§ 11.4. Дифракция. Условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса - Френеля

Наблюдаемая на опыте прямолинейность распространения волн (лучей) выражается в образовании геометрической тени непрозрачного для волн предмета, при этом форма тени повторяет контуры предмета. Дифракция – волновой процесс, проявляющийся в нарушении при определенных условиях прямолинейности распространения волн, огибание ими препятствий и попадания волны в область геометрической тени. В дифракционном изображении предмета зачастую очень трудно узнать его геометрическую форму. Дифракция, как и интерференция свойственна волнам любой природы. Представьте себе, что Вы со спутником идете по улице, и Ваш спутник только что повернул за угол дома, но Вы его уже не видите. Окликнув его, Вы услышите отзыв. Звук – механические волны, их длина в воздухе порядка 10^-1м, свет - электромагнитные волны, их длина на пять порядков меньше, чем у звуковых. Звук обогнул угол дома, свет не смог это сделать. В данном примере мы четко наблюдаем дифракцию звуковых волн, а дифракция световых волн себя не обнаруживает: звук ведет себя как волна, а свет как геометрический луч. Причина проста: волна дифрагирует на препятствиях, размеры которых d не слишком велики по сравнению с длиной волны λ. Если размеры препятствия очень велики, то дифракция незаметна. Итак, условия наблюдения дифракции:

d≥λ (11.4.1)

Знак ≥ обычно пишут, используя не прямую, а волнистую черту, означающую приблизительное равенство. Это значит, что стоящая слева от него величина приблизительно равна, но все-таки больше стоящей справа. Применительно к дифракции это условие соответствует различию на 1-2 порядка. При d»λ предметы отбрасывают четкую геометрическую тень, огибание волнами препятствий незаметно.

Механизм дифракции объясняет принцип Гюйгенса – Френеля:

• каждая точка фронта волны является вторичным точечным источником, испускающим полусферическую волну; новое положение фронта волны есть огибающая фронтов волн вторичных источников (Гюйгенс);

• вторичные волны когерентны, и они создают на экране интерференционную картину (Френель).

Пусть на непрозрачную преграду с отверстием падает параллельный пучок лучей света (рис.54). Когда фронт волны достигнет преграды, его открытую часть представим как совокупность вторичных источников полусферической волны. Некоторые из них показаны на рисунке точками. Фронты этих волн – полусферы с центрами во вторичных источниках, радиус их растет со скоростью распространения колебаний. Видно, что фронты волны проникают за края отверстия в область геометрической тени. В каждую точку экрана приходят лучи от всех вторичных источников и интерферируют. Разность хода этих лучей, а, значит, и результат интерференции, зависит от положения точки на экране: в одних областях экрана будет максимум, в других – минимум интерференции. Волнистая линия - интенсивность I падающего на экран света – изображает дифракционную картину.

Великий художник и естествоиспытатель эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (XV в.) наблюдал, что на экране тень от резкого края непрозрачной преграды размыта и представляет собой чередующиеся темные и яркие полосы. Дифракцию света в XVII в. открыл итальянский ученый Гримальди.