ტალღის დიფრაქციის ფენომენი არის ერთ-ერთი ეფექტი, რომელიც ასახავს სინათლის ტალღურ ბუნებას. ეს იყო მსუბუქი ტალღებისთვის, რომელიც აღმოაჩინეს XIX საუკუნის დასაწყისში. ამ სტატიაში ჩვენ განვიხილავთ რა არის ეს ფენომენი, როგორ არის აღწერილი მათემატიკურად და სად პოულობს გამოყენებას.
ტალღის დიფრაქციის ფენომენი
როგორც მოგეხსენებათ, ნებისმიერი ტალღა, იქნება ეს სინათლე, ხმა თუ არეულობა წყლის ზედაპირზე, ერთგვაროვან გარემოში ვრცელდება სწორ გზაზე.
წარმოვიდგინოთ ტალღის ფრონტი, რომელსაც აქვს ბრტყელი ზედაპირი და მოძრაობს გარკვეული მიმართულებით. რა მოხდება, თუ ამ ფრონტის გზაზე დაბრკოლება იქნება? ნებისმიერი რამ შეიძლება იყოს დაბრკოლება (ქვა, შენობა, ვიწრო უფსკრული და ა.შ.). გამოდის, რომ დაბრკოლებაზე გავლის შემდეგ ტალღის ფრონტი ბრტყელი აღარ იქნება, არამედ უფრო რთულ ფორმას მიიღებს. ასე რომ, პატარა მრგვალი ხვრელის შემთხვევაში, ტალღის ფრონტი, რომელიც გადის მასში, ხდება სფერული.
ტალღის გავრცელების მიმართულების შეცვლის ფენომენს, როდესაც იგი გზაზე დაბრკოლებას ხვდება, ეწოდება დიფრაქცია (diffractus ლათინურიდან ნიშნავს"გატეხილი").
ამ ფენომენის შედეგია ის, რომ ტალღა შეაღწევს დაბრკოლების უკან არსებულ სივრცეში, სადაც ის არასოდეს მოხვდება თავისი მართკუთხა მოძრაობით.
ტალღის დიფრაქციის მაგალითი ზღვის სანაპიროზე ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე.
დიფრაქციით დაკვირვების პირობები
ტალღის რღვევის ზემოთ აღწერილი ეფექტი დაბრკოლების გავლისას დამოკიდებულია ორ ფაქტორზე:
- ტალღის სიგრძე;
- დაბრკოლების გეომეტრიული პარამეტრები.
რა პირობით შეინიშნება ტალღის დიფრაქცია? ამ კითხვაზე პასუხის უკეთ გასაგებად, უნდა აღინიშნოს, რომ განხილული ფენომენი ყოველთვის ხდება, როდესაც ტალღა ხვდება დაბრკოლებას, მაგრამ ის შესამჩნევი ხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ტალღის სიგრძე დაბრკოლების გეომეტრიული პარამეტრების რიგისაა. ვინაიდან სინათლისა და ბგერის ტალღის სიგრძეები მცირეა ჩვენს ირგვლივ არსებული ობიექტების ზომასთან შედარებით, თავად დიფრაქცია მხოლოდ ზოგიერთ განსაკუთრებულ შემთხვევაში ჩნდება.
რატომ ხდება ტალღის დიფრაქცია? ამის გაგება შეიძლება, თუ განვიხილავთ ჰაიგენს-ფრენელის პრინციპს.
ჰაიგენსის პრინციპი
მე-17 საუკუნის შუა ხანებში ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა კრისტიან ჰიუგენსმა წამოაყენა ახალი თეორია სინათლის ტალღების გავრცელების შესახებ. მას სჯეროდა, რომ ბგერის მსგავსად, სინათლე მოძრაობს სპეციალურ გარემოში - ეთერში. სინათლის ტალღა არის ეთერის ნაწილაკების ვიბრაცია.
გავითვალისწინებთ ტალღის სფერულ ფრონტს, რომელიც შეიქმნა წერტილოვანი სინათლის წყაროს მიერ, ჰაიგენსი მივიდა შემდეგ დასკვნამდე: მოძრაობის პროცესში ფრონტი გადის სივრცითი წერტილების სერიასგადაცემა. როგორც კი მათ მიაღწევს, ყოყმანობს. რხევითი წერტილები, თავის მხრივ, წარმოქმნის ტალღების ახალ თაობას, რომელსაც ჰაიგენსმა მეორადი უწოდა. ყოველი წერტილიდან მეორადი ტალღა სფერულია, მაგრამ ის მარტო არ განსაზღვრავს ახალი ფრონტის ზედაპირს. ეს უკანასკნელი არის ყველა სფერული მეორადი ტალღების სუპერპოზიციის შედეგი.
ზემოთ აღწერილ ეფექტს ჰაიგენსის პრინციპი ჰქვია. ის არ ხსნის ტალღების დიფრაქციას (როდესაც მეცნიერმა ეს ჩამოაყალიბა, მათ ჯერ არ იცოდნენ სინათლის დიფრაქციის შესახებ), მაგრამ წარმატებით აღწერს ისეთ ეფექტებს, როგორიცაა სინათლის არეკვლა და გარდატეხა.
როგორც ნიუტონის კორპუსკულარული თეორია სინათლის შესახებ მე-17 საუკუნეში გაიმარჯვა, ჰაიგენსის ნაშრომი დავიწყებას მიეცა 150 წლის განმავლობაში.
თომას იუნგი, ავგუსტინ ფრენელი და ჰიუგენსის პრინციპის აღორძინება
სინათლის დიფრაქციის და ჩარევის ფენომენი აღმოაჩინა 1801 წელს თომას იანგმა. ექსპერიმენტების ჩატარებისას ორი ჭრილით, რომლებზეც გადიოდა მონოქრომატული სინათლის ფრონტი, მეცნიერმა ეკრანზე მიიღო ალტერნატიული მუქი და მსუბუქი ზოლების სურათი. იუნგმა სრულად ახსნა თავისი ექსპერიმენტების შედეგები, მიუთითა სინათლის ტალღურ ბუნებაზე და ამით დაადასტურა მაქსველის თეორიული გამოთვლები.
როგორც კი ნიუტონის სინათლის კორპუსკულური თეორია იანგის ექსპერიმენტებმა უარყო, ფრანგმა მეცნიერმა ავგუსტინ ფრენელმა გაიხსენა ჰაიგენსის ნაშრომი და გამოიყენა მისი პრინციპი დიფრაქციის ფენომენის ასახსნელად.
ფრესნელი თვლიდა, რომ თუ ელექტრომაგნიტური ტალღა, რომელიც გავრცელდება სწორი ხაზით, ხვდება დაბრკოლებას, მაშინ მისი ენერგიის ნაწილი იკარგება.დანარჩენი იხარჯება მეორადი ტალღების ფორმირებაზე. ეს უკანასკნელი იწვევს ახალი ტალღის ფრონტის გაჩენას, რომლის გავრცელების მიმართულება განსხვავდება საწყისიდან.
აღწერილ ეფექტს, რომელიც არ ითვალისწინებს ეთერს მეორადი ტალღების წარმოქმნისას, ჰაიგენს-ფრესნელის პრინციპი ეწოდება. ის წარმატებით აღწერს ტალღების დიფრაქციას. უფრო მეტიც, ეს პრინციპი ამჟამად გამოიყენება ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელების დროს ენერგიის დანაკარგების დასადგენად, რომლის გზაზეც ხვდება დაბრკოლება.
ვიწრო ჭრილის დიფრაქცია
დიფრაქციული შაბლონების აგების თეორია საკმაოდ რთულია მათემატიკური თვალსაზრისით, ვინაიდან იგი მოიცავს ელექტრომაგნიტური ტალღების მაქსველის განტოლებების ამოხსნას. მიუხედავად ამისა, ჰაიგენს-ფრენელის პრინციპი, ისევე როგორც მრავალი სხვა მიახლოება, შესაძლებელს ხდის მათემატიკური ფორმულების მიღებას მათი პრაქტიკული გამოყენებისთვის.
თუ გავითვალისწინებთ დიფრაქციას თხელ ჭრილზე, რომელზეც სიბრტყე ტალღის ფრონტი პარალელურად ეცემა, მაშინ ჭრილიდან მოშორებით მდებარე ეკრანზე გამოჩნდება ნათელი და მუქი ზოლები. დიფრაქციის ნიმუშის მინიმალური რაოდენობა ამ შემთხვევაში აღწერილია შემდეგი ფორმულით:
ym=mλL/a, სადაც m=±1, 2, 3, …
აქ ym არის მანძილი ჭრილის პროექციადან ეკრანზე მინიმუმამდე m, λ არის სინათლის ტალღის სიგრძე, L არის მანძილი ეკრანამდე, a. არის ჭრილის სიგანე.
გამოსახულებიდან გამომდინარეობს, რომ ცენტრალური მაქსიმუმი უფრო ბუნდოვანი იქნება, თუ ჭრილის სიგანე შემცირდება დაგაზარდოს სინათლის ტალღის სიგრძე. ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს, თუ როგორი იქნება შესაბამისი დიფრაქციის ნიმუში.
დიფრაქციული ბადე
თუ ზემოთ მოყვანილი მაგალითიდან სლოტების ნაკრები ერთ ფირფიტაზეა გამოყენებული, მაშინ მიიღება ე.წ. დიფრაქციული ბადე. ჰაიგენს-ფრესნელის პრინციპის გამოყენებით, შეიძლება მივიღოთ ფორმულა მაქსიმუმებისთვის (ნათელი ზოლები), რომლებიც მიიღება სინათლეზე გავლისას. ფორმულა ასე გამოიყურება:
sin(θ)=mλ/d, სადაც m=0, ±1, 2, 3, …
აქ, პარამეტრი d არის მანძილი ბადეზე უახლოეს ჭრილებს შორის. რაც უფრო მცირეა ეს მანძილი, მით მეტია მანძილი ნათელ ზოლებს შორის დიფრაქციულ ნიმუშში.
რადგან კუთხე θ m-ე რიგის მაქსიმუმებისთვის დამოკიდებულია λ ტალღის სიგრძეზე, როდესაც თეთრი სინათლე გადის დიფრაქციულ ბადეში, ეკრანზე ჩნდება მრავალფერადი ზოლები. ეს ეფექტი გამოიყენება სპექტროსკოპების წარმოებაში, რომლებსაც შეუძლიათ გააანალიზონ სინათლის ემისიის ან შთანთქმის მახასიათებლები კონკრეტული წყაროს მიერ, როგორიცაა ვარსკვლავები და გალაქტიკები.
დიფრაქციის მნიშვნელობა ოპტიკურ ინსტრუმენტებში
ისეთი ინსტრუმენტების ერთ-ერთი მთავარი მახასიათებელი, როგორიცაა ტელესკოპი ან მიკროსკოპი, არის მათი გარჩევადობა. ეს არის გაგებული, როგორც მინიმალური კუთხე, როდესაც დაკვირვება ხდება, რომლის მიხედვითაც ცალკეული ობიექტები კვლავ განასხვავებენ. ეს კუთხე განისაზღვრება ტალღის დიფრაქციის ანალიზით რეილის კრიტერიუმის მიხედვით შემდეგი ფორმულის გამოყენებით:
sin(θc)=1, 22λ/დ.
სადაც D არის მოწყობილობის ლინზის დიამეტრი.
თუ ამ კრიტერიუმს გამოვიყენებთ ჰაბლის ტელესკოპზე, მივიღებთ, რომ მოწყობილობას 1000 სინათლის წლის მანძილზე შეუძლია განასხვავოს ორი ობიექტი, რომელთა შორის მანძილი მზესა და ურანს შორის მანძილის მსგავსია.
