8 Лекция. Жарық толқындарының интерференциясы және дифракциясы.

8.1. Толқындардың когеренттілігі

8.2. Жарық интерференциясы

8.3. Интерференциялық максимум және минимум шарттары

8.4. Френельдiң зоналар әдiсi.

8.5. Дөңгелек саңлаудағы дифракция.

8.6. Дискiдегi дифракция.

8.7. Фраунгофер дифракциясы.

8.8. Дифракциялық тор.

8.9. Кеңiстiктiк тордағы дифракция.

Когеренттілік деп кеңістікте және уақыт бойынша бірнеше тербелістің немесе толқындық жүйелердің үйлесімді түрде өтуін айтады.

Монохроматты толқындар – бір ғана тұрақты жиіліктегі бүкіл кеңістік бойынша шектелмей таралған толқындар. Нақтылы жарық көздері аса дәл монохроматты жарық бермейтіндіктен кез келген бір бірінен тәуелсіз жарық көздерінен шыққан сәулелер когерентті болмайды. Жарықты жарық көздеріндегі әрбір атомдар шамамен »10^-8c. уақыт мезетінде шығарады. Тек осы сәтте ғана атомдар шығарған толқындардың амплитудасы және тербеліс фазасы тұрақты болады. Монохроматты емес жарықты толқындық түйіншектер (волновые цуги) –атомдар шығаратын, бірін-бірі тез алмастырып тұратын гармониялық импульстердің жиыны түрінде қарастыруға болады.

Бір толқындық түйіншектің орташа уақыты когеренттілік уақыты деп аталады. Егер толқын біртекті ортада таралса, онда тербеліс фазасы кеңістіктің берілген нүктесінде тек когеренттілік уақытында ғана сақталады. Бұл уақыт мезетінде толқын вакуумде l_ког = с τ_ког ара қашықтығына тарайды. Бұл ара қашықтықты когеренттілік ұзындығы (немесе түйіншек ұзындығы) деп атайды. Сондықтан берілген жарық көзі үшін интерференцияны тек оптикалық жол ұзындығы когеренттілік ұзындығынан аз болғанда ғана бақылау мүмкін.

Уақытша когеренттілік деп — толқынның монохроматтық дәрежесімен анықталатын кеңістіктің берілген нүктесіндегі тербеліс когеренттілігін айтады. Уақытша когеренттілік берілген нүктедегі фазалардың өзгешелігі мәніне жеткенше сақталады.

Когеренттілік ұзындығы деп — толқынның когеренттілік уақытындағы ығысатын ара қашықтығын айтады...

Толқын түйіршігінің таралу бағытына перпендикуляр жазықтықта екі нүктенің ара қашықтығы артқанда олардың фазаларының кездейсоқ өзгеруі де артады.

Кеңістіктік когеренттілік – уақыттың бір мезетіндегі кеңістіктің әртүрлі нүктелеріндегі когеренттілік.

Кеңістіктік когеренттіліктің ұзындығы (когеренттілік радиусы): , мұндағы λ - толқын ұзындығы, Δφ- фазалар айырымы.

Жарық толқындарының интерференциясы байқалу үшін жарық көздері кеңістіктік когерентті болуы тиіс.

Жарық интерференциясы деп — кеңістікте екі немесе одан да көп когерентті жарық толқындарының беттесуінің нәтижесінде қорытқы толқынның амплитудасының күшейуін немесе әлсіреуін айтады.

Интерференциялық максимум шарты: Егер оптикалық жол айырымы вакуумдағы толқын ұзындығының бүтін санына (жарты толқын ұзындығының жұп санына), яғни

болса, онда болып, тербеліс бірдей фазада болады.

Интерференциялық минимум шарты: Егер оптикалық жол айырымы Δ, жарты толқын ұзындығының тақ санына , яғни

болса, онда болып, тербеліс қарсы фазада болады.

Интерференцияны байқаудың әдістері.

Лазер ойлап табылғанға дейін когерентті жарық шоқтарын екіге бөліп, әртүрлі оптикалық жол жүрген соң қайта беттестіріп, интерференциялық суретті байқаған..

1. Юнг әдісі. Өте жарықтанған S саңлауынан жарық екі S₁ және S₂, саңлауларына түсіп, ВС интерференция экранда байқалады (8.1-сурет).

2. Френель айнасы. Жарық S көзінен бір-біріне өте аз φ бұрышпен орналасқан екі жазық А₁О және А₂О айналарына түседі. Когерентті жарық көздері ретінде S₁ және S₂ жорамал

8.1-сурет көздері алынады.

Интерференциялық сурет жарықтың тікелей түсуінен қалқаланған Э экранында байқалады (8.2-сурет).

8.2-сурет

3. Френельдің қоспризмасы. S көзінен шыққан жарық призмалардан сынады да қоспризманың сыртында екі жорамал S₁ және S₂ жарық көздерінен тарағандай болады.

8.3-сурет.

4. Ллойд айнасы. S

жарық көзі М жазық айнасына өте жақын орналасады. Бұл жағдайда S жарық көзі мен оның айнадағы жорамал S₁ бейнесі когерентті жарық көздері болып табылады.

Екі саңлаудан байқалатын интерференциялық суретке есептеулер жүргізу.

Екі S₁ және S₂ саңлаулары бір-бірінен d ара қашықтықта орналасқан және когерентті көздер болсын. Э экраны саңлауларға параллель және одан l >> d ара қашықтықта орналассын (8.4-сурет).

Кез - келген A нүктесіндегі жарық қарқындылығы мына жол айырымымен анықталады: = S₂ - S₁ , мұндағы ,

, бұдан

8.4-сурет

немесе , l >> d болғандықтан , сондықтан

Максимумдардың орны

Минимумдардың орны:

Екі көрші максимумдардың (минимумдардың) x ара қашықтығы интерференциялық жолақтың ені деп аталады.

Интерференциялық сурет бір – біріне параллель әрі бірін-бірі кезек алмастыратын жарқын және солғын жолақтар түрінде байқалады.

Жұқа қабыршықтағы жарық интерференциясы

Мұнайдың жұқа қабыршығымен қапталған су бетінде, сабын қабыршығының бетінде және т.б. бақыланатын жұқа қабыршықтардың кемпірқосақ тәрізді түсі жұқа қабыршықтағы интерференциямен түсіндіріледі (8.5-сурет).

Параллель сәулелер шоғы қалыңдығы d мөлдір қабыршық бетке i бұрышымен түскенде, жарық бұл беттен жартылай шағылып, жартылай қабыршық арқылы өтіп, екінші беттен шағылады, қабыршық арқылы қайта өтедіде қабыршықтан шығып бірінші беттен шағылған жарықпен кездеседі. Бұл сәулелердің жүріс 8.5-сурет жол айырымы суреттен мынаған тең екендігін байқаймыз: 2dn cosr. Мұндағы n қабыршықтың сыну коэффициенті. Өйткені

Қабыршықты қоршаған ортаның сыну көрсеткіші n=1-ге тең деп алынған, ал /2 жарықтың бөлік шекарасында шағылуымен байланысты жарты толқын ұзындығын жоғалтуынан. Егер n>n болса, онда жарты толқын О нүктесінде жоғалады да жоғарыда аталған мүше таңбасы минус болады; егер n<n болса, онда жарты толқын С нүктесінде жоғалады. Онда, /2 таңбасы плюс болады. Жарықтың сыну заңын ескерсек (sin i=nsinr), онда n>nүшін мынаны аламыз:

+/2 (1)

Жұқа қабыршақтағы интерференциялық максимум шарты мынандай:

2d+ /2=m (m=0,1,2,…) (2)

Ал минимум шарты мынадай:

2d+ /2= (2m+1) /2 (m=0,1,2,…) (m=0,1,2,…)

1. Тең көлбеулік жолақтар (жазық параллель пластинкадағы алынған интерференция) Берілген ,d және n үшін сәулелердің әрбір i көлбеулігіне интерференциялық жолағы сәйкес келеді. Жазық параллель пластинкаға бірдей бұрыштармен түскен сәулелердің қосылуынан пайда болған интерференциялық жолақтар тең көлбеулік жолақтар деп аталады.

2. Тең қалыңдықты жолақтар (қалыңдығы айнымалы платинкадан алынған интерференция). Егер қабыршықты экранға экранда қабыршық кескіні алынатындай етіп линза арқылы проекцияласа, онда қабыршықтың тең қалыңдықтарына сәйкес нүктелер боынша өтетін жолақтармен жабылады.

1.Тең қалыңдықты жолақтардың классикалық мысалына Ньютон сақиналары жатады. Бұл сақиналар жарықтың жазық параллель пластинкамен оған жанасқан қисықтық радиусы үлкен жазық дөңес линзаның (8,6-сурет) арасындағы ауа саңлауында бақыланады. Жарықтың параллель шоғы линзаның жазық бетіне тік түседі де, линза

8.6-сурет. мен пластинка арасындағы ауа қабатының

жоғарғы және төменгі беттерінен жартылай шағылады. Шағылған сәулелер қосылғанда тең қалыңдықты жолақтар пайда болады. Жарық тік түскенде ол жолақтардың пішіні концентрлі шеңбер болады.

Шағылған жарықта оптикалық жүріс жол айырымы мынаған тең болады (n=1 ауа үшін жәнеi=0) , d – саңлау ені. Суреттен d –ның аз екендігін ескеріп мынаны аламыз: Онда интерференциялық максимум және минимум шарттарына сәйкес m –ші жарық және сәйкес m –ші қараңғы сақиналар. Радиустері тиісінше мынадай болады:

(m=0, 1, 2, …), (m=1, 2, 3, …)

Қазіргі обьективтерде пайдаланылатын линзалар саны өте көп болғандықтан, олардан шағылу да көп. Сондықтан жарық ағынының шығыны да үлкен болып келеді. Өткен жарықтың интенсивтігі әлсірейді, оптикалық аспаптың жарық күші кемиді. Бұл кемшілікті болдырмас үшін оптиканың жарықталынуын жүзеге асырады. Ол үшін линзаның бос бетіне сыну көрсеткіші линза материалының сыну көрсеткішінен аз жұқа қабатымен қаптайды.

Жарық ауа – қабыршық және қабыршық – шыны аралықтарының шекараларында шағылған кезде және когерентті сәулелердің интерференциясы пайда болады (8.7-сурет).

Қабыршықтың қалыңдығы мен шынының және қабыршықтың сыну көрсеткіштерін (n) және (n)қабыршықтың екі жақ бетінен шағылған сәулелер бірін – бірі өшіретіндей етіліп таңдалып алынады. Сонда мына шарттар орындалуы тиіс:

және nd=/4

8.7-сурет.

Гюйгенс – Френель принципі.

Дифракция–жарық толқындарының жолдарында кездескен бөгеттерді орағытып өтуі, немесе, анығырақ айтқанда — толқындардың таралу кезіндегі кез-келген бөгеттерден, яғни, геометриялық заңдылықтардан ауытқуы.

Дифракцияның негізгі заңдылықтары екі принцип арқылы түсіндірледі:

1. Гюйгенс принципі. Уақыттың кез-келген мезетінде жарық толқыны тарайтын толқындық беттің әр бір нүктесін элементар толқын көзі деп қарастыруға болады.

2. Интерференция заңы. Жарық толқын бетінің барлық нүктесі бірдей жиілікте тербеліп тұрады. Олардың фазалары да бірдей. Олай болса, оларды когерентті жарық көзінің жиынтығы деп қарастыруға болады.

Френель осы екі принципті біріктірді. Ол Гюйгенс –Френель принципі деп аталады. Бұл принцип бойынша толқын бетінің фронтының алдыңғы жағындағы нүктедегі тербелісті табу үшін сол нүктедегі толқындық беттің барлық нүктелерінен келген тербелістерді тауып, одан кейін олардың фазалары мен амплитудаларын ескере отырып қосу керек.

Френель зоналары. Гюйгенс принципі түсіндіре алмайтын жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңын Гюйгенс-Френель принципі бойынша түсіндіруге болады. S жарық көзінен жарық толқыны таралсын. Гюйгенс принципі бойынша жан-жаққа сфералық жарық таралады. Радиусы Р сфералық бет Φ жүргізейік. Енді M нүктесіндегі жарық толқынының әсерін анықтау үшін сол толқындық бетті дөңгелек зоналарға бөлеміз. Көршілес сфералар радиустарының бір-бірінен

8.8-сурет

айырмасы λ/2 – тең болатындай етіп аламыз. Сонда 1-ші сфераның радиусы b₁=b₀+λ/2,

2-кі b₂=b₁+λ/2, тағы сол сияқты- b_m=b_m-1+λ/2. Осы сфералар Φ толқындық бетті бірнеше зонаға бөледі. Оны Френель зоналары деп атайды (8.8-сурет)

М нүктесіне келген тербелістер амплитудасы кішірейе береді (A₁>A₂>A₃>…> Аm),. Мұндағы A₁ –орталық зонадан, A₂ A₃, A₄…-1,2, зоналардан келген толқындар қоздырған тербелістердің амплитудалары. М нүктесіне көршілес екі зонадан келетін тербелістердің фазалары қарама-қарсы болатындықтан, m зоналар әсерінен пайда болған қорытқы тербелістің А амплитудасы мынаған тең болады: А=А₁-А₂+А₃-А₄+…Аm. Егер m >> 1, A₁ >>A_m болған жағдайда :

Сөйтіп, өте көп зоналар немесе өте үлкен толқындық бет әсерінен пайда болған қорытқы тербелістің амплитудасы, орталық зонаның әсерінен пайда болған тербеліс амплитудасының жартысына тең. Барлық Френель зоналардың бетінің ауданы тең. Сыртқы Френель зонасының радиусытең.

Сонымен, жарықтың бір текті ортада түзу сызықтың бойымен таралуы элементар толқындар интерференциясының нәтижесі болады.

Френель дифракциясы. Егер жарық дифракцияланатын бөгет жарық көзімен бақылау нүктесіне жақын болса, сондағы байқалатын жарық дифракциясы Френель дифракциясы деп аталады. Дифракцияның бұл түрі кейде тоғысатын сәулелер дифракциясы деп те аталады.

Жарықтың кішкене дөңгелек саңылаудан өткенде дифракциялануы. ЖарқырауықS нүктеден таралған жарық жолына экран қояйық, оның кішкене дөңгелек саңлауы болсын (8.9-сурет). Саңлауға сиятын зоналар саны саңлаудың өлшемдеріне байланысты. Егер саңлаудың ауданына сыйған зоналар саны тақ және шақтаулы болса, онда B нүктесінің жарықталынуы максималь болады. Ал енді аумақтан жарық көзі мен бақылау нүктесіне дейінгі аралықтар тұрақты болған жағдайда аумақты жайлап үлкейтсе, онда одан өтетін зоналар саны

8.9-сурет

көбейеді, олардың саны тақ болғанда B нүктесінің жарықталынуы күшейеді, жұп болғанда- нашарлайды.

Жарықтың кішкене дөңгелек экран шетінен дифракциялануы. Жарқырауық S нүктеден таралған сфералық жарық толқынның жолында кішкене дөңгелек Э экран тұрған болсын. Сонда ол экран толқындық беттің орталық бөлігін бөгелтеді (8.10-сурет).

Егер дөңгелек Э m Френель зоналарды жапса, онда экранда тербелістің амплитудасы:

Сонымен B нүктесінде әрқашан интерференциялық максимум байқалады.

Параллель сәулелердің дифракциясы. ( Фраунгофер дифракциясы ) Егер бөгет жарық көзінен өте алыс болса, онда сол бөгетке түсетін жарық шоғы параллель болады, өйткені шексіз қашық толқындық бетті жазық бет деп санауға болады. Егер осындай жазық жарық толқыны дифракцияланғаннан соң жарық сәулелері бұрынғыша параллель болып таралса, сондағы байқалатын жарық дифракциясы Фраунгофер дифракциясы, немесе параллель сәулелер дифракциясы деп аталады.

Ені a=MN ұзын саңлауда болатын Фраунгофер дифракциясын қарастырайық.. MC және ND шоқтарының арасындағы жүру жолдарының оптикалық айырмашылығы:

∆= NF sin aφ. MN толқындық бетті Френель зоналарына бөлейік. Әр зонаның еніне ∆: λ/2 зона сәйкес келеді. Толқындық фронттың әр нүктесінің фазасы және амплитудасы біркелкі. Сондықтан көршілес Френель зоналарының тербеліс қарқындылығы нольге тең болады. Яғни:1) егер, Френель зоналарының саны тақ болса,онда: дифракциялық минимум шарты

2)егер, Френель зоналарының саны жұп болса, онда

дифракциялық максимум шарты

Дифракциялық тордағы Фраунгофер дифракциясы.

Бір саңылаудан пайда болатын дифракцияны қарастырғанда ақ және қараңғы жолақтар бірінен кейін бірі орналасқанын

8.10-сурет

байқадық. Енді жарық сәулелерін бір саңылаудан ғана өткізбей, осындай бірнеше саңылаудан өткізсек , онда пайда болған ақ және қара жолақтардың ені бір саңылаудан өткен жолақтардың еніне қарағанда енсіздеу (аздау) және жарығырақ болатыны байқалған. Осы жолақтарды дифракциялық бейне деп атайды. Ондай бейнелерді алу үшін дифракциялық тор пайдаланылады. Дифракциялық тор деп параллель орналасқан ені бірдей саңылаулар жиынтығын айтамыз. Дифракциялық тор әдетте шыны пластинканың бетіне сызат жасау арқылы алынады. 1мм шыны пластинкаға 1200-ге дейін сызат салынады. Егер жарық өткізбейтін бөліктің енін b, ал өткізетін бөліктің енін a десек, онда d=a+b – тор периоды деп аталады. Тор периоды мен жарықтың толқын ұзындығының арасында мынадай байланыс бар: , мұндағы к=0, ±1, ±2...- спектр реті.

Дифракциялық тор күрделі жарықты спектрлерге жіктей алады. Сондықтан дифракциялық тор жарық құрамын зерттеу үшін пайдаланылатын құралдардың негізгі бөлігі болып саналады. Ол құралдарды торлы спектрлік құралдар немесе дифракциялық спектроскоп деп атайды.

Дифракциялық тордың ажырату қабілеті деп толқын ұзындықтарының айырмасы өте аз, екі сызықты спектрді ажыратып бақылау мүмкіншілігін айтады. Тордың ажырату қабілетін сан жағынан сипаттау ретінде мынадай шама қабылданған:

Бұл шаманы басқаша дифракциялық тордың ажырату күші деп атайды. Мұндағы λ- ажыратылатын сызықтық спектрлердің толқын ұзындықтарының орташа мәні; - олардың толқын ұзындықтарының айырымы, яғни бір бірінен ажыратуға болатын толқын ұзындығының мәні.

Теория жүзінде дифракциялық тордың ажырату қабілеті тор саңылауларының жалпы санына N пропорционал болатындығын дәлелдеп көрсетуге болады. Яғни:

A=kN мұндағы: k-спектрдің реттік саны. Сонымен тордың ажырату қабілеті оның саңылауларының жалпы саны мен спектрдің қайталану қатарын көрсететін реттік санның көбейтіндісіне тең шама болады.

Егер параллель рентген сәулелерінің шоғы атомдық жазықтыққа бұрышпен кристаллға түссе, және сәулелер кристалдың атомдық жазықтықтарының бір қатарынан шағылса, онда кристалдың көршілес атомдарының (немесе иондарының) қабаттарынан шағылған сәулелер арасында жүріс жол айырымы пайда болады. Мұндағы d – кристалдағы атомдар (немесе иондар) қабаттарының арасындағы ара қашықтық.

Дифракцияланатын сәулелер интенсивтігінің максимумы жүріс жол айырымы толқын ұзындығының бүтін санына тең болатын бұрышқа сәйкес келеді:

(к=0,1,2,3,) Бұл формула Вульф-Брэгг формуласы деп аталады.