ექვსი მნიშვნელოვანი ფენომენი აღწერს სინათლის ტალღის ქცევას, თუ იგი თავის გზაზე დაბრკოლებას წააწყდება. ეს ფენომენები მოიცავს არეკვლას, გარდატეხას, პოლარიზაციას, დისპერსიას, ჩარევას და სინათლის დიფრაქციას. ეს სტატია ყურადღებას გაამახვილებს მათგან უკანასკნელზე.
დავები სინათლის ბუნებისა და თომას იანგის ექსპერიმენტების შესახებ
მე-17 საუკუნის შუა ხანებში არსებობდა ორი თანაბარი თეორია სინათლის სხივების ბუნებასთან დაკავშირებით. ერთ-ერთი მათგანის დამფუძნებელი იყო ისააკ ნიუტონი, რომელსაც სჯეროდა, რომ სინათლე არის მატერიის სწრაფად მოძრავი ნაწილაკების ერთობლიობა. მეორე თეორია წამოაყენა ჰოლანდიელმა მეცნიერმა კრისტიან ჰიუგენსმა. მას სჯეროდა, რომ სინათლე არის სპეციალური ტიპის ტალღა, რომელიც ვრცელდება გარემოში ისე, როგორც ხმა ვრცელდება ჰაერში. ჰაიგენსის მიხედვით სინათლის საშუალება იყო ეთერი.
რადგან არავინ აღმოაჩინა ეთერი და ნიუტონის ავტორიტეტი იმ დროს უზარმაზარი იყო, ჰაიგენსის თეორია უარყვეს. თუმცა, 1801 წელს ინგლისელმა თომას იანგმა ჩაატარა შემდეგი ექსპერიმენტი: მან მონოქრომატული სინათლე გაიარა ერთმანეთთან ახლოს მდებარე ორ ვიწრო ჭრილში. გავლისმან შუქი კედელზე გამოუშვა.
რა იყო ამ გამოცდილების შედეგი? თუ სინათლე იყო ნაწილაკები (კორპუსკულები), როგორც ნიუტონს სჯეროდა, მაშინ კედელზე გამოსახულება შეესაბამებოდა ნათელ ორ ნათელ ზოლს, რომელიც მოდის თითოეული ჭრილიდან. თუმცა იუნგი სულ სხვა სურათს აკვირდებოდა. კედელზე გამოჩნდა მუქი და ღია ზოლების სერია, ღია ხაზები ორივე ჭრილის გარეთაც კი. აღწერილი სინათლის ნიმუშის სქემატური გამოსახულება ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში.
ამ სურათმა ერთი რამ თქვა: სინათლე არის ტალღა.
დიფრაქციული ფენომენი
იანგის ექსპერიმენტებში სინათლის ნიმუში დაკავშირებულია სინათლის ჩარევის და დიფრაქციის მოვლენებთან. ორივე ფენომენის ერთმანეთისგან გამიჯვნა რთულია, რადგან რიგ ექსპერიმენტებში მათი კომბინირებული ეფექტის დაკვირვება შესაძლებელია.
სინათლის დიფრაქცია შედგება ტალღის ფრონტის შეცვლაში, როდესაც იგი ხვდება დაბრკოლებას მის გზაზე, რომლის ზომები შედარებულია ან ნაკლებია ტალღის სიგრძეზე. ამ განმარტებიდან ირკვევა, რომ დიფრაქცია დამახასიათებელია არა მხოლოდ სინათლისთვის, არამედ ნებისმიერი სხვა ტალღისთვისაც, როგორიცაა ბგერითი ტალღები ან ზღვის ზედაპირზე არსებული ტალღები.
ასევე გასაგებია, რატომ არ შეიძლება ამ ფენომენის დაკვირვება ბუნებაში (შუქის ტალღის სიგრძე რამდენიმე ასეული ნანომეტრია, ამიტომ ნებისმიერი მაკროსკოპული ობიექტი აჩენს მკაფიო ჩრდილებს).
Huygens-Fresnel პრინციპი
სინათლის დიფრაქციის ფენომენი აიხსნება დასახელებული პრინციპით. მისი არსი შემდეგია: გამრავლების სწორხაზოვანი ბინატალღის ფრონტი იწვევს მეორადი ტალღების აგზნებას. ეს ტალღები სფერულია, მაგრამ თუ გარემო ერთგვაროვანია, მაშინ, ერთმანეთზე გადაფარებული, ისინი მიიყვანენ თავდაპირველ ბრტყელ ფრონტამდე.
როგორც კი რაიმე დაბრკოლება გამოჩნდება (მაგალითად, იუნგის ექსპერიმენტში ორი უფსკრული), ის ხდება მეორადი ტალღების წყარო. ვინაიდან ამ წყაროების რაოდენობა შეზღუდულია და განისაზღვრება დაბრკოლების გეომეტრიული მახასიათებლებით (ორი თხელი ჭრილის შემთხვევაში მხოლოდ ორი მეორადი წყაროა), შედეგად მიღებული ტალღა აღარ წარმოქმნის თავდაპირველ ბრტყელ ფრონტს. ეს უკანასკნელი ცვლის გეომეტრიას (მაგალითად, სფერულ ფორმას შეიძენს), უფრო მეტიც, სინათლის ინტენსივობის მაქსიმუმი და მინიმუმი გამოჩნდება მის სხვადასხვა ნაწილში.
ჰაიგენს-ფრენელის პრინციპი აჩვენებს, რომ სინათლის ჩარევისა და დიფრაქციის ფენომენები განუყოფელია.
რა პირობებია საჭირო დიფრაქციის დასაკვირვებლად?
ერთი მათგანი უკვე აღვნიშნეთ ზემოთ: ეს არის მცირე (ტალღის სიგრძის რიგის) დაბრკოლებების არსებობა. თუ დაბრკოლება არის შედარებით დიდი გეომეტრიული ზომების, მაშინ დიფრაქციის ნიმუში შეინიშნება მხოლოდ მის კიდეებთან.
სინათლის დიფრაქციის მეორე მნიშვნელოვანი პირობა არის სხვადასხვა წყაროს ტალღების თანმიმდევრულობა. ეს ნიშნავს, რომ მათ უნდა ჰქონდეთ მუდმივი ფაზის სხვაობა. მხოლოდ ამ შემთხვევაში, ჩარევის გამო, იქნება შესაძლებელი სტაბილურ სურათზე დაკვირვება.
წყაროების თანმიმდევრულობა მიიღწევა მარტივი გზით, საკმარისია ერთი წყაროდან რომელიმე მსუბუქი ფრონტის გავლა ერთი ან მეტი დაბრკოლების გავლით. მეორადი წყაროები აქედანდაბრკოლებები უკვე თანმიმდევრული იქნება.
გაითვალისწინეთ, რომ სინათლის ჩარევასა და დიფრაქციაზე დასაკვირვებლად სულაც არ არის აუცილებელი, რომ პირველადი წყარო იყოს მონოქრომატული. ეს ქვემოთ იქნება განხილული დიფრაქციული ბადეების განხილვისას.
ფრესნელისა და ფრაუნჰოფერის დიფრაქცია
მარტივად რომ ვთქვათ, ფრენელის დიფრაქცია არის ნიმუშის გამოკვლევა ეკრანზე, რომელიც მდებარეობს ჭრილთან ახლოს. მეორეს მხრივ, ფრაუნჰოფერის დიფრაქცია განიხილავს ნიმუშს, რომელიც მიიღება ჭრილის სიგანეზე ბევრად დიდ მანძილზე, გარდა ამისა, იგი ვარაუდობს, რომ ტალღის ფრონტის ინციდენტი ჭრილზე ბრტყელია.
დიფრაქციის ეს ორი ტიპი გამოირჩევა, რადგან მათში არსებული შაბლონები განსხვავებულია. ეს განპირობებულია განხილული ფენომენის სირთულით. ფაქტია, რომ დიფრაქციული პრობლემის ზუსტი ამოხსნის მისაღებად აუცილებელია მაქსველის ელექტრომაგნიტური ტალღების თეორიის გამოყენება. ჰაიგენს-ფრესნელის პრინციპი, რომელიც ზემოთ იყო ნახსენები, კარგი მიახლოებაა პრაქტიკულად გამოსაყენებელი შედეგების მისაღებად.
ქვემოთ მოყვანილი ფიგურა გვიჩვენებს, თუ როგორ იცვლება გამოსახულება დიფრაქციულ შაბლონში, როდესაც ეკრანი აშორებს ჭრილს.
სურათზე წითელი ისარი გვიჩვენებს ეკრანის მიდგომის მიმართულებას ჭრილთან, ანუ ზედა ფიგურა შეესაბამება ფრაუნჰოფერის დიფრაქციას, ხოლო ქვედა ფრესნელს. როგორც ხედავთ, როგორც ეკრანი უახლოვდება ჭრილს, სურათი უფრო რთული ხდება.
შემდეგ სტატიაში განვიხილავთ მხოლოდ ფრაუნჰოფერის დიფრაქციას.
დიფრაქცია თხელი ჭრილით (ფორმულები)
როგორც ზემოთ აღინიშნა,დიფრაქციის ნიმუში დამოკიდებულია დაბრკოლების გეომეტრიაზე. a სიგანის თხელი ჭრილის შემთხვევაში, რომელიც განათებულია λ ტალღის სიგრძის მონოქრომატული შუქით, მინიმალური (ჩრდილების) პოზიციები შეიძლება დაფიქსირდეს კუთხისთვის, რომელიც შეესაბამება
ტოლობას.
sin(θ)=m × λ/a, სადაც m=±1, 2, 3…
თეტა კუთხე აქ იზომება ჭრილისა და ეკრანის ცენტრის დამაკავშირებელი პერპენდიკულარულიდან. ამ ფორმულის წყალობით, შესაძლებელია გამოვთვალოთ რა კუთხით მოხდება ეკრანზე ტალღების სრული ჩაქრობა. უფრო მეტიც, შესაძლებელია დიფრაქციის რიგის გამოთვლა, ანუ რიცხვი m.
რადგან ჩვენ ვსაუბრობთ Fraunhofer-ის დიფრაქციაზე, შემდეგ L>>a, სადაც L არის მანძილი ეკრანამდე ჭრილიდან. ბოლო უტოლობა საშუალებას გაძლევთ შეცვალოთ კუთხის სინუსი y კოორდინატის მარტივი თანაფარდობით L მანძილს, რაც მივყავართ შემდეგ ფორმულამდე:
yმ=m×λ×L/a.
აქ yმ არის ეკრანზე m შეკვეთის მინიმალური პოზიციის კოორდინატი.
ნაჭრის დიფრაქცია (ანალიზი)
წინა აბზაცში მოცემული ფორმულები საშუალებას გვაძლევს გავაანალიზოთ დიფრაქციის ნიმუშის ცვლილებები λ ტალღის სიგრძის ან ჭრილის სიგანის ცვლილებით. ამრიგად, a-ს მნიშვნელობის ზრდა გამოიწვევს პირველი რიგის მინიმალური y1 კოორდინატის შემცირებას, ანუ სინათლე კონცენტრირებული იქნება ვიწრო ცენტრალურ მაქსიმუმში. ჭრილის სიგანის შემცირება გამოიწვევს ცენტრალური მაქსიმუმის გაჭიმვას, ანუ ის ბუნდოვანი ხდება. ეს სიტუაცია ილუსტრირებულია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში.
ტალღის სიგრძის შეცვლას საპირისპირო ეფექტი აქვს. λ-ის დიდი მნიშვნელობებიგამოიწვიოს სურათის დაბინდვა. ეს ნიშნავს, რომ გრძელი ტალღები უკეთესად იფანტება, ვიდრე მოკლე. ამ უკანასკნელს ფუნდამენტური მნიშვნელობა აქვს ოპტიკური ინსტრუმენტების გარჩევადობის განსაზღვრაში.
ოპტიკური ინსტრუმენტების დიფრაქცია და გარჩევადობა
სინათლის დიფრაქციაზე დაკვირვება არის ნებისმიერი ოპტიკური ინსტრუმენტის გარჩევადობის შემზღუდველი, როგორიცაა ტელესკოპი, მიკროსკოპი და ადამიანის თვალიც კი. როდესაც საქმე ეხება ამ მოწყობილობებს, ისინი განიხილავენ დიფრაქციას არა ჭრილით, არამედ მრგვალი ხვრელით. მიუხედავად ამისა, ადრე გაკეთებული ყველა დასკვნა ჭეშმარიტი რჩება.
მაგალითად, განვიხილავთ ორ მანათობელ ვარსკვლავს, რომლებიც ჩვენი პლანეტიდან დიდ მანძილზე არიან. ხვრელს, რომლის მეშვეობითაც სინათლე ჩვენს თვალში შედის, გუგა ეწოდება. ბადურაზე ორი ვარსკვლავიდან ყალიბდება ორი დიფრაქციული ნიმუში, რომელთაგან თითოეულს აქვს ცენტრალური მაქსიმუმი. თუ ვარსკვლავებიდან შუქი დაეცემა მოსწავლეში გარკვეული კრიტიკული კუთხით, მაშინ ორივე მაქსიმუმი გაერთიანდება ერთში. ამ შემთხვევაში ადამიანი დაინახავს ერთ ვარსკვლავს.
გადაწყვეტის კრიტერიუმი დააწესა ლორდ J. W. Rayleigh-მა, ამიტომ ის ამჟამად მის გვარს ატარებს. შესაბამისი მათემატიკური ფორმულა ასე გამოიყურება:
sin(θc)=1, 22×λ/დ.
აქ D არის მრგვალი ხვრელის დიამეტრი (ლინზა, მოსწავლე და ა.შ.).
ამგვარად, გარჩევადობა შეიძლება გაიზარდოს (შეამცირეთ θc) ლინზის დიამეტრის გაზრდით ან სიგრძის შემცირებითტალღები. პირველი ვარიანტი დანერგილია ტელესკოპებში, რომლებიც შესაძლებელს ხდის θc ადამიანის თვალთან შედარებით რამდენჯერმე შემცირებას. მეორე ვარიანტი, ანუ λ-ის შემცირება, პოულობს გამოყენებას ელექტრონულ მიკროსკოპებში, რომლებსაც აქვთ 100000-ჯერ უკეთესი გარჩევადობა, ვიდრე მსგავსი მსუბუქი ინსტრუმენტები.
დიფრაქციული ბადე
ეს არის თხელი სლოტების კოლექცია, რომელიც მდებარეობს ერთმანეთისგან d მანძილზე. თუ ტალღის ფრონტი ბრტყელია და ეცემა ამ გისოსის პარალელურად, მაშინ მაქსიმალური პოზიცია ეკრანზე აღწერილია გამოთქმით
sin(θ)=m×λ/d, სადაც m=0, ±1, 2, 3…
ფორმულა გვიჩვენებს, რომ ნულოვანი რიგის მაქსიმუმი გვხვდება ცენტრში, დანარჩენი განლაგებულია ზოგიერთი კუთხით θ.
რადგან ფორმულა შეიცავს θ-ის დამოკიდებულებას λ ტალღის სიგრძეზე, ეს ნიშნავს, რომ დიფრაქციულ ღეროს შეუძლია სინათლის დაშლა ფერებად პრიზმის მსგავსად. ეს ფაქტი გამოიყენება სპექტროსკოპიაში სხვადასხვა მანათობელი ობიექტების სპექტრის გასაანალიზებლად.
ალბათ სინათლის დიფრაქციის ყველაზე ცნობილი მაგალითია DVD-ზე ფერის ჩრდილების დაკვირვება. მასზე არსებული ღარები წარმოადგენს დიფრაქციულ ბადეს, რომელიც სინათლის არეკვით არღვევს მას ფერთა სერიად.
