Дифракция света

Дифракция света — это явление отклонения света от прямоли­нейного направления распространения при прохождении препятст­вия. Как мы уже упоминали, впервые явление дифракции наблюдал Гримальди.

Дифракцию можно увидеть, наблюдая за прохождением лазерно­го света через щель, размер которой можно изменять во время экс­перимента. На рисунке приведена схема такого опыта.

Схема для наблюдения дифракции света на щели

Если раз мер щели превышает диаметр светового пучка, то отклонение света от прямолинейного направления распространения не наблюдается. По мере уменьшения размера щели картина распределения интен­сивности света на экране изменяется. Наряду с центральным, самым ярким максимумом появляются побочные максимумы, разделенные темными промежутками, минимумами дифракционной картины. Расстояния между максимумами и минимумами возраста­ют по мере уменьшения размера щели.

С корпускулярной точки зрения не удается объяснить наблюда­емую картину дифракции света, так как неизвестно, как корпускулы света взаимодействуют со щелью. Кроме того, неясно, почему в од­них местах дифракционной картины наблюдается увеличение интен­сивности света, а в других — полная темнота.

Если рассматривать свет, падающий на щель, как волну, то мож­но объяснить дифракцию света, используя принцип Гюйгенса — Френеля.

Для простоты рассуждений предположим, что на щель падает пло­ская волна красного света. Это означает, что в любой момент време­ни световые колебания определенной частоты

Схема, поясняющая дифракцию света на щели

и длины волны в щели происходят с одинаковыми фазами. Вторичные волны, возбужда­емые падающей волной, переносят фазу колебаний из каждой точки щели в точку наблюдения М на экране, расположенном на расстоя­нии L от щели. Если бы вторичные волны проходили на пу­ти от щели до точки М одинаковые расстояния, то они складывались бы в фазе, усиливая друг друга. Так как в наблюдаемом нами экспе­рименте по дифракции света расстояние до экрана намного больше ширины щели, т. е. L» d, то можно считать, что в точку М попада­ют только те лучи света, которые выходят из щели параллельно пря­мой ОМ, соединяющей центр щели с точкой М. Если точка М распо­лагается точно напротив центра щели, то все лучи пройдут, распро­страняясь от щели до экрана, примерно равные расстояния L и со­берутся в этой точке в фазе. Здесь будет наблюдаться максимум ин­тенсивности света. Если же положение точки М на экране изменить так, чтобы все лучи в этой точке складывались в противофазе, то све­та в этой точке мы не увидим. Как же определить положение точки наблюдения? На первый взгляд это кажется невозможным. Но Фре­нель предложил очень изящный способ решения этой задачи.

Разобьем щель на две равные части: АО и ОВ. Рассмотрим два лу­ча, идущие в точку М от крайних нижних точек этих частей: AM и ОМ. Из рисунка видно, что расстояние AM больше расстояния ОМ на величину (АО sin cp). Если это расстояние будет таким, что вол­ны в точку М будут приходить в противофазе, то они будут гасить друг друга. В этом случае в таком же положении окажутся волны, которые попадут в точку М и от любых соответствующих точек двух половинок щели, т. е. по этому направлению все вторичные волны будут гасить друг друга. Метод Френеля позволяет решение сложной задачи о сложении множества вторичных волн свести к более про­стой о сложении только двух колебаний, разность фаз у которых за­висит от положения точки наблюдения.

Схема опыта Юнга

В 1802 г. английский физик Томас Юнг впервые увидел ди­фракцию солнечного света в опыте, где наблюдалось сложение ко­лебаний от двух вторичных источников света. Схема опыта Юнга по­казана на рисунке 45. Свет от солнца проходил через одну щель, за­тем через две щели, от которых наблюдалась дифракция. По тем на­правлениям, в которых колебания гасили друг друга, можно было увидеть темноту; по направлениям, где колебания приходили в фазе, наблюдался свет. На рисунке показана картина дифракции бело­го света на двух щелях.

Картина дифракции бе­лого света в опыте Юнга

При дифракции на двух щелях усиление света происходит по тем направлениям, для которых разность хода интерферирующих лучей равна целому числу длин волн. Если рас­стояние между щелями принять рав­ным d, то из рисунка видно, что разность хода по направлению, опре­деляемому углом ф, равна d sin ф. Ес­ли эта величина равна целому числу длин волн дифрагированного света, то по направлению угла ф будет наблюдаться максимум света.

Схема, поясняющая дифракцию света в опыте Юнга

Если на пути света поставить несколько щелей, то интенсивность света в максимумах дифракционной картины еще больше возрастет. На рисунке показана дифракция света при прохождении света через множество параллельных щелей. Такой прибор называется дифракционной решеткой, и с его помощью можно увидеть, что белый свет при прохождении через решетку образует веер цветных лучей. Это явление разложения белого света в спектр говорит о сложном составе света. Световые колебания разной частоты образуют макси­мумы по разным направлениям дифрагированного света.