5.1.4. Дифракция света

При распространении волн в однородной среде форма волнового фронта и другие параметры волн сохраняются. Если же среда неоднородна, то волновой фронт искажается, волна рассеивается, изменяет направление, огибает препятствия и т.д. Неоднородностями среды могут быть элементы объема с отличающейся плотностью вещества (для упругих волн), с иными диэлектрическими и магнитными свойствами (для электромагнитных волн), с другими показателями преломления или коэффициентами поглощения (для света).

Дифракция волн – это явление изменения направления распространения волн при взаимодействии их с неоднородностями среды, размеры которых соизмеримы с длиной волны.

Дифракция приводит к огибанию волнами препятствий и проникновению их в область геометрической тени. Её легко осуществить для упругих волн. Например, волны на поверхности воды огибают опоры моста, звук слышен за стеной и т.д.

Дифракция – это явление, присущее только волновым процессам. Детальный анализ показывает, что причиной дифракции является возникновение вторичных волн в результате вынужденных колебаний электронов веществ под действием электрического поля световой волны. Вторичные волны являются когерентными, поэтому при их наложении возникают максимумы и минимумы интерференции. Возникшее при этом перераспределение энергии световых волн называют дифракционной картиной.

Расчет дифракционной картины является очень важной практической задачей, так как дает большую информацию о свойствах световой волны и о физических особенностях рассеивающих объектов.

Дифракция света нашла широкое распространение в области повышения качества оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.), спектральном анализе веществ, в исследовании атомной структуры веществ с помощью рентгеновских лучей и т.д. Для разложения света в спектр в приборах спектрального анализа наряду с призмой используют дифракционную решётку.

Дифракционная решётка

Дифракционная решетка – это совокупность N параллельных щелей, шириной “b” в непрозрачном экране, расположенных на одинаковых расстояниях “а” друг от друга. Повторяющийся фрагмент d = а + b называется периодом решетки. Решетку можно изготовить, нанеся царапины на стеклянной пластинке.

Если на решетку направить параллельный пучок монохроматических волн нормально к её поверхности, то на экране будут наблюдаться максимумы и минимумы освещенности. Эта дифракционная картина является результатом наложения интерференции волн от N когерентных источников (щелей) и дифракции волн на отдельной щели, усиленной в N раз.

Рис. 5.2

Из рис (5.2) видно, что интерференция волн от соседних щелей дает максимумы для тех углов , которые создают разность хода, равную целому числу m длин волн : . (5.7) Это условие главных максимумов.

Именно главные максимумы представляют практический интерес и формула (5.7) применяется для определения длин волн в спектрах излучения различных веществ.

При освещении решетки немонохроматическим светом каждый максимум распадается на цветные линии, т.к. каждому значению в пределах данного m соответствует свой угол .

Использование дифракционной решетки в качестве спектрального прибора возможно при соблюдении ряда требований. Основные требования отражаются понятиями угловая дисперсия , которая характеризует степень пространственного разделения волн с различными длинами и разрешающая способность , где – наименьшая разность длин волн спектральных линий, при которой эти линии воспринимаются раздельно.

Легко видеть, что

, . (5.8)

Эти величины зависят от порядка спектра “m”, от числа штрихов N (периода решетки d). Эти формулы справедливы для максимумов одинаковой интенсивности и при расширении линий, обусловленном только дифракцией.

Необходимо также соблюдение условия сравнимости длины волны и периода решетки.