=m×l/d, bu yerda m=0, ±1, 2, 3…
Formula shuni ko'rsatadiki, nol tartibli maksimal markazda, qolganlari esa ba'zi burchaklarda joylashgan th.
Formula th ning toʻlqin uzunligi l ga bogʻliqligini oʻz ichiga olganligi sababli, bu diffraktsiya panjarasi yorugʻlikni prizma kabi ranglarga parchalashi mumkinligini anglatadi. Bu fakt spektroskopiyada turli nurli jismlarning spektrlarini tahlil qilish uchun ishlatiladi.
Ehtimol, yorug'lik diffraksiyasining eng mashhur namunasi DVD diskdagi rang soyalarini kuzatishdir. Undagi oluklar difraksion panjara bo'lib, yorug'likni aks ettirib, uni bir qator ranglarga ajratadi.
