1.2. Дифракция

Сдревних времен было известно, что свет распространяется вдоль прямой лини. Световой луч считался ее эталоном.

Это означает, что световой луч не может проникнуть в область геометрической тени.

В 1665 г. была опубликована работа итальянского физика Гримальди, в которой он отметил, что тень от предмета на экране может быть размытой. При этом в области размытия тени видна радужная полоска.

Открытое им явление Гримальди назвал дифракцией.

В настоящее время дифракцией называют любое отклонение в распространении волн от законов геометрической оптики. В частности, это проникновение волн в область геометрической тени.

Дифрагировать могут не только световые волны, но и волны другой природы (например, звуковые волны).

Следует отметить, что дифракция волн заметна, если размеры препятствий на пути волн сопоставимы с длиной волны.

Поэтому дифракция света становится заметной, если на его пути встречаются препятствия, размеры которых имеют величину порядка микрона. На более крупных препятствиях дифракцию света заметить трудно.

В то же время звуковые волны легко проникают за препятствия, размеры которых порядка метров (например, можно слышать звук, испускаемый источником, находящимся за углом дома). Это объясняется тем, что размеры препятствия и длина звуковой волны сопоставимы.

1.2.1. Принцип Гюйгенса–Френеля

Представьте себе упругую волну, распространяющуюся в некоторой среде вдоль оси х.

Появление этой волны обусловлено колебаниями некоторой частицы cреды S, именуемой источником.

Если волна не затухает, то колебания любой другой частицы среды, напримерS₁, происходят по тому же закону, что и колебания источника. Отличие лишь в начальной фазе.

Изменится ли волна, идущая правее частицы S₁, если в качестве источника использовать эту частицу S₁?

Нет, не изменится. Ведь частицы, расположенные за частицей S₁, не «знают», какая именно частица является источником.

Это позволяет сказать: каждую частицу, участвующую в волновом процессе, можно считать источником волны.

То же самое можно сказать и о электромагнитной волне: каждую точку пространства, в котором существует электромагнитная волна, можно считать ее источником.

Примерно к такому выводу в конце XVII в. пришел голландский ученый Христиан Гюйгенс, изучавший проблемы распространения света. Сформулированный им принцип гласит:каждая точка, до которой дошла волна, представляет собой источник вторичной сферической волны; огибающая вторичных волн представляет собой фронт волны.

Если следовать логике Гюйгенса, то легко объяснить явление проникновения света в область геометрической тени – ведь если каждая освещенная точка испускает свет во все стороны (а это и есть сферическая волна), то лучи обязательно попадут и в область тени!

Примерно через сто лет молодой французский физик Огюстен Жан Френель дополнил принцип Гюйгенса.

Он отметил, что волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируют. Причем, поскольку колебания вторичных источников возбуждены одним первичным источником, вторичные источники когерентны. Если же в качестве вторичных выбрать источники, лежащие на волновой поверхности, то их колебания будут синфазными. Поэтому интерференция идущих от них волн устойчива и энергия волн, прошедших за препятствие, перераспределяется.

Это фундаментальное для волновой оптики положение носит название принципа Гюйгенса–Френеля.

Сформулированный Френелем принцип позволил ему объяснить природу явления дифракции.