Дифракція хвиль - це... Значення, принцип дії
Опубликованно 27.07.2018 08:58
У природі надзвичайно широко поширені хвильові явища як речового, так і польового характеру. Незважаючи на різноманітність, всі вони виявляють спільні риси і описуються одними й тими ж законами фізики. До числа таких феноменів належить дифракція хвиль. Це універсальна властивість, властиве хвилях будь-якого походження, і тут ми звернемо увагу на деякі його аспекти, зокрема на те, як вона себе проявляє і яку відіграє роль у різних фізичних процесах. Сутність явища
У широкому сенсі дифракція хвиль – це відступ поширюється в просторі коливального процесу від ряду принципів, що складають основу геометричної оптики. До них відносяться постулати, які стверджують прямолінійне і незалежне поширення променів і складання освітленостей при їх сходження.
У вузькому, традиційному сенсі дифракцію розуміють як об'їзд хвилею будь-якої перешкоди. При відхиленні її від прямолінійного шляху перешкоди, якщо його розміри порівнянні з довжиною хвилі, відбувається викривлення поверхні хвильового фронту, завдяки чому хвиля потрапляє в область геометричної тіні, створюваної перешкодою. Наприклад, акустичні хвилі вільно огинають стовбур дерева, тому що їх довжина порівнянна з товщиною стовбура, а світлові хвилі можуть проникнути лише в невелику область тіні, створюваної деревом.
Існує просте співвідношення, що дозволяє оцінити силу прояву ефекту дифракції. Довжина хвилі ? в цьому співвідношенні зв'язується з шириною хвильового фронту d, обмеженої перешкодою: ?/d. Очевидно, що дифракція виявляється тим сильніше, чим коротша хвильовий фронт і чим довша хвиля. Принцип Гюйгенса
Опис того, як хвиля змінює напрямок при дифракції, дає принцип Гюйгенса. Він розглядає рух хвилі як безперервне збудження вторинних хвиль в кожній точці, якої досягає переміщається хвильовий фронт. Якщо хвиля зустрічає перешкоду, наприклад, екран з отвором, що обмежує ширину її фронту, то ця ділянка також можна представити як сукупність джерел сферичних (характерних для ізотропного середовища) вторинних хвиль.
Лінія, що огинає поверхні цих хвиль, буде викривлена тим сильніше, чим менше розмір отвори в екрані. Напрямки, по яких поширюються хвилі, являють собою нормалі до цієї лінії, викривлення якої призводить до їх розбіжності. Отже, із зменшенням розміру отвору хвиля все далі заходить в геометричну тінь. Інтерференція хвиль при їх відхиленні
Принцип Гюйгенса нічого не говорить нам про інтенсивності дифрагирующей хвилі, оскільки не стосується питання про те, що відбувається з її амплітудою. Відповідне доповнення вніс О. Френель, вказавши на факт інтерференції вторинних хвиль. Згідно з принципом Гюйгенса – Френеля, такі хвилі когерентны, і їх амплітуда і фаза пропорційні таким у падаючої на перешкоду хвилі. Хвильова картина при дифракції являє собою результат накладання (суперпозиції) цих вторинних хвиль, тобто дає інтерференційний ефект.
Якщо ми спостерігаємо світ, то при його дифракції в точці спостереження (на спеціальному екрані, розташованому на деякій відстані від перешкоди) буде видно характерна система чергування амплітудних максимумів і мінімумів. Таким чином, інтерференція та дифракція хвиль – явища, нерозривно пов'язані. Зони Френеля
Френель вирішив задачу про інтерференції, розбивши поверхня фронту хвилі на так звані півхвильові зони. Це ділянки, межі яких віддалені від спостерігача на відстані, що розрізняються на половину довжини падаючої на перешкоду хвилі. Зрозуміло, що вторинні хвилі, які виходять із сусідніх зон, коливаються в протифазі і тому гасять один одного. У той же час амплітуди хвиль, збуджених джерелами, розділеними однією зоною Френеля, навпаки, складаються. Підсумком є інтерференційна хвильова картина.
Велике значення має кут між напрямком на спостерігача і нормаллю до фронту падаючої хвилі. Чим він більше, тим менше стає амплітуда, а отже, і інтенсивність. Дифракція електромагнітних хвиль
Ці хвилі, що представляють собою не коливання частинок будь-якої речової середовища, а поширення збурень електромагнітного поля, в повній мірі схильні до дії цікавить нас явища. Електромагнітні хвилі характеризуються надзвичайно широким спектром довжин, тому і дифракція їх дуже відрізняються за умовами та прояву.
Так, радіохвилі відхиляються великими перешкодами. Добре відоме явище дифракції довгих радіохвиль на кривизну земної поверхні, завдяки чому вони здатні огинати її опуклість. А ось короткохвильове рентгенівське випромінювання дифрагує лише на дуже малих об'єктах, таких як елементи кристалічних решіток – молекули і атоми.
Трохи докладніше зупинимося на оптичному діапазоні, через наочності картини зручному для вивчення дифракції хвиль.
Дифракція світла на різних перешкодах
У разі лінійної форми перешкоди (це може бути волосся, нитка, екран з вузькою щілиною або прямий край екрана) дифракційна картина має вигляд паралельних світлих смуг, що чергуються з темними. Світлі ділянки відповідають максимальній амплітуді коливань, темні виникають там, де інтерферуючі вторинні хвилі гасять один одного.
Коли світлова хвиля проходить через отвір круглої форми, результат дифракції виглядає як система концентричних кілець. Її вигляд обумовлений кількістю зон Френеля, які потрапляють в перетин отвору. Якщо воно парне, то центр дифракційної картини виходить темним, при якій непарній кількості зон він буде світлим.
Якщо ж ми будемо спостерігати відхилення світлових хвиль на диску або кульці, в центрі практично завжди з'явиться світлий амплітудний максимум, за винятком випадків, коли перешкода занадто велика і закриває багато френелевских зон.
Цікавим проявом дифракції є також розкладання хвиль по спектру. Якщо висвітлювати перешкоду білим світлом (тобто не монохроматичним), то концентричні кільця набувають строкату забарвлення. Дифракційне поведінку механічної хвилі
Дуже легко спостерігати дифракцію механічних хвиль на поверхні водойми при огибании хвилями будь-якого виступає з води перешкоди – каміння, шматки дерева тощо Якщо встановити на шляху хвиль перегородку з невеликим отвором, можна наочно побачити зміна форми хвильового фронту: від щілини буде розходитися кругова хвиля, як від точкового джерела. При великих розмірах щілини фронт хвилі викривляється тільки країв, дозволяючи їй проникати в простір, закритий перегородкою.
Акустичні хвилі також відносяться до механічних. Внаслідок дифракції звук «обходить», наприклад, кути будівель, краї стін у віконних і дверних отворах і інші перешкоди. До дифракційним ефектів в акустиці частково належить і таке явище, як реверберація, або послезвучание, проявляє себе в гідролокації. Цей поступово затухаючий звук з'являється при дифракції акустичної хвилі, що розповсюджується у воді, на нерівному донному рельєфі або на неоднорідностях типу повітряних бульбашок у самій воді.
Дифракція частинок
Елементарні частинки – електрони, протони, нейтрони – це квантові об'єкти, в деяких процесах проявляють хвильові властивості. Їх поведінка визначається квантовомеханическими хвилями ймовірності (хвилями де Бройля), які точно так само відчувають дифракцію, як кола на воді, звук або світло. Стосовно до частинкам дифракція хвиль – це розсіювання на електронних оболонках або ядрах атомів.
Вперше дифракційна картина від розсіювання електронного пучка на кристалах нікелю була отримана в 1927 році К. Дэвиссоном і Л. Джермером, а в 1948 році радянські фізики Ст. Фабрикант, Л. Біберман і Н. Сушкін експериментально довели, що хвильова природа властива не тільки пучками частинок, але і одиничним електронам.
Про роль дифракції
Наведемо кілька яскравих прикладів негативної й позитивної ролі цього явища в різних областях.
Дифракція світла накладає принципове обмеження на роздільну здатність оптичних систем, не дозволяючи отримати чітке зображення сильно віддалених або дрібних об'єктів. Дифракція звуку та ультразвуку є перешкодою при роботі гідроакустичних приладів. Щодо радіохвиль цей феномен може служити причиною падіння сигналу – «завмирання» радіохвилі внаслідок дифракції на хмарах – і ускладнювати спрямовану радіопередачу або роботу радарів.
Однак дифракційні явища і приносять велику користь. Так, викликаного ними частотне розділення світлових променів використовують в спектроскопії, де для цих цілей створюють спеціальні дифракційні решітки, дають можливість досліджувати особливості тонкої структури спектрів. Дифракція рентгенівських променів і електронів на кристалах і молекулах стала основою рентгеноструктурного аналізу і электронографии – методів вивчення будови речовини, які широко застосовуються в науці, медицині, на виробництві. В електронних мікроскопах також використовується дифракція електронних пучків на микрообъектах.
Дифракція хвиль – це явище, що носить універсальний характер. Цією обставиною і пояснюється значення, яке вона має у багатьох процесах, а також різноманітність способів її застосування. Автор: Вінера Андрєєва 4 Липня, 2018
Категория: Студентам