Capitolul 1

Dacă lumina este un proces de undă, atunci împreună cu interferența trebuie să existe o difracție a luminii. La urma urmei, difracția - îndoirea de către valurile marginilor obstacolelor - este inerentă în orice mișcare a undelor. Dar nu este ușor să observați difracția luminii. Faptul este că valurile deviază de la propagarea rectilinie la unghiuri notabile numai pe obstacole ale căror dimensiuni sunt comparabile cu lungimea de undă, iar lungimea undei luminoase este foarte mică.







Fresnel Augustin (1788-1827) este un fizician francez. Fresnel a pus bazele opticii de undă. După ce a completat principiul Huygens cu ideea de interferență a undelor secundare, el a construit o teorie cantitativă de difracție. Pe baza acestui principiu, Fresnel a explicat legile opticii geometrice, în special caracterul rectiliniu al propagării luminii într-un mediu omogen. El a creat o metodă aproximativă pentru calcularea modelului de difracție,

Se bazează pe separarea suprafeței undei în zone.

Natura transversală a undelor luminoase a fost dovedită pentru prima dată de Fresnel.

Trecând printr-o mică gaură o lumină subțire de lumină, se poate observa o încălcare a legii propagării rectilinii a luminii. Un punct luminos în fața găurii va fi mai mare decât se aștepta în cazul propagării luminii rectilinii.

În 1802, T. Jung, care a descoperit interferența luminii, a realizat un experiment clasic de difracție (figura 29). Într-un ecran opac, el a perforat două găuri mici B și C cu un bolț la o distanță scurtă una de cealaltă. Aceste găuri au fost iluminate de un fascicul de lumină îngustă, care, la rândul său, a trecut printr-o mică gaură A într-un alt ecran. A fost acest detaliu, cu care a fost foarte greu să vină la acel moment, a decis succesul experimentului. Numai valurile coerente intervin. Valul sferic rezultat din deschiderea A excitat în conformitate cu principiul Huygens a provocat oscilații coerente în găurile B și C. Datorită difracției din găurile B și C, au apărut două conuri luminoase care s-au suprapus parțial. Ca urmare a interferenței undelor luminoase, pe ecran au apărut benzi de lumină alternantă și întunecate. Închiderea unuia dintre găuri. Jung a constatat că marginile de interferență au dispărut. Cu ajutorul acestui experiment, pentru prima dată, Jung a măsurat lungimile de undă corespunzătoare razelor de lumină de diferite culori și foarte precis.

Studiul de difracție a fost finalizat în lucrările lui O. Fresnel. Phra nel nu numai o investigație mai detaliată a diferitelor cazuri de difracție din experiența, dar, de asemenea, a construit-ing teoria cantitativă a difracției, care permite, în principiu, pentru a calcula modelul de difracție care apare atunci când rotunjire lumina orice obstacol. De asemenea, el a explicat pentru prima dată propagarea rectilinie a luminii într-un mediu omogen pe baza teoriei undelor.

Aceste succese obținute de Frenel, combinând principiul Huygens cu ideea de interferență a undelor secundare. Conform ideii Fresnel, suprafața undei nu este doar un plic de valuri secundare, ci rezultatul interferenței lor (principiul Huygens-Fresnel).

Pentru a calcula amplitudinea unei unde luminoase în orice punct al spațiului, trebuie să înconjoară mental sursa de lumină cu o suprafață închisă. Interferența undelor de la sursele secundare situate pe această suprafață determină amplitudinea în punctul spațiului în cauză.

Astfel de calcule ne-au permis să înțelegem cum lumina dintr-o sursă punctuală care emite valuri sferice atinge un punct arbitrar de spațiu B (Figura 30). Dacă luăm în considerare sursele secundare de pe un val de suprafață sferică rezultatul raza R. a undelor de interferență din aceste surse secundare de la punctul B este aceeași ca și în cazul în care numai din surse secundare de segment sferic mici trimiterea luminii la punctul B. Undele secundare emise de surse dispuse în repaus părți ale suprafeței, se sting reciproc ca rezultat al interferenței. Prin urmare, totul se întâmplă ca și cum lumina s-ar propaga numai de-a lungul liniei drepte SB. adică rectilinie.







În același timp, Fresnel a analizat difracția cantitativă pe diferite tipuri de obstacole.

Un incident curios a avut loc la o reuniune a Academiei Franceze de Științe, în 1818. Unul dintre oamenii de știință care au participat la reuniune, a subliniat că teoria Fresnel urmează faptelor în mod evident contrare bunului simț. Pentru anumite dimensiuni ale orificiilor și la anumite distanțe de la orificiu până la sursa de lumină și ecranul, trebuie să se afle un punct întunecat în centrul punctului luminos. Pentru un disc opac mic, dimpotrivă, ar trebui să existe un loc luminos în centrul umbrei. Imaginați-vă surpriza oamenilor de știință atunci când experimentele s-au dovedit a fi într-adevăr.

Modelele de difracție din diferite obstacole

Datorită faptului că lungimea undei luminoase este foarte mică, unghiul de deviere a luminii de la direcția propagării rectilinii este mic. Prin urmare, pentru o observație distinctă a difracției, trebuie să fie utilizate fie obstacole foarte mici, fie ecranul trebuie să fie departe de obstacole. Dacă distanța dintre obstacol și ecran este de ordinul unui contor, dimensiunile obstacolului nu trebuie să depășească sute de milimetri. Dacă distanța până la ecran ajunge la sute de metri sau câțiva kilometri, difracția poate fi observată pe obstacole de câțiva centimetri și chiar de metri.

Figura 31 prezintă modul în care modelele de difracție din diverse obstacole apar în fotografii: a) dintr-un fir subțire; b) din gaura rotunda; c) din ecranul rotund.

În locul unei umbre a firului, este vizibil un grup de benzi luminoase și întunecate; în centrul modelului de difracție a găurilor apar pată întunecată înconjurat de inele luminoase și întunecate (prin schimbarea diametrului găurii poate fi în centrul modelului de difracție și de a obține un spot luminos, înconjurat de inele întunecate și luminoase); În centrul umbrei formate de un ecran rotund, este vizibil un punct luminos, iar umbra însăși este înconjurată de inele concentrice întunecate.

Limitele aplicabilității optice geometrice

Toate teoriile fizice reflectă procesele care apar în natură aproximativ. Pentru orice teorie, anumite limite ale aplicabilității sale pot fi indicate. Indiferent dacă este posibil să se aplice această teorie într-un caz particular sau nu, depinde nu numai de precizia pe care o oferă această teorie, ci și de acuratețea necesară pentru rezolvarea unei probleme practice date. Limitele teoriei pot fi stabilite doar după ce a fost construită o teorie mai generală care să acopere aceleași fenomene.

Toate aceste dispoziții generale se aplică la optica geometrică. Această teorie este aproximativă. Este incapabil să explice fenomenele de interferență și de difracție a luminii.

O teorie mai generală și mai precisă este optica undelor. Legea propagării rectilinii a luminii și a altor legi ale opțiunii geometrice este destul de precisă numai dacă dimensiunile obstacolelor din calea propagării luminii sunt mult mai mari decât lungimea de undă a undei luminoase. Dar ele nu sunt îndeplinite.

Acțiunea dispozitivelor optice este descrisă de legile opticii geometrice. Conform acestor legi, putem distinge, cu ajutorul unui microscop, detalii arbitrare ale obiectului; Folosind telescopul, putem stabili existența a două stele pentru distanțe unghiulare arbitrar mici între ele. Cu toate acestea, în realitate, acest lucru nu este valabil și numai teoria undelor luminoase face posibilă înțelegerea motivelor pentru limita de rezoluție a instrumentelor optice.

Rezoluția microscopului și a telescopului

Natura lumină a luminii pune o limită asupra posibilității de a distinge detaliile unui obiect sau obiecte foarte mici atunci când acestea sunt observate cu ajutorul unui microscop. Difracția nu face posibilă obținerea unor imagini distincte ale obiectelor mici, deoarece lumina nu se propagă strict rectiliniu, ci învelințează obiecte. Din această cauză, imaginile sunt "neclară". Nici o creștere nu va ajuta la distingerea detaliilor obiectului, dacă imaginile lor "neclare" se îmbină. Aceasta se întâmplă atunci când dimensiunile liniare ale obiectelor sunt mai mici decât lungimea undei luminoase.

Difracția impune de asemenea o limită a puterii de rezolvare a telescopului. Datorită difracției valurilor de lângă marginea jantei, imaginea stelei nu va fi un punct, ci un sistem de inele luminoase și întunecate. Dacă două stele se află la o distanță unghiulară mică una de cealaltă, aceste inele sunt suprapuse unul pe celălalt și ochiul nu este capabil să distingă dacă există două puncte luminoase sau una. Distanta unghiulara limita dintre punctele luminoase la care pot fi distingate este determinata de raportul dintre lungimea de unda si diametrul obiectivului.

Acest exemplu arată că difracția apare întotdeauna pe orice obstacol. Și pentru observațiile foarte subțiri nu poate fi neglijat pentru obstacole care sunt mult mai mari decât lungimea de undă.

Difracția luminii determină limitele aplicabilității optice geometrice. Obstacolele de încovoiere a luminii plasează o limită a rezoluției celor mai importante instrumente optice - un telescop și un microscop.

?1. De ce nu puteți vedea un atom folosind un microscop? 2. Formulați principiul Huygens-Fresnel. 3. Încercați să reproduceți experiența de difracție a lui Jung. 4. În ce cazuri sunt legile optice geometrice aproximativ valabile?







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: