Ang phenomenon ng wave diffraction ay isa sa mga epekto na sumasalamin sa wave nature ng liwanag. Ito ay para sa mga magagaan na alon na ito ay natuklasan sa simula ng ika-19 na siglo. Sa artikulong ito, titingnan natin kung ano ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, kung paano ito inilalarawan sa matematika, at kung saan ito nakakahanap ng aplikasyon.
Wave diffraction phenomenon
Tulad ng alam mo, ang anumang alon, maging ito ay magaan, tunog o mga kaguluhan sa ibabaw ng tubig, sa isang homogenous na daluyan ay kumakalat sa isang tuwid na landas.
Isipin natin ang isang wave front na may patag na ibabaw at gumagalaw sa isang tiyak na direksyon. Ano ang mangyayari kung may hadlang sa daan ng harapang ito? Anumang bagay ay maaaring magsilbi bilang isang balakid (isang bato, isang gusali, isang makitid na puwang, at iba pa). Ito ay lumiliko na pagkatapos na dumaan sa balakid, ang harap ng alon ay hindi na magiging patag, ngunit magkakaroon ng mas kumplikadong hugis. Kaya, sa kaso ng isang maliit na bilog na butas, ang harap ng alon, na dumadaan dito, ay nagiging spherical.
Ang kababalaghan ng pagbabago ng direksyon ng pagpapalaganap ng alon, kapag nakatagpo ito ng isang balakid sa daan nito, ay tinatawag na diffraction (diffractus mula sa Latin na nangangahulugang"sira").
Ang resulta ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ang alon ay tumagos sa espasyo sa likod ng balakid, kung saan hindi ito tatama sa kanyang rectilinear motion.
Ang isang halimbawa ng wave diffraction sa isang dalampasigan ay ipinapakita sa figure sa ibaba.
Kondisyon sa pagmamasid ng diffraction
Ang inilarawan sa itaas na epekto ng wave breaking kapag pumasa sa isang obstacle ay nakadepende sa dalawang salik:
- haba ng daluyong;
- geometric na parameter ng obstacle.
Sa ilalim ng anong kondisyon naoobserbahan ang wave diffraction? Para sa isang mas mahusay na pag-unawa sa sagot sa tanong na ito, dapat tandaan na ang hindi pangkaraniwang bagay na isinasaalang-alang ay palaging nangyayari kapag ang isang alon ay nakatagpo ng isang balakid, ngunit ito ay nagiging kapansin-pansin lamang kapag ang haba ng daluyong ay nasa pagkakasunud-sunod ng mga geometric na parameter ng balakid. Dahil ang mga wavelength ng liwanag at tunog ay maliit kumpara sa laki ng mga bagay sa paligid natin, ang diffraction mismo ay lilitaw lamang sa ilang mga espesyal na kaso.
Bakit nangyayari ang wave diffraction? Maiintindihan ito kung isasaalang-alang natin ang prinsipyo ng Huygens-Fresnel.
Huygens principle
Sa kalagitnaan ng ika-17 siglo, ang Dutch physicist na si Christian Huygens ay naglagay ng bagong teorya ng pagpapalaganap ng light waves. Naniniwala siya na, tulad ng tunog, gumagalaw ang liwanag sa isang espesyal na daluyan - eter. Ang isang light wave ay isang vibration ng mga ether particle.
Isinasaalang-alang ang isang wave spherical front na nilikha ng isang point light source, dumating si Huygens sa sumusunod na konklusyon: sa proseso ng paggalaw, ang harap ay dumadaan sa isang serye ng mga spatial na punto sabroadcast. Sa sandaling maabot niya ang mga ito, ginagawa niya itong mag-alinlangan. Ang mga oscillating point, sa turn, ay bumubuo ng isang bagong henerasyon ng mga alon, na tinawag ni Huygens na pangalawa. Mula sa bawat punto, ang pangalawang alon ay spherical, ngunit hindi nito tinutukoy ang ibabaw ng bagong harap. Ang huli ay resulta ng superposisyon ng lahat ng spherical secondary waves.
Ang epekto na inilarawan sa itaas ay tinatawag na Huygens na prinsipyo. Hindi niya ipinaliliwanag ang diffraction ng mga alon (noong balangkasin ito ng siyentipiko, hindi pa nila alam ang tungkol sa diffraction ng liwanag), ngunit matagumpay niyang inilarawan ang mga epekto gaya ng pagmuni-muni at repraksyon ng liwanag.
Habang ang corpuscular theory of light ni Newton ay nagtagumpay noong ika-17 siglo, ang gawa ni Huygens ay nakalimutan sa loob ng 150 taon.
Thomas Jung, Augustin Fresnel at ang muling pagkabuhay ng prinsipyo ng Huygens
Ang phenomenon ng diffraction at interference ng liwanag ay natuklasan noong 1801 ni Thomas Young. Sa pagsasagawa ng mga eksperimento na may dalawang slits kung saan dumaan ang isang monochromatic na ilaw sa harap, nakatanggap ang scientist sa screen ng isang larawan ng mga alternating dark at light stripes. Buong ipinaliwanag ni Jung ang mga resulta ng kanyang mga eksperimento, na tumutukoy sa likas na alon ng liwanag, at sa gayon ay kinukumpirma ang mga teoretikal na kalkulasyon ni Maxwell.
Sa sandaling ang corpuscular theory of light ni Newton ay pinabulaanan ng mga eksperimento ni Young, naalala ng French scientist na si Augustin Fresnel ang gawa ni Huygens at ginamit ang kanyang prinsipyo upang ipaliwanag ang phenomenon ng diffraction.
Naniniwala si Fresnel na kung ang isang electromagnetic wave, na kumakalat sa isang tuwid na linya, ay nakakatugon sa isang balakid, kung gayon ang bahagi ng enerhiya nito ay mawawala. Ang natitira ay ginugol sa pagbuo ng pangalawang alon. Ang huli ay humahantong sa paglitaw ng isang bagong harap ng alon, na ang direksyon ng pagpapalaganap nito ay naiiba sa orihinal.
Ang inilarawan na epekto, na hindi isinasaalang-alang ang eter kapag bumubuo ng mga pangalawang alon, ay tinatawag na Huygens-Fresnel na prinsipyo. Matagumpay niyang inilarawan ang diffraction ng mga alon. Bukod dito, ang prinsipyong ito ay kasalukuyang ginagamit upang matukoy ang mga pagkawala ng enerhiya sa panahon ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave, kung saan nahaharap ang isang balakid.
Narrow slit diffraction
Ang teorya ng pagbuo ng mga pattern ng diffraction ay medyo kumplikado mula sa isang matematikal na punto ng view, dahil kinasasangkutan nito ang solusyon ng mga equation ni Maxwell para sa mga electromagnetic wave. Gayunpaman, ang prinsipyo ng Huygens-Fresnel, gayundin ang ilang iba pang pagtatantya, ay ginagawang posible na makakuha ng mga mathematical formula na angkop para sa kanilang praktikal na aplikasyon.
Kung isasaalang-alang namin ang diffraction sa isang manipis na slit, kung saan ang harap ng plane wave ay nahuhulog, pagkatapos ay lilitaw ang maliliwanag at madilim na guhit sa isang screen na matatagpuan malayo sa slit. Ang minima ng pattern ng diffraction sa kasong ito ay inilalarawan ng sumusunod na formula:
ym=mλL/a, kung saan m=±1, 2, 3, …
Narito ang ym ay ang distansya mula sa slit projection papunta sa screen hanggang sa minimum na order m, λ ang light wavelength, L ang distansya sa screen, a ay ang lapad ng hiwa.
Ito ay sumusunod mula sa expression na ang gitnang maximum ay magiging mas malabo kung ang slit width ay nababawasan atdagdagan ang wavelength ng liwanag. Ipinapakita ng figure sa ibaba kung ano ang magiging hitsura ng kaukulang pattern ng diffraction.
Diffraction grating
Kung ang isang hanay ng mga puwang mula sa halimbawa sa itaas ay inilapat sa isang plato, pagkatapos ay makukuha ang tinatawag na diffraction grating. Gamit ang prinsipyo ng Huygens-Fresnel, makakakuha ng formula para sa maxima (maliwanag na banda) na nakukuha kapag dumaan ang liwanag sa grating. Mukhang ganito ang formula:
sin(θ)=mλ/d, kung saan m=0, ±1, 2, 3, …
Dito, ang parameter d ay ang distansya sa pagitan ng pinakamalapit na mga slot sa grating. Kung mas maliit ang distansyang ito, mas malaki ang distansya sa pagitan ng mga maliliwanag na banda sa pattern ng diffraction.
Dahil ang anggulo θ para sa m-th order maxima ay nakasalalay sa wavelength λ, kapag ang puting liwanag ay dumaan sa isang diffraction grating, lilitaw ang maraming kulay na mga guhit sa screen. Ginagamit ang epektong ito sa paggawa ng mga spectroscope na may kakayahang suriin ang mga katangian ng paglabas o pagsipsip ng liwanag ng isang partikular na pinagmulan, gaya ng mga bituin at kalawakan.
Ang Kahalagahan ng Diffraction sa Optical Instruments
Ang isa sa mga pangunahing katangian ng mga instrumento gaya ng teleskopyo o mikroskopyo ay ang kanilang resolusyon. Ito ay nauunawaan bilang ang pinakamababang anggulo, kapag sinusunod kung saan ang mga indibidwal na bagay ay nakikilala pa rin. Ang anggulong ito ay tinutukoy mula sa pagsusuri ng wave diffraction ayon sa Rayleigh criterion gamit ang sumusunod na formula:
sin(θc)=1, 22λ/D.
Kung saan D ang diameter ng lens ng device.
Kung ilalapat natin ang pamantayang ito sa teleskopyo ng Hubble, malalaman natin na ang device sa layong 1000 light years ay may kakayahang makilala ang pagitan ng dalawang bagay, ang distansya sa pagitan ng kung saan ay katulad ng sa pagitan ng Araw at Uranus.
