Дифракція, virtual laboratory wiki, fandom powered by wikia

Дифракція хвиль (лат. Diffractus - буквально розламаний, переламаний) - явище, яке можна розглядати як відхилення від законів геометричної оптики при поширенні хвиль. Спочатку поняття дифракції відносилося тільки до огибания хвилями перешкод, але в сучасному, більш широкому тлумаченні, з дифракцією пов'язують вельми широке коло явищ, що виникають при поширенні хвиль в неоднорідних середовищах, а також при поширенні обмежених в просторі хвиль. Дифракція тісно пов'язана з явищем інтерференції. Більш того, саме явище дифракції часто трактують як окремий випадок інтерференції (інтерференція вторинних хвиль).

Дифракція хвиль спостерігається незалежно від їх природи і може проявлятися:

• в перетворенні просторової структури хвиль. В одних випадках таке перетворення можна розглядати як «заокруглення» хвилями перешкод, в інших випадках - як розширення кута поширення хвильових пучків або їх відхилення в певному напрямку;
• в розкладанні хвиль по їх частотному спектру;
• в перетворенні поляризації хвиль;
• в зміні фазової структури хвиль.

Дифракційні ефекти залежать від співвідношення між довжиною хвилі і характерним розміром неоднорідностей середовища або неоднорідностей структури самої хвилі. Найбільш сильно вони проявляються при розмірах неоднорідностей порівнянних з довжиною хвилі. При розмірах неоднорідностей істотно перевищують довжину хвилі (на 3-4 порядки і більше), явищем дифракції, як правило, можна знехтувати. В останньому випадку поширення хвиль з високим ступенем точності описується законами геометричної оптики. З іншого боку, якщо розмір неоднорідностей середовища багато менше довжини хвилі, то в такому випадку замість дифракції часто говорять про явище розсіювання хвиль.

Найбільш добре вивчена дифракція електромагнітних (зокрема, оптичних) і акустичних хвиль, а також гравітаційно-капілярних хвиль (хвилі на поверхні рідини).

Тонкощі в тлумаченні терміну «дифракція» Правити

У явищі дифракції важливу роль відіграють вихідні розміри області хвильового поля і вихідна структура хвильового поля, яка схильна до суттєвої трансформації в разі, якщо елементи структури хвильового поля можна порівняти з довжиною хвилі або менше її. Наприклад, обмежений в просторі хвильовий пучок має властивість «розходитися» ( «розпливатися») в просторі в міру поширення навіть в однорідному середовищі. Дане явище, не описується законами геометричної оптики і відноситься до дифракційним явищ (дифракційна розбіжність, дифракційне розпливанню хвильового пучка). Початкове обмеження хвильового поля в просторі і його певна структура можуть виникнути не тільки за рахунок присутності поглинаючих чи що відбивають елементів, але і, наприклад, при породженні (генерації, випромінюванні) даного хвильового поля.

Спочатку явище дифракції трактувалося як огибание хвилею перешкоди. тобто проникнення хвилі в область геометричної тіні. Слід зауважити, що в середовищах, в яких швидкість хвилі плавно (в порівнянні з довжиною хвилі) змінюється від точки до точки, поширення хвильового пучка є криволінійним (див. Градиентная оптика. Градієнтні хвилеводи. Міраж). При цьому хвиля також може огинати перешкоду. Однак таке криволінійне поширення хвилі може бути описано за допомогою рівнянь геометричної оптики, і це явище не відноситься до дифракції. Відступ від прямолінійності поширення світла спостерігається також в сильних полях тяжіння. Експериментально підтверджено, що світло, що проходить поблизу масивного об'єкта, наприклад, поблизу зірки, відхиляється в їхньому полі тяжіння в бік зірки. Таким чином, і в даному випадку можна говорити про «обгинанні» пучком перешкоди. Однак, це явище також не відноситься до дифракції. Разом з тим, у багатьох випадках дифракція може бути і не пов'язана з огибанием перешкоди. Така, наприклад, дифракція на непоглощающіх (прозорих) так званих фазових структурах.

З точки зору сучасної науки визначення дифракції як огибания світлом перешкоди визнається недостатнім (занадто вузьким) і не цілком адекватним.

Оскільки, з одного боку, явище дифракції світла виявилося неможливим пояснити з точки зору променевої моделі, тобто з точки зору геометричної оптики, а з іншого боку, дифракція отримала вичерпне пояснення в рамках хвильової теорії, то часто під дифракцією розуміють прояв будь-якого відступу від законів геометричній оптики. При цьому слід зауважити, що деякі хвильові явища не описуються законами геометричної оптики і, в той же час, не належать до дифракції. До таких типово хвильовим явищ належить, наприклад, обертання площини поляризації світлової хвилі в оптично активному середовищі, яке дифракцией не є. Разом з тим, єдиним результатом так званої колінеарний дифракції з перетворенням оптичних мод може бути саме поворот площини поляризації, в той час як дифрагованим хвильової пучок зберігає вихідний напрямок поширення. Такий тип дифракції може бути реалізований, наприклад, як дифракція світла на ультразвуку в двулучепреломляющего кристалах, при якій хвильові вектори оптичної та акустичної хвиль паралельні один одному. Ще один приклад: з точки зору геометричної оптики неможливо пояснити явища, які відбуваються в так званих пов'язаних волноводах, хоча ці явища також не відносять до дифракції (хвильові явища, пов'язані з «витікаючими» полями).

Загальною властивістю всіх ефектів дифракції є саме певна залежність даного явища від співвідношення між довжиною хвилі і розміром неоднорідностей середовища. Тому дифракція є універсальним хвильове явище і характеризується одними і тими ж законами в разі хвиль різної природи.

Амплітудні і фазові неоднорідності Правити

Окремі випадки дифракції Правити

Огібаніе перешкоди хвилями на поверхні рідини Правити

Дифракції я світла на краю екрану. Кордон тіні Правити

Дифракція на щілині Правити

Як приклад розглянемо дифракційну картину виникає при проходженні світла через щілину в непрозорому екрані. Ми знайдемо інтенсивність світла в залежності від кута в цьому випадку.

Математичне подання принципу Гюйгенса використовується для написання вихідного рівняння.

Розглянемо монохроматичну плоску хвилю з амплітудою з довжиною хвилі λ падає на екран з щілиною, ширина якої a.

Якщо розріз знаходиться в площині x'-y ', з центром на початку координат, тоді може передбачатися, що дифракція виробляє хвилю ψ на відстані r. яка розходиться радіально і далеко від розрізу можна записати:

нехай (x ', y', 0) - точка всередині розрізу, по якому ми інтегруємо. Ми хочемо дізнатися інтенсивність в точці (x, 0, z). Щілина має кінцевий розмір в x напрямку (від до), і нескінченна в y напрямку ([,]).

Відстань r від щілини визначається як:

Припускаючи випадок дифракції Фраунгофера. отримаємо умову. Іншими словами, відстань до точки спостереження багато більше характерного розміру щілини (ширини). Використовуючи біномінальної розкладання і нехтуючи складовими другого і вище порядків малості, можна записати відстань у вигляді:

Видно, що 1 / r перед рівняння не осциллирует, тобто дає малий внесок в інтенсивність в порівнянні з експоненціальним множником. І тоді його можна записати приблизно як z.