Лекция 13 Дифракция волн, условия ее наблюдения

1 Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера

2 Метод зон Френеля и его применение для объяснения дифракционных явлений

3 Графическое определение амплитуд при дифракции

13.1 Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера

Почему мы слышим музыку или разговор людей, находясь вне зоны прямой видимости с источником звука, например, за углом дома? Как попадает свет в область пространства, закрытую экраном с малыми угловыми размерами (пятно Пуассона)? Что является причиной образования системы радужно окрашенных пятен при наблюдении за светящейся электрической лампочкой сквозь ткань или при наблюдении во влажном осеннем воздухе за фарами приближающегося автомобиля? Почему мы не видим промежутка между близко расположенными друг от друга точками? Чем ограничены возможности микроскопа и других оптических приборов?

Ответить на эти вопросы мы сможем, познакомившись с явлением дифракции волн.

Дифракция волн (от лат. diffractus - разломанный, преломлённый) – в первоначальном, узком смысле – огибание волнами препятствий. В современном, более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. При таком общем толковании дифракция волн переплетается с явлениями распространения и рассеяния волн в неоднородных средах. Вследствие дифракции волны могут попадать в область геометрической тени: огибать препятствия, стелиться вдоль поверхностей, проникать через небольшие отверстия в экранах и т.п. Например, звук может быть услышан за углом или радиоволна может проникнуть за горизонт даже без отражения от ионосферы.

Термин дифракция употребляется также для обозначения одного из свойств волн (волны могут отражаться, преломляться, дифрагировать, проходить через среду, поглощаться ею и т.д.).

На дифракционные явления впервые обратил внимание знаменитый художник и естествоиспытатель Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.), а в 1665 г. более подробно их описал Гримальди. Вероятно, эти наблюдения не были известны Гюйгенсу, иначе он воспользовался бы ими как дополнительным доводом в пользу волновой природы света в своей монографии (1678 г.).

Дифракционные явления практически не зависят от природы дифрагирующих полей (в частности, они свойственны продольным и поперечным волнам) и в большинстве случаев объясняются в рамках линейного волнового уравнения или вытекающих из него соотношений. Важнейшим из них является принцип Гюйгенса – Френеля, согласно которому волновое поле в произвольной точке складывается из вторичных волн, испускаемых некоторыми фиктивными источниками на поверхности (строго говоря, замкнутой), отделяющей эту точку от первичной падающей волны. Поэтому, поставив на пути волн экран с малым отверстием (размеры которого порядка или меньше длины длины волны , получим в отверстии экрана источник, излучающий вторичную сферическую волну, распространяющуюся также и в область тени. Два разнесенных отверстия (или щели) излучают две сферические волны, которые, интерферируя, образуют дифракционную картину с чередующимися максимумами и минимумами излучения (вспомните опыт Юнга, который был рассмотрен при изучении интерференции волн). Периодический набор щелей составляет дифракционную решетку. Когда такие системы применяют в качестве излучателей, они называются дифракционными антеннами.

Из сказанного ясно, что для объяснения характера распределения волнового поля после прохождения препятствия (после дифракции) необходимо привлечение теории интерференции волн, так как дифракционная картина формируется в результате интерференции вторичных волн, образовавшихся при взаимодействии падающих волн с препятствием. Представление о возникновении вторичных волн, порождаемых всеми элементами волнового фронта, дополненное утверждением об интерференции вторичных волн, составляет суть принципа Гюйгенса – Френеля.

Структура дифракционного поля существенно зависит от расстояния между излучателем и точкой наблюдения. При наблюдается дифракция Френеля, или дифракция сферических волн, или дифракция в сходящихся лучах. При наблюдается дифракция Фраунгофера, или дифракция плоских волн, или дифракция в параллельных лучах. Здесь − характерный размер всего излучателя (диаметр отверстия, радиус кривизны края препятствия, длина решетки и т.п.). Наиболее отчетливо дифракция начинает проявляться при . Так, дифракция волн на воде м) или дифракция звука в воздухе см) может наблюдаться практически всегда. Для наблюдения дифракции света см) требуется выполнение особых условий (игольчатое отверстие, острый край бритвы и т.п.). Для реализации дифракции рентгеновских лучей ( см) приходится использовать кристаллические решетки.

Явления дифракции могут иметь место и в области микромира, так как объекты квантовой механики проявляют в определенных условиях волновые свойства. Эти явления мы рассмотрим в курсе физики атома, при знакомстве со свойствами микрочастиц, а пока познакомимся с опытами по наблюдению явления дифракции волн.