Алты маанилүү кубулуш жарык толкунунун жолунда тоскоолдукка туш болсо, анын жүрүм-турумун сүрөттөйт. Бул кубулуштарга жарыктын чагылышы, сынуусу, поляризациясы, дисперсиясы, интерференциясы жана дифракциясы кирет. Бул макалада алардын акыркыларына көңүл бурулат.
Жарыктын табияты жана Томас Янгдын эксперименттери жөнүндөгү талаштар
17-кылымдын ортосунда жарык нурларынын табияты боюнча бирдей шартта эки теория болгон. Алардын биринин негиздөөчүсү Исаак Ньютон болгон, ал жарыкты заттын тез кыймылдаган бөлүкчөлөрүнүн жыйындысы деп эсептеген. Экинчи теорияны голландиялык окумуштуу Кристиан Гюйгенс чыгарган. Ал жарыкты үн аба аркылуу тарагандай чөйрөдө таралуучу толкундун өзгөчө түрү деп эсептеген. Гюйгенстин айтымында, жарык үчүн чөйрө эфир болгон.
Эфирди эч ким ачпагандыктан жана ал кезде Ньютондун авторитети чоң болгондуктан, Гюйгенстин теориясы четке кагылган. Бирок, 1801-жылы англиялык Томас Янг төмөнкүдөй эксперимент жүргүзгөн: ал монохроматтык жарыкты бири-бирине жакын жайгашкан эки кууш тешиктен өткөргөн. Өтүүал жарыкты дубалга чыгарды.
Бул тажрыйбанын натыйжасы кандай болду? Эгерде жарык Ньютон ойлогондой бөлүкчөлөр (корпускулалар) болсо, анда дубалдагы сүрөттөлүш ар бир тешиктен чыккан ачык эки жаркыраган тилкеге туура келет. Бирок Юнг такыр башка сүрөттү байкаган. Дубалда бир катар караңгы жана ачык тилкелер пайда болду, ачык сызыктар эки тешиктин сыртында да пайда болду. Сүрөттөлгөн жарык үлгүсүнүн схемалык көрүнүшү төмөнкү сүрөттө көрсөтүлгөн.
Бул сүрөт бир нерсени айтты: жарык бул толкун.
Дифракция кубулушу
Янгдын эксперименттериндеги жарык үлгүсү жарыктын интерференция жана дифракция кубулуштары менен байланышкан. Эки кубулушту бири-биринен ажыратуу кыйын, анткени бир катар эксперименттерде алардын биргелешкен эффектин байкоого болот.
Жарыктын дифракциясы өзүнүн жолунда өлчөмдөрү толкун узундугуна окшош же андан азыраак болгон тоскоолдукка туш болгондо толкун фронтун өзгөртүүдөн турат. Бул аныктамадан дифракция жарыкка гана эмес, башка толкундарга, мисалы, үн толкундарына же деңиз бетиндеги толкундарга да мүнөздүү экени көрүнүп турат.
Бул көрүнүш эмне үчүн табиятта байкалбай турганы да түшүнүктүү (жарыктын толкун узундугу бир нече жүз нанометр, ошондуктан ар кандай макроскопиялык объекттер ачык көлөкө түшүрөт).
Гюйгенс-Френель принциби
Жарыктык дифракция кубулушу аталган принцип менен түшүндүрүлөт. Анын маңызы төмөнкүдөй: таралуучу түз сызыктуу жалпактолкун фронту экинчи толкундардын козголушуна алып келет. Бул толкундар шар формасында, бирок чөйрө бир тектүү болсо, анда бири-бирине үстөмдүк кылып, алар баштапкы жалпак фронтко алып келет.
Кандайдыр бир тоскоолдук пайда болоору менен (мисалы, Юнгдун экспериментиндеги эки боштук) ал экинчи толкундардын булагына айланат. Бул булактардын саны чектелгендиктен жана тоскоолдуктун геометриялык өзгөчөлүктөрү менен аныкталгандыктан (эки ичке уячада эки гана экинчи булак бар), пайда болгон толкун мындан ары баштапкы жалпак фронтту жаратпайт. Акыркысы өзүнүн геометриясын өзгөртөт (мисалы, ал сфералык формага ээ болот), анын үстүнө жарыктын интенсивдүүлүгүнүн максималдуу жана минимумдары анын ар кайсы бөлүктөрүндө пайда болот.
Гюйгенс-Френель принциби жарыктын интерференция жана дифракция кубулуштары ажырагыс экенин көрсөтөт.
Дифракцияны байкоо үчүн кандай шарттар керек?
Алардын бири жогоруда айтылган: бул кичинекей (толкун узундугунун тартибинде) тоскоолдуктардын болушу. Эгер тоскоолдук салыштырмалуу чоң геометриялык өлчөмдөрдө болсо, дифракция схемасы анын четтерине жакын жерде гана байкалат.
Жарыктын дифракциясынын экинчи маанилүү шарты – бул ар түрдүү булактардан келген толкундардын когеренттүүлүгү. Бул алар туруктуу фаза айырмасы болушу керек дегенди билдирет. Бул учурда гана, кийлигишүүдөн улам, туруктуу сүрөттү байкоого болот.
Булактардын ырааттуулугуна жөнөкөй жол менен жетишилет, бир булактан кандайдыр бир жарык фронтун бир же бир нече тоскоолдуктардан өткөрүү жетиштүү. Булардан экинчи даражадагы булактартоскоолдуктар мурунтан эле ырааттуу болуп иштейт.
Жарыктын интерференциясын жана дифракциясын байкоо үчүн негизги булактын монохроматтуу болушу такыр зарыл эмес экенин эске алыңыз. Бул төмөндө дифракциялык торду карап жатканда талкууланат.
Френель жана Фраунгофер дифракциясы
Жөнөкөй сөз менен айтканда, Френель дифракциясы – тешикке жакын жайгашкан экрандагы үлгүнү текшерүү. Ал эми Фраунгофер дифракциясы тешиктин туурасынан бир топ чоң аралыкта алынган үлгүнү карайт, мындан тышкары, ал тешиктеги толкундун бети тегиз деп болжолдойт.
Дифракциянын бул эки түрү айырмаланат, анткени алардагы мыйзам ченемдүүлүктөр ар башка. Бул каралып жаткан кубулуштун татаалдыгына байланыштуу. Чындыгында, дифракциялык маселенин так чечилишин алуу үчүн Максвеллдин электромагниттик толкундар теориясын колдонуу зарыл. Жогоруда айтылган Гюйгенс-Френель принциби иш жүзүндө колдонууга жарамдуу натыйжаларды алуу үчүн жакшы жакындоо болуп саналат.
Төмөнкү сүрөттө экранды тешиктен алыстатканда дифракция үлгүсүндөгү сүрөт кандай өзгөрөрүн көрсөтүп турат.
Сүрөттө кызыл жебе экрандын жаракага жакындоо багытын көрсөтөт, башкача айтканда, жогорку фигура Фраунгофер дифракциясына, ал эми төмөнкүсү Френельге туура келет. Көрүнүп тургандай, экран тешикке жакындаган сайын, сүрөт татаалдашат.
Мындан ары макалада Фраунгофер дифракциясын гана карайбыз.
Ичке тешик аркылуу дифракция (формулалар)
Жогоруда белгиленгендей,дифракциялык схема тоскоолдуктун геометриясына көз каранды. Толкун узундугу λ болгон монохроматтык жарык менен жарыктандырган, туурасы а болгон ичке жылчыкта минимумдардын (көлөкөлөрдүн) позицияларын
теңдигине туура келген бурчтар үчүн байкоого болот.
sin(θ)=m × λ/a, мында m=±1, 2, 3…
Бул жерде тета бурч оюктун борбору менен экранды бириктирген перпендикулярдан ченелет. Бул формула урматында экрандагы толкундардын толук демпациясынын кайсы бурчтарда болорун эсептөөгө болот. Мындан тышкары, дифракциянын тартибин, башкача айтканда m санын эсептөөгө болот.
Биз Фраунгофер дифракциясы жөнүндө сөз болуп жаткандыктан, анда L>>a, мында L – экрандын тешиктен алыстыгы. Акыркы теңсиздик бурчтун синусун y координатанын L аралыкка жөнөкөй катышы менен алмаштырууга мүмкүндүк берет, бул төмөнкү формулага алып келет:
ym=m×λ×L/a.
Бул жерде ym – экрандагы m иретинин минималдуу позициясынын координаты.
Жарык дифракция (анализ)
Мурунку абзацта келтирилген формулалар толкун узундугунун λ же жарыгынын кеңдигинин өзгөрүшү менен дифракциялык түзүлүштөгү өзгөрүүлөрдү анализдөөгө мүмкүндүк берет. Ошентип, а маанисинин жогорулашы биринчи даражадагы минимум y1 координатасынын төмөндөшүнө алып келет, башкача айтканда, жарык тар борбордук максимумга топтолот. Тешиктин туурасынын азайышы борбордук максимумдун чоюлушуна алып келет, б.а., бүдөмүк болуп калат. Бул жагдай төмөнкү сүрөттө көрсөтүлгөн.
Толкун узундугун өзгөртүү тескери натыйжа берет. λ чоң маанилерисүрөттүн бүдөмүк болушуна алып келет. Бул узун толкундар кыска толкундарга караганда жакшыраак дифракцияланат дегенди билдирет. Акыркысы оптикалык приборлордун чечүүчүлүгүн аныктоодо принципиалдуу мааниге ээ.
Оптикалык аспаптардын дифракциясы жана резолюциясы
Жарыктын дифракциясын байкоо телескоптун, микроскоптун, жада калса адамдын көзү сыяктуу кандайдыр бир оптикалык прибордун резолюциясынын чектөөчүсү болуп саналат. Бул түзүлүштөр жөнүндө сөз болгондо, алар дифракцияны тешик аркылуу эмес, тегерек тешик аркылуу карашат. Ошого карабастан, мурда жасалган тыянактардын баары чындык бойдон калууда.
Мисалы, биз планетабыздан абдан алыс жайгашкан эки жарык жылдызды карайбыз. Биздин көзүбүзгө жарык кирген тешик карек деп аталат. Торчодогу эки жылдыздан эки дифракциялык схема түзүлөт, алардын ар бири борбордук максимумга ээ. Эгерде жылдыздардын жарыгы карекке белгилүү бир критикалык бурч менен түшсө, анда эки максимум тең биригет. Бул учурда, адам жалгыз жылдызды көрөт.
Чечүү критерийин Лорд Дж. В. Рэйли белгилеген, ошондуктан ал учурда анын фамилиясын алып жүрөт. Тиешелүү математикалык формула мындай көрүнөт:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Бул жерде D – тегерек тешиктин диаметри (объективдин, каректин ж.б.).
Ошентип, чечмеликти линзанын диаметрин көбөйтүү же узундугун азайтуу аркылуу көбөйтүүгө болот (θc азайтыңыз)толкундар. Биринчи вариант θc адамдын көзүнө салыштырмалуу бир нече эсеге азайтууга мүмкүндүк берүүчү телескоптордо ишке ашырылат. Экинчи вариант, башкача айтканда, λду азайтуу, окшош жарыктык приборлорго караганда 100 000 эсе жакшыраак чечимге ээ болгон электрондук микроскоптордо колдонулат.
Дифракциялык тор
Бул бири-биринен d аралыкта жайгашкан ичке уячалардын жыйындысы. Эгерде толкун фронту жалпак болсо жана бул торго параллель болсо, анда экрандагы максимумдардын абалы
туюнтмасы менен сүрөттөлөт.
sin(θ)=m×λ/d, мында m=0, ±1, 2, 3…
Формулада нөлдүк даражадагы максимум борбордо, калгандары кээ бир бурчтарда θ жайгашканын көрсөтөт.
Формулада θ нин λ толкун узундугунан көз карандылыгы камтылгандыктан, бул дифракциялык тор жарыкты призма сыяктуу түскө ажырата алат дегенди билдирет. Бул факт спектроскопияда ар кандай жарык берүүчү объекттердин спектрлерин талдоо үчүн колдонулат.
Балким, жарыктын дифракциясынын эң белгилүү мисалы бул DVDдеги түстөрдүн көлөкөлөрүн байкоо. Андагы оюктар дифракциялык тор болуп саналат, ал жарыкты чагылдыруу менен аны бир катар түстөргө ажыратат.
