Anim na mahahalagang phenomena ang naglalarawan sa gawi ng isang liwanag na alon kung ito ay makatagpo ng isang balakid sa kanyang dinadaanan. Kabilang sa mga phenomena na ito ang pagmuni-muni, repraksyon, polariseysyon, dispersion, interference at diffraction ng liwanag. Tutuon ang artikulong ito sa huli sa kanila.
Mga pagtatalo tungkol sa kalikasan ng liwanag at mga eksperimento ni Thomas Young
Sa kalagitnaan ng ika-17 siglo, mayroong dalawang teorya sa magkatulad na termino tungkol sa likas na katangian ng light ray. Ang nagtatag ng isa sa kanila ay si Isaac Newton, na naniniwala na ang liwanag ay isang koleksyon ng mabilis na gumagalaw na mga particle ng bagay. Ang pangalawang teorya ay iniharap ng Dutch scientist na si Christian Huygens. Naniniwala siya na ang liwanag ay isang espesyal na uri ng alon na kumakalat sa pamamagitan ng isang daluyan sa parehong paraan na ang tunog ay naglalakbay sa hangin. Ang medium para sa liwanag, ayon kay Huygens, ay eter.
Dahil walang nakatuklas ng eter, at napakalaki ng awtoridad ni Newton noong panahong iyon, tinanggihan ang teorya ni Huygens. Gayunpaman, noong 1801, ang Englishman na si Thomas Young ay nagsagawa ng sumusunod na eksperimento: ipinasa niya ang monochromatic na ilaw sa pamamagitan ng dalawang makitid na hiwa na matatagpuan malapit sa isa't isa. pagpasaitinapat niya ang ilaw sa dingding.
Ano ang naging resulta ng karanasang ito? Kung ang liwanag ay mga particle (corpuscles), gaya ng pinaniniwalaan ni Newton, kung gayon ang imahe sa dingding ay tumutugma sa pag-alis ng dalawang maliwanag na banda na nagmumula sa bawat isa sa mga hiwa. Gayunpaman, napansin ni Jung ang isang ganap na naiibang larawan. Isang serye ng madilim at magaan na guhit ang lumitaw sa dingding, na may mga liwanag na linya na lumilitaw kahit sa labas ng magkabilang hiwa. Ang isang eskematiko na representasyon ng inilarawan na pattern ng liwanag ay ipinapakita sa figure sa ibaba.
Isang bagay ang sinabi ng larawang ito: ang liwanag ay isang alon.
Diffraction phenomenon
Ang pattern ng liwanag sa mga eksperimento ni Young ay konektado sa mga phenomena ng interference at diffraction ng liwanag. Ang parehong mga phenomena ay mahirap paghiwalayin sa isa't isa, dahil sa ilang mga eksperimento ang kanilang pinagsamang epekto ay maaaring maobserbahan.
Ang diffraction ng liwanag ay binubuo sa pagpapalit ng harap ng alon kapag nakatagpo ito ng isang balakid sa daraanan nito, na ang mga sukat nito ay maihahambing o mas mababa sa wavelength. Mula sa kahulugang ito ay malinaw na ang diffraction ay katangian hindi lamang para sa liwanag, kundi pati na rin para sa anumang iba pang mga alon, tulad ng mga sound wave o alon sa ibabaw ng dagat.
Malinaw din kung bakit hindi maobserbahan ang phenomenon na ito sa kalikasan (ang wavelength ng liwanag ay ilang daang nanometer, kaya ang anumang macroscopic na bagay ay nagbibigay ng malinaw na anino).
Huygens-Fresnel principle
Ang phenomenon ng light diffraction ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pinangalanang prinsipyo. Ang kakanyahan nito ay ang mga sumusunod: isang propagating rectilinear flatang harap ng alon ay humahantong sa paggulo ng mga pangalawang alon. Ang mga alon na ito ay spherical, ngunit kung ang medium ay homogenous, kung gayon, na nakapatong sa isa't isa, sila ay hahantong sa orihinal na patag na harapan.
Sa sandaling lumitaw ang anumang balakid (halimbawa, dalawang puwang sa eksperimento ni Jung), ito ay nagiging mapagkukunan ng pangalawang alon. Dahil ang bilang ng mga mapagkukunang ito ay limitado at tinutukoy ng mga geometric na tampok ng balakid (sa kaso ng dalawang manipis na mga puwang, mayroon lamang dalawang pangalawang mapagkukunan), ang resultang alon ay hindi na gagawa ng orihinal na patag na harapan. Papalitan ng huli ang geometry nito (halimbawa, magkakaroon ito ng spherical na hugis), bukod pa rito, lalabas ang maxima at minima ng intensity ng liwanag sa iba't ibang bahagi nito.
Ipinapakita ng prinsipyo ng Huygens-Fresnel na ang phenomena ng interference at diffraction ng liwanag ay hindi mapaghihiwalay.
Anong mga kundisyon ang kailangan para maobserbahan ang diffraction?
Ang isa sa mga ito ay nabanggit na sa itaas: ito ay ang pagkakaroon ng maliliit (sa pagkakasunud-sunod ng haba ng daluyong) na mga hadlang. Kung ang balakid ay medyo malalaking geometric na dimensyon, ang pattern ng diffraction ay mapapansin lamang malapit sa mga gilid nito.
Ang pangalawang mahalagang kondisyon para sa diffraction ng liwanag ay ang pagkakaugnay-ugnay ng mga alon mula sa iba't ibang pinagmumulan. Nangangahulugan ito na dapat silang magkaroon ng pare-parehong pagkakaiba sa bahagi. Sa kasong ito lamang, dahil sa panghihimasok, posibleng makakita ng matatag na larawan.
Ang pagkakaugnay-ugnay ng mga pinagmumulan ay nakakamit sa simpleng paraan, sapat na upang madaanan ang anumang liwanag na harapan mula sa isang pinagmulan sa pamamagitan ng isa o higit pang mga hadlang. Mga pangalawang mapagkukunan mula sa mga itomagiging magkakaugnay na ang mga hadlang.
Tandaan na upang maobserbahan ang interference at diffraction ng liwanag, hindi talaga kinakailangan na ang pangunahing pinagmumulan ay monochromatic. Tatalakayin ito sa ibaba kapag isinasaalang-alang ang isang diffraction grating.
Fresnel at Fraunhofer diffraction
Sa madaling salita, ang Fresnel diffraction ay ang pagsusuri ng pattern sa isang screen na matatagpuan malapit sa slit. Ang Fraunhofer diffraction, sa kabilang banda, ay isinasaalang-alang ang isang pattern na nakuha sa layo na mas malaki kaysa sa lapad ng slit, bilang karagdagan, ipinapalagay nito na ang wavefront incident sa slit ay flat.
Ang dalawang uri ng diffraction na ito ay nakikilala dahil magkaiba ang mga pattern sa mga ito. Ito ay dahil sa pagiging kumplikado ng hindi pangkaraniwang bagay na isinasaalang-alang. Ang katotohanan ay upang makakuha ng eksaktong solusyon ng problema sa diffraction, kinakailangan na gamitin ang teorya ni Maxwell ng electromagnetic waves. Ang prinsipyo ng Huygens-Fresnel, na binanggit kanina, ay isang magandang pagtatantya para sa pagkuha ng praktikal na magagamit na mga resulta.
Ipinapakita ng figure sa ibaba kung paano nagbabago ang larawan sa pattern ng diffraction kapag inilayo ang screen mula sa slit.
Sa figure, ipinapakita ng pulang arrow ang direksyon ng screen approach sa slit, iyon ay, ang upper figure ay tumutugma sa Fraunhofer diffraction at ang mas mababang isa sa Fresnel. Gaya ng nakikita mo, habang papalapit ang screen sa hiwa, nagiging mas kumplikado ang larawan.
Higit pa sa artikulo, isasaalang-alang lamang natin ang Fraunhofer diffraction.
Diffraction sa pamamagitan ng manipis na hiwa (mga formula)
Tulad ng nabanggit sa itaas,ang diffraction pattern ay depende sa geometry ng obstacle. Sa kaso ng isang manipis na hiwa ng lapad a, na iluminado ng monochromatic na ilaw ng wavelength λ, ang mga posisyon ng minima (mga anino) ay maaaring obserbahan para sa mga anggulo na tumutugma sa pagkakapantay-pantay
sin(θ)=m × λ/a, kung saan m=±1, 2, 3…
Ang anggulo na theta dito ay sinusukat mula sa patayong pagkonekta sa gitna ng slot at sa screen. Salamat sa formula na ito, posibleng kalkulahin kung anong mga anggulo ang ganap na pamamasa ng mga alon sa screen. Bukod dito, posibleng kalkulahin ang pagkakasunud-sunod ng diffraction, iyon ay, ang bilang na m.
Dahil pinag-uusapan natin ang tungkol sa Fraunhofer diffraction, pagkatapos ay L>>a, kung saan ang L ay ang distansya sa screen mula sa slit. Ang huling hindi pagkakapantay-pantay ay nagbibigay-daan sa iyong palitan ang sine ng isang anggulo ng isang simpleng ratio ng y coordinate sa layo na L, na humahantong sa sumusunod na formula:
ym=m×λ×L/a.
Narito ang ym ay ang position coordinate ng minimum na order m sa screen.
Slit diffraction (pagsusuri)
Ang mga formula na ibinigay sa nakaraang talata ay nagbibigay-daan sa amin na suriin ang mga pagbabago sa pattern ng diffraction na may pagbabago sa wavelength λ o ang lapad ng slit a. Kaya, ang pagtaas sa halaga ng a ay hahantong sa pagbaba sa coordinate ng first-order na minimum na y1, ibig sabihin, ang liwanag ay iko-concentrate sa isang makitid na gitnang maximum. Ang pagbawas sa lapad ng slit ay hahantong sa isang kahabaan ng gitnang maximum, ibig sabihin, ito ay nagiging malabo. Ang sitwasyong ito ay inilalarawan sa figure sa ibaba.
Ang pagpapalit ng wavelength ay may kabaligtaran na epekto. Malaking halaga ng λhumantong sa paglabo ng larawan. Nangangahulugan ito na ang mga mahahabang alon ay nag-iiba nang mas mahusay kaysa sa mga maikli. Ang huli ay may pangunahing kahalagahan sa pagtukoy ng resolusyon ng mga optical na instrumento.
Diffraction at resolution ng optical instruments
Ang pagmamasid sa diffraction ng liwanag ay ang limiter ng resolution ng anumang optical instrument, tulad ng teleskopyo, mikroskopyo, at maging ang mata ng tao. Pagdating sa mga device na ito, isinasaalang-alang nila ang diffraction hindi sa pamamagitan ng isang hiwa, ngunit sa pamamagitan ng isang bilog na butas. Gayunpaman, nananatiling totoo ang lahat ng konklusyong ginawa kanina.
Halimbawa, isasaalang-alang natin ang dalawang kumikinang na bituin na malayo sa ating planeta. Ang butas kung saan pumapasok ang liwanag sa ating mata ay tinatawag na pupil. Mula sa dalawang bituin sa retina, dalawang pattern ng diffraction ang nabuo, bawat isa ay may gitnang maximum. Kung ang liwanag mula sa mga bituin ay bumagsak sa pupil sa isang tiyak na kritikal na anggulo, ang parehong maxima ay magsasama sa isa. Sa kasong ito, makakakita ang isang tao ng isang bituin.
Ang pamantayan sa paglutas ay itinakda ni Lord J. W. Rayleigh, kaya kasalukuyang dala nito ang kanyang apelyido. Ang katumbas na mathematical formula ay ganito ang hitsura:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Narito ang D ay ang diameter ng isang bilog na butas (lens, pupil, atbp.).
Kaya, maaaring tumaas ang resolution (bawasan ang θc) sa pamamagitan ng pagtaas ng diameter ng lens o pagpapababa sa habamga alon. Ang unang variant ay ipinatupad sa mga teleskopyo na ginagawang posible na bawasan ang θc nang ilang beses kumpara sa mata ng tao. Ang pangalawang opsyon, iyon ay, ang pagbabawas ng λ, ay nakakahanap ng aplikasyon sa mga electron microscope, na may 100,000 beses na mas mahusay na resolution kaysa sa mga katulad na light instrument.
Diffraction grating
Ito ay isang koleksyon ng mga manipis na slot na matatagpuan sa layo d mula sa isa't isa. Kung ang harap ng alon ay patag at kapantay ng rehas na ito, ang posisyon ng maxima sa screen ay inilalarawan ng expression na
sin(θ)=m×λ/d, kung saan m=0, ±1, 2, 3…
Ipinapakita ng formula na ang maximum na zero-order ay nangyayari sa gitna, ang iba ay matatagpuan sa ilang mga anggulo θ.
Dahil ang formula ay naglalaman ng dependence ng θ sa wavelength λ, nangangahulugan ito na ang diffraction grating ay maaaring mabulok ang liwanag sa mga kulay tulad ng isang prisma. Ang katotohanang ito ay ginagamit sa spectroscopy upang suriin ang spectra ng iba't ibang mga bagay na kumikinang.
Marahil ang pinakatanyag na halimbawa ng light diffraction ay ang pagmamasid sa mga color shade sa isang DVD. Ang mga uka dito ay isang diffraction grating, na, sa pamamagitan ng pagpapakita ng liwanag, nabubulok ito sa isang serye ng mga kulay.
