<<
>>

1.9. Учёт дифракционных явлений на практике

Изложенный выше метод Френеля позволил в основных чертах разъяснить явление дифракции, связанное, как мы убедились, с волновой природой света. Дальнейшая разработка метода продолжается до сих пор, что обусловлено необходимостью знания закономерностей распространения радио и световых волн для нужд бурного развития средств связи и оптических приборов.

Современные теории дифракционных явлений учитывают многочисленные факторы, влияющие на распространение волн, вплоть до влияния материала, из которого изготовлены щели и экраны.

В курсе физики достаточно лишь в общих чертах представить себе те явления, к которым приводит дифракция. Сначала установим, при каких условиях её можно наблюдать.

Выше мы рассмотрели действие одного отверстия и рассчитали принципы определения интенсивности только в центральной точке экрана. Форма наблюдаемого в этой точке максимума повторит форму отверстия: если оно круглое, в центре дифракционной картины также будет круг. При прямоугольном отверстии максимум в центре будет окружен совокупностью максимумов более высокого порядка. На рис. 1.18 приведены картины дифракции для круглого отверстия. Слева — в отверстии укладывается нечётное число зон, и в центре дифракционной картины — светлый кружок. Справа — для чётного числа зон — в центре тёмное пятно. Если же препятствие представляет собой не экран с отверстием, а, к примеру, круглый диск, то в центре его геометрической тени должно появиться светлое пятно. Края диска окружены кольцами — дифракционными минимумами и максимумами (рис. 1.19).

Дифракционная решётка представляет совокупность узких щелей, поэтому картина дифракции будет состоять из узких полос.

Они будут одного цвета, если решётка освещена монохроматическим светом. Светлые полосы будут перемежаться с тёмными. При освещении решётки белым светом центральный максимум будет белым, а максимумы более высоких порядков будут окрашены в цвета радуги. Действие всех щелей суммируется, и картина получается более чёткая и яркая, чем от одного отверстия.
d sinj = kl. (1.27)

Ширину щели вместе с шириной непрозрачной полоски между соседними щелями d = a + b называют периодом дифракционной решётки (рис. 1.20). Очевидно, что период решётки связан с числом N1 щелей на единицу длины решётки соотношением: d = 1/N1. На рис. 1.20 схематически показан и ход лучей при нормальном падении на дифракционную картину параллельного пучка света, который можно получить либо непосредственно от лазера, либо от обычной лампы, пропуская её свет через щель и конденсор. Постарайтесь уяснить себе роль каждой детали этого рисунка! Там же показано образование максимумов при наложении нескольких лучей, отклонённых в результате дифракции на угол j от прямолинейного пути. Максимум в точке их наложения будет наблюдаться, если оптическая разность хода соседних лучей равна целому числу длин волн, то есть (см. рис. 1.20) при

Мы привели упрощённый вывод соотношения, которое носит название формулы дифракционной решётки. Здесь k — порядок дифракционных максимумов. При освещении решётки белым светом максимум нулевого порядка будет белым (подумайте, почему?), а максимумы 1-го, 2-го и более высоких порядков по обе стороны от центрального максимума будут представлять собой непрерывный спектр. (Подумайте, в каком порядке будут следовать цвета спектра, считая от центрального максимума!). Из формулы дифракционной решётки очевидно, что угол дифракции будет стремиться к нулю при d >> l Следовательно, если размеры препятствия велики по сравнению с длиной волны, дифракция наблюдаться не будет. Если же постоянная решётки сравнима с длиной волны, то дифракция будет наблюдаться.

Приведённых выше сведений достаточно, чтобы понять, почему даже самый современный оптический микроскоп имеет ограниченную разрешающую силу — предел различимости деталей изображения.

Действительно, микроскоп, как и другие оптические приборы, основан на законах геометрической оптики: изображение геометрически подобно предмету в силу прямолинейности световых лучей. Дифракция искажает это подобие.

При её проявлении два разных наблюдаемых мелких объекта сольются вместе в результате появления дифракционных колец (см. рис. 1.19). Это произойдет, если размеры препятствий на пути идущего в микроскопе света будут близки к длине его волны. Значит, в оптическом микроскопе можно рассмотреть лишь объекты, размеры которых не больше длины световой волны (~ 0,4 мкм при фиолетовом освещении). Атомы и молекулы, как мы знаем, имеют размеры существенно меньше, порядка 10–10 м. Они остаются невидимыми и до сих пор, даже в электронные микроскопы, в которых используется не световая волна, а пучок электронов. Поскольку длина волны, связанная с быстро движущимися электронами, имеет величину ~ 10–9 м, то большие молекулярные цепи отдельных органических молекул можно увидеть в электронном микроскопе. О волнах, используемых в электронных микроскопах, речь пойдет дальше, в 3-ей главе нашего учебного пособия.

Второе направление науки об особенностях распространения электромагнитных волн — использование их в средствах связи, где любой направленный источник волны имеет отверстия, через которые посылают сигнал к нужному объекту. Радиоволна, как и всякая другая, проходя через отверстие, испытывает дифракцию, в результате которой в точке приёма волны может наблюдаться либо максимум, либо минимум. Максимальная интенсивность будет тогда, когда в отверстии помещается лишь одна центральная зона Френеля, радиус которой (1.22) можно рассчитать по длине волны и расстоянию, на которое нужно передать сигнал. Радиус выходного отверстия передающего устройства по вполне понятным конструктивным причинам ограничен, и существенное увеличение расстояния может произойти лишь за счет изменения длины волны. Однако волны светового диапазона быстро рассеиваются в атмосфере, на них неудобно накладывать информацию (модулировать) из-за их некогерентности. Поэтому световая связь на дальние расстояния (со спутниками, например) стала возможна лишь после того, как был создан источник когерентного излучения — лазер.

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 1.9. Учёт дифракционных явлений на практике:

  1. § 1. Генезис принципа зависимости в теории и международной практике
  2. § 1. Концепция автономии арбитража в теории и практике
  3. Курейчик В. В., Лебедев Б. К., Лебедев О. Б.. Поиско­вая адаптация: теория и практика. — M.: ФИЗМАТЛИТ,2006. — 272 с., 2006
  4. Личностные результаты обучения в современной педагогической теории и школьной практике
  5. Глава II. Зависимость между признанием и приведением в исполнение отмененного арбитражного решения и признанием судебного акта, отменяющего такое решение, в зарубежной судебной практике и доктрине
  6. 2.1 Расчет индикатрис диффузионного отражения и рассеяния света поверхностями кристалла с известным микрорельефом с помощью метода геометрооптического приближения.
  7. Конститутивные и регулятивные принципы персональных финансов[17]
  8. Связь между дефектами структуры и оптическими неоднородностями в кристаллах.
  9. Понимание текста как перевод смыслов
  10. § 6. Разъяснения Верховного Суда Российской Федерации как форма судебного надзора
  11. ОГЛАВЛЕНИЕ
  12. 1. Содержание (функции) государственного управления