Kırınım ve tezahürünün örnekleri. Işık kırınımı olgusunun incelenmesi

Çift yarık kırınımı

Kırınım- dalgalar yayıldığında ortaya çıkan bir olgu (örneğin ışık ve ses dalgaları). Bu olgunun özü, dalganın engellerin etrafından bükülebilmesidir. Bu durum dalga hareketinin engelin arkasında, dalganın doğrudan ulaşamayacağı bir alanda gözlemlenmesine neden olur. Bu fenomen, opak nesnelerin kenarlarındaki dalgaların girişimi veya dalga yayılma yolu boyunca farklı ortamlar arasındaki homojensizliklerle açıklanmaktadır. Bir örnek, opak bir ekranın kenarından gölge alanında renkli ışık şeritlerinin görünmesi olabilir.

Dalga yolundaki engelin boyutu, uzunluğuyla karşılaştırılabilir veya daha az olduğunda kırınım kendini iyi gösterir.

Akustik kırınım- ses dalgalarının düz çizgi yayılımından sapma.

1. Yarık kırınımı

Bir yarıktan kırınım sırasında ışık ve gölge bölgelerinin oluşum şeması

Bir dalganın yarıklı bir ekrana düşmesi durumunda kırınıma bağlı olarak nüfuz eder, ancak ışınların doğrusal yayılımından bir sapma gözlenir. Ekranın arkasındaki dalgaların müdahalesi, konumu gözlemin yapıldığı yöne, ekrandan uzaklığa vb. bağlı olan karanlık ve aydınlık alanların ortaya çıkmasına neden olur.

2. Doğada ve teknolojide kırınım

Engellerin arkasından bize ulaşan sesleri duyduğumuzda, günlük yaşamda ses dalgalarının kırınımı sıklıkla gözlemlenir. Sudaki küçük engellerin etrafından dolaşan dalgaları gözlemlemek kolaydır.

Kırınım olgusunun bilimsel ve teknik kullanımları çeşitlidir. Kırınım ızgaraları, ışığı bir spektruma bölmek ve aynalar oluşturmak (örneğin yarı iletken lazerler için) için kullanılır. Kristal katıların yapısını incelemek için X-ışını, elektron ve nötron kırınımı kullanılır.

Kırınım süresi, mikroskoplar gibi optik cihazların çözünürlüğüne sınırlamalar getirir. Boyutları görünür ışığın dalga boyundan (400-760 nm) daha küçük olan nesneler optik mikroskopla görüntülenemez. Benzer bir sınırlama, yarı iletken endüstrisinde entegre devre üretiminde yaygın olarak kullanılan litografi yönteminde de mevcuttur. Bu nedenle spektrumun ultraviyole bölgesindeki ışık kaynaklarının kullanılması gerekmektedir.

3. Işığın kırınımı

Işık kırınımı olgusu, ışığın parçacık dalga doğası teorisini açıkça doğrulamaktadır.

Işığın kırınımını gözlemlemek zordur, çünkü dalgalar yalnızca engellerin boyutunun yaklaşık olarak ışığın dalga boyuna eşit olması ve çok küçük olması koşuluyla girişimden gözle görülür açılarda sapar.

İlk kez girişimi keşfeden Young, farklı renkteki ışık ışınlarına karşılık gelen dalga boylarının incelendiği ışığın kırınımı üzerine bir deney gerçekleştirdi. Kırınım çalışması, prensipte ışığın herhangi bir engel etrafında bükülmesi sonucu ortaya çıkan kırınım desenini hesaplamaya izin veren kırınım teorisini oluşturan O. Fresnel'in çalışmalarında tamamlandı. Fresnel, Huygens ilkesini ikincil dalgaların girişimi fikriyle birleştirerek bu başarıya ulaştı. Huygens-Fresnel ilkesi şu şekilde formüle edilir: ikincil dalgaların girişimi nedeniyle kırınım meydana gelir.

Tanım 1

Işığın kırınımı, engellerin yanından geçerken ışığın doğrusal yayılma yönünden sapması olgusudur.

Klasik fizikte kırınım olgusu, Huygens-Fresnel ilkesine uygun olarak dalga girişimi olarak tanımlanır. Bu karakteristik davranış modelleri, bir dalga, dalga boyuyla karşılaştırılabilecek büyüklükte bir engel veya boşlukla karşılaştığında ortaya çıkar. Benzer etkiler, bir ışık dalgası kırılma indisi değişen bir ortamdan geçtiğinde veya bir ses dalgası akustik empedansı değişen bir ortamdan geçtiğinde ortaya çıkar. Kırınım, ses dalgaları, rüzgar dalgaları ve elektromanyetik dalgaların yanı sıra görünür ışık, X-ışınları ve radyo dalgaları da dahil olmak üzere tüm dalga türlerinde meydana gelir.

Fiziksel nesneler (atom seviyesinde) dalga özelliklerine sahip olduğundan, maddelerde de kırınım meydana gelir ve kuantum mekaniği prensiplerine göre incelenebilir.

Örnekler

Kırınım etkileri günlük yaşamda yaygındır. Kırınımın en çarpıcı örnekleri ışıkla ilişkili olanlardır; örneğin, CD'lerdeki veya DVD'lerdeki yakın aralıklı parçalar bir kırınım ızgarası görevi görür. Atmosferdeki küçük parçacıkların kırılması, güneş veya ay gibi parlak bir ışık kaynağının yakınında görülebilen parlak bir halkayla sonuçlanabilir. Bir lazer ışını optik olarak düzgün olmayan bir yüzeye çarptığında meydana gelen benek de kırınımdır. Tüm bu etkiler ışığın dalga halinde ilerlemesinin bir sonucudur.

Not 1

Kırınım her türlü dalgada meydana gelebilir.

Okyanus dalgaları iskelelerin ve diğer engellerin etrafında dağılır. Ses dalgaları nesnelerin etrafında bükülebilir, böylece birisinin bir ağacın arkasına saklandığında bile seslendiğini duyabilirsiniz.

Hikaye

Işık kırınımının etkileri, Grimaldi zamanında, kırınım terimini de icat eden Francesco Maria tarafından iyi biliniyordu. Grimaldi'nin elde ettiği sonuçlar ölümünden sonra 1665 dolarda yayınlandı. Thomas Young, 1803'te birbirine yakın iki yarıktan gelen girişimi gösteren ünlü bir deney gerçekleştirdi. Elde ettiği sonuçları iki farklı yarıktan çıkan dalgaların girişimiyle açıklayarak ışığın dalga şeklinde ilerlemesi gerektiği sonucuna vardı. Fresnel, 1815 $'da yayınlanan kırınım hakkında daha doğru çalışmalar ve hesaplamalar yaptı. Fresnel, teorisini Christiaan Huygens tarafından geliştirilen ışığın tanımına dayandırdı ve onu ikincil dalgaların girişimi fikriyle tamamladı. Fresnel'in teorisinin deneysel olarak doğrulanması, ışığın dalga doğasının ana kanıtlarından biri haline geldi. Bu teori artık Huygens-Fresnel ilkesi olarak biliniyor.

Işığın kırınımı

Yarık kırınımı

Işıkla aydınlatılan sonsuz küçük genişliğe sahip uzun bir yarık, ışığı bir dizi dairesel dalga halinde ve yarıktan çıkan ve eşit yoğunlukta silindirik bir dalga olan bir dalga cephesi halinde kırar. Dalga boyundan daha geniş bir yarık, yarıktan çıkan alanda girişim etkisi yaratır. Bunlar, yarığın, sanki yarığın tüm genişliği boyunca eşit olarak dağıtılmış çok sayıda nokta kaynağı varmış gibi davranmasıyla açıklanabilir. Tek bir dalga boyundaki ışığı dikkate alırsak bu sistemin analizi basitleşir. Gelen ışık tutarlı ise bu kaynakların tümü aynı faza sahiptir.

Kırınım ızgarası

Kırınım ızgarası, ışığı farklı yönlerde hareket eden birden fazla ışına bölen ve dağıtan periyodik yapıya sahip optik bir bileşendir.

Izgara tarafından kırılan ışık, her bir elementten kırılan ışığın toplanmasıyla belirlenir ve esas olarak kırınım ve girişim desenlerinin evrişimidir.

Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısının konuları: ışığın kırınımı, kırınım ızgarası.

Dalganın yolunda bir engel belirirse, o zaman kırınım - dalganın doğrusal yayılımdan sapması. Bu sapma, yansımaya veya kırılmaya ve ayrıca ortamın kırılma indisindeki bir değişiklik nedeniyle ışınların yolunun eğriliğine indirgenemez.Kırınım, dalganın engelin kenarı etrafında bükülmesi ve içeri girmesi gerçeğinden oluşur. geometrik gölgenin bölgesi.

Örneğin oldukça dar bir yarığa sahip bir ekranın üzerine bir düzlem dalganın düşmesine izin verin (Şekil 1). Yarıktan çıkışta ıraksak bir dalga belirir ve yarığın genişliği azaldıkça bu ıraksama artar.

Genel olarak kırınım olgusu, engel ne kadar küçük olursa, o kadar net ifade edilir. Kırınım, engelin boyutunun daha küçük olduğu veya dalga boyu mertebesinde olduğu durumlarda en belirgindir. Şekil deki yarık genişliğinin karşılaması gereken tam da bu koşuldur. 1.

Kırınım, girişim gibi, her türlü dalganın (mekanik ve elektromanyetik) karakteristiğidir. Görünür ışık, elektromanyetik dalgaların özel bir durumudur; bu nedenle gözlemlenebilmesi şaşırtıcı değil
ışığın kırınımı.

Yani, Şekil 2'de. Şekil 2'de lazer ışınının 0,2 mm çapındaki küçük bir delikten geçirilmesi sonucu elde edilen kırınım deseni görülmektedir.

Beklendiği gibi merkezi bir parlak nokta görüyoruz; Noktadan çok uzakta karanlık bir alan var - geometrik bir gölge. Ancak merkezi noktanın etrafında - net bir ışık ve gölge sınırı yerine! - değişen açık ve koyu halkalar var. Merkezden uzaklaştıkça ışık halkaları daha az parlak hale gelir; yavaş yavaş gölge bölgeye doğru kaybolurlar.

Bana müdahaleyi hatırlatıyor, değil mi? O da bu; bu halkalar girişim maksimumları ve minimumlarıdır. Buraya hangi dalgalar müdahale ediyor? Yakında bu konuyu ele alacağız ve aynı zamanda kırınımın neden ilk etapta gözlemlendiğini de öğreneceğiz.

Ancak öncelikle, ışığın müdahalesine ilişkin ilk klasik deneyden, kırınım olgusunun önemli ölçüde kullanıldığı Young deneyinden bahsetmeden geçemeyiz.

Jung'un deneyimi.

Işığın girişimiyle ilgili her deney, iki tutarlı ışık dalgası üretmenin bir yöntemini içerir. Fresnel aynaları ile yapılan deneyde, hatırlayacağınız gibi tutarlı kaynaklar, her iki aynada da elde edilen aynı kaynağın iki görüntüsüydü.

Aklıma ilk gelen en basit fikir şu oldu. Bir karton parçasına iki delik açıp onu güneş ışınlarına maruz bırakalım. Bu delikler tutarlı ikincil ışık kaynakları olacak çünkü tek bir birincil kaynak var: Güneş. Sonuç olarak, deliklerden ayrılan ışınların üst üste bindiği alanda ekranda bir girişim deseni görmeliyiz.

Böyle bir deney Jung'dan çok önce İtalyan bilim adamı Francesco Grimaldi (ışığın kırınımını keşfeden kişi) tarafından gerçekleştirilmişti. Ancak herhangi bir müdahale gözlenmedi. Neden? Bu soru çok basit değildir ve nedeni Güneş'in bir nokta değil, geniş bir ışık kaynağı olmasıdır (Güneş'in açısal boyutu 30 yay dakikadır). Güneş diski, her biri ekranda kendi girişim desenini üreten birçok nokta kaynağından oluşur. Üst üste binen bu bireysel desenler birbirini "lekeler" ve sonuç olarak ekran, ışınların üst üste geldiği alanın eşit şekilde aydınlatılmasını sağlar.

Ancak Güneş aşırı derecede "büyük" ise, o zaman yapay olarak yaratmak gerekir. leke birincil kaynak. Bu amaçla Young'ın deneyinde küçük bir ön delik kullanıldı (Şekil 3).

Pirinç. 3. Jung'un deneyim diyagramı

İlk deliğe bir düzlem dalga düşer ve deliğin arkasında kırınım nedeniyle genişleyen bir ışık konisi belirir. İki tutarlı ışık konisinin kaynağı haline gelen sonraki iki deliğe ulaşır. Şimdi - birincil kaynağın noktasal yapısı sayesinde - konilerin üst üste geldiği bölgede bir girişim deseni gözlemlenecek!

Thomas Young bu deneyi gerçekleştirdi, girişim saçaklarının genişliğini ölçtü, bir formül çıkardı ve bu formülü kullanarak ilk kez görünür ışığın dalga boylarını hesapladı. Bu deneyin fizik tarihinin en ünlü deneylerinden biri olmasının nedeni budur.

Huygens-Fresnel prensibi.

Huygens ilkesinin formülasyonunu hatırlayalım: Dalga sürecine dahil olan her nokta, ikincil küresel dalgaların kaynağıdır; bu dalgalar belli bir noktadan, sanki bir merkezden geliyormuşçasına, her yöne yayılır ve birbirleriyle örtüşürler.

Ancak doğal bir soru ortaya çıkıyor: "örtüşme" ne anlama geliyor?

Huygens, ilkesini, orijinal dalga yüzeyinin her noktasından genişleyen bir küre ailesinin zarfı olarak yeni bir dalga yüzeyi oluşturmanın tamamen geometrik bir yöntemine indirgedi. İkincil Huygens dalgaları gerçek dalgalar değil, matematiksel kürelerdir; bunların toplam etkisi yalnızca zarf üzerinde, yani dalga yüzeyinin yeni konumunda kendini gösterir.

Bu haliyle Huygens ilkesi, bir dalganın yayılması sırasında neden ters yönde hareket eden bir dalganın ortaya çıkmadığı sorusuna cevap veremiyordu. Kırınım fenomeni de açıklanamadı.

Huygens prensibindeki değişiklik yalnızca 137 yıl sonra gerçekleşti. Augustin Fresnel, Huygens'in yardımcı geometrik kürelerini gerçek dalgalarla değiştirdi ve bu dalgaların müdahale etmek birlikte.

Huygens-Fresnel prensibi. Dalga yüzeyinin her noktası ikincil küresel dalgaların kaynağı olarak hizmet eder. Tüm bu ikincil dalgalar, birincil kaynaktan gelen ortak kökenleri nedeniyle tutarlıdır (ve dolayısıyla birbirlerine müdahale edebilirler); çevredeki uzaydaki dalga süreci ikincil dalgaların girişiminin sonucudur.

Fresnel'in fikri Huygens'in ilkesini fiziksel anlamla doldurdu. Müdahale eden ikincil dalgalar, dalga yüzeylerinin zarfı üzerinde “ileri” yönde birbirlerini güçlendirerek dalganın daha fazla yayılmasını sağlar. Ve “geri” yönde orijinal dalgaya müdahale ederler, karşılıklı iptal gözlenir ve geriye doğru bir dalga oluşmaz.

Özellikle ışık, ikincil dalgaların karşılıklı olarak güçlendirildiği yerde yayılır. İkincil dalgaların zayıfladığı yerlerde ise uzayın karanlık alanlarını göreceğiz.

Huygens-Fresnel prensibi önemli bir fiziksel fikri ifade eder: Kaynağından uzaklaşan bir dalga, daha sonra "kendi hayatını yaşar" ve artık bu kaynağa bağlı değildir. Uzayda yeni alanlar yakalayan dalga, ilerledikçe uzayın farklı noktalarında uyarılan ikincil dalgaların girişimi nedeniyle giderek daha da yayılır.

Huygens-Fresnel ilkesi kırınım olayını nasıl açıklıyor? Örneğin kırınım neden bir delikte meydana gelir? Gerçek şu ki, gelen dalganın sonsuz düz dalga yüzeyinden, ekran deliği yalnızca küçük bir ışıklı diski keser ve sonraki ışık alanı, tüm düzlemde bulunmayan ikincil kaynaklardan gelen dalgaların müdahalesi sonucu elde edilir. , ancak yalnızca bu diskte. Doğal olarak yeni dalganın yüzeyleri artık düz olmayacak; ışınların yolu bükülür ve dalga, orijinaliyle örtüşmeyen farklı yönlerde yayılmaya başlar. Dalga deliğin kenarlarından geçerek geometrik gölge alanına nüfuz eder.

Kesilen ışık diskinin farklı noktalarından yayılan ikincil dalgalar birbirine müdahale eder. Girişimin sonucu ikincil dalgaların faz farkıyla belirlenir ve ışınların sapma açısına bağlıdır. Sonuç olarak, Şekil 2'de gördüğümüz gibi, girişimin maksimum ve minimumları arasında bir değişim meydana gelir. 2.

Fresnel, yalnızca Huygens ilkesini ikincil dalgaların tutarlılığı ve girişimi fikriyle desteklemekle kalmadı, aynı zamanda kırınım problemlerini çözmek için sözde dalgaların inşasına dayanan ünlü yöntemini de ortaya çıkardı. Fresnel bölgeleri. Fresnel bölgelerinin incelenmesi okul müfredatına dahil değildir - bunları bir üniversite fizik dersinde öğreneceksiniz. Burada sadece Fresnel'in teorisi çerçevesinde geometrik optiğin ilk yasamız olan ışığın doğrusal yayılımı yasasına bir açıklama getirmeyi başardığından bahsedeceğiz.

Kırınım ızgarası.

Kırınım ızgarası, ışığı spektral bileşenlere ayırmanıza ve dalga boylarını ölçmenize olanak tanıyan optik bir cihazdır. Kırınım ızgaraları şeffaf ve yansıtıcıdır.

Şeffaf bir kırınım ızgarasını ele alacağız. Genişlik aralıklarıyla ayrılmış çok sayıda genişlikteki yuvadan oluşur (Şekil 4). Işık yalnızca yarıklardan geçer; boşluklar ışığın geçmesine izin vermez. Bu miktara kafes periyodu denir.

Pirinç. 4. Kırınım ızgarası

Kırınım ızgarası, camın veya şeffaf filmin yüzeyine çizgiler uygulayan, bölme makinesi adı verilen bir makine kullanılarak yapılır. Bu durumda vuruşlar opak alanlar haline gelir ve el değmemiş yerler çatlak görevi görür. Örneğin, bir kırınım ızgarası milimetre başına 100 çizgi içeriyorsa, bu tür bir ızgaranın periyodu şuna eşit olacaktır: d = 0,01 mm = 10 mikron.

Öncelikle monokromatik ışığın, yani kesin olarak tanımlanmış bir dalga boyuna sahip ışığın ızgaradan nasıl geçtiğine bakacağız. Monokromatik ışığın mükemmel bir örneği, dalga boyu yaklaşık 0,65 mikron olan bir lazer işaretleyicinin ışınıdır.

İncirde. Şekil 5'te böyle bir ışının standart kırınım ızgaralarından birinin üzerine düştüğünü görüyoruz. Izgara yarıkları dikey olarak yerleştirilmiştir ve ızgaranın arkasındaki ekranda belirli aralıklarla dikey şeritler görülmektedir.

Zaten anladığınız gibi bu bir girişim modelidir. Bir kırınım ızgarası, gelen dalgayı her yöne yayılan ve birbirine müdahale eden birçok uyumlu ışına böler. Bu nedenle, ekranda maksimum ve minimum girişim - açık ve koyu şeritlerin bir dönüşümünü görüyoruz.

Kırınım ızgaraları teorisi çok karmaşıktır ve bütünüyle okul müfredatının kapsamının çok ötesindedir. Tek bir formülle ilgili yalnızca en temel şeyleri bilmelisiniz; bu formül, kırınım ızgarasının arkasındaki ekranın maksimum aydınlatmasının konumlarını açıklar.

Öyleyse, düz bir monokromatik dalganın bir periyotlu bir kırınım ızgarasının üzerine düşmesine izin verin (Şekil 6). Dalga boyu .

Pirinç. 6. Izgara yoluyla kırınım

Girişim desenini daha net hale getirmek için ızgara ile ekran arasına bir mercek yerleştirebilir ve ekranı merceğin odak düzlemine yerleştirebilirsiniz. Daha sonra farklı yarıklardan paralel olarak ilerleyen ikincil dalgalar ekranın bir noktasında (merceğin yan odağı) birleşecektir. Ekran yeterince uzağa yerleştirilmişse, merceğe özel bir ihtiyaç yoktur - ekranın belirli bir noktasına çeşitli yarıklardan gelen ışınlar zaten birbirine neredeyse paralel olacaktır.

Bir açı kadar sapan ikincil dalgaları ele alalım: Bitişik yarıklardan gelen iki dalga arasındaki yol farkı, hipotenüslü bir dik üçgenin küçük bacağına eşittir; ya da aynı şey, bu yol farkı üçgenin bacağına eşittir. Ancak kenarları birbirine dik olan dar açılar olduğundan açı açıya eşittir. Dolayısıyla yol farkımız eşittir.

Yol farkının tam sayıda dalga boyuna eşit olduğu durumlarda girişim maksimumları gözlemlenir:

(1)

Bu koşul karşılanırsa, farklı yarıklardan bir noktaya gelen tüm dalgalar aynı fazda toplanacak ve birbirini güçlendirecektir. Bu durumda, farklı ışınların mercekten farklı yollardan geçmesine rağmen mercek ek bir yol farkı yaratmaz. Bu neden oluyor? Tartışma fizikteki Birleşik Devlet Sınavının kapsamının ötesine geçtiği için bu konuya girmeyeceğiz.

Formül (1), maksimumlara doğru yönleri belirten açıları bulmanızı sağlar:

. (2)

Onu aldığımızda merkezi maksimum, veya sıfır sipariş maksimum.Sapma olmadan ilerleyen tüm ikincil dalgaların yollarındaki fark sıfıra eşittir ve merkezi maksimumda bunların toplamı sıfır faz kayması ile tamamlanır. Merkezi maksimum, maksimumların en parlak olanı olan kırınım modelinin merkezidir. Ekrandaki kırınım deseni merkezi maksimuma göre simetriktir.

Açıyı bulduğumuzda:

Bu açı yönleri belirler. birinci dereceden maksimum. Bunlardan iki tane var ve merkezi maksimuma göre simetrik olarak yerleştirilmişler. Birinci dereceden maksimumlardaki parlaklık, merkezi maksimumdakinden biraz daha azdır.

Benzer şekilde şu açıya da sahibiz:

Yönerge veriyor ikinci dereceden maksimum. Bunlardan iki tane var ve bunlar da merkezi maksimuma göre simetrik olarak yerleştirilmişler. İkinci derece maksimumlardaki parlaklık, birinci derece maksimumlardan biraz daha azdır.

İlk iki mertebenin maksimumlarına doğru yönlerin yaklaşık bir resmi Şekil 2'de gösterilmektedir. 7.

Pirinç. 7. İlk iki derecenin maksimumları

Genel olarak iki simetrik maksimum k-sıra açıya göre belirlenir:

. (3)

Küçük olduğunda karşılık gelen açılar genellikle küçüktür. Örneğin, μm ve μm'de birinci dereceden maksimumlar bir açıyla yerleştirilmiştir. k-Büyümeyle birlikte düzen giderek azalır k. Kaç tane maksimum görebiliyorsun? Bu soruyu formül (2) kullanarak cevaplamak kolaydır. Sonuçta sinüs birden büyük olamaz, bu nedenle:

Yukarıdakiyle aynı sayısal verileri kullanarak şunu elde ederiz: . Bu nedenle, belirli bir kafes için mümkün olan en yüksek maksimum sıra 15'tir.

Şekil 2'ye tekrar bakın. 5. Ekranda 11 maksimumu görebiliyoruz. Bu, merkezi maksimumun yanı sıra birinci, ikinci, üçüncü, dördüncü ve beşinci derecelerin iki maksimumudur.

Kırınım ızgarası kullanarak bilinmeyen bir dalga boyunu ölçebilirsiniz. Izgaraya bir ışık huzmesi yönlendiriyoruz (periyodunu bildiğimiz), ilkinin maksimumundaki açıyı ölçüyoruz
sırayla, formül (1)'i kullanırız ve şunu elde ederiz:

Spektral bir cihaz olarak kırınım ızgarası.

Yukarıda bir lazer ışını olan monokromatik ışığın kırınımını ele aldık. Çoğu zaman uğraşmak zorunda kalıyoruz tek renkli olmayan radyasyon. Çeşitli monokromatik dalgaların bir karışımıdır. menzil bu radyasyonun. Örneğin beyaz ışık, kırmızıdan mora kadar görünür aralıktaki dalgaların bir karışımıdır.

Optik cihaz denir spektral Işığı tek renkli bileşenlere ayırmanıza ve böylece radyasyonun spektral bileşimini incelemenize izin veriyorsa. En basit spektral cihaz sizin tarafınızdan iyi bilinmektedir - bu bir cam prizmadır. Spektral cihazlar ayrıca bir kırınım ızgarası içerir.

Beyaz ışığın bir kırınım ızgarasına düştüğünü varsayalım. Formül (2)'ye dönelim ve bundan ne gibi sonuçlar çıkarılabileceğini düşünelim.

Merkezi maksimumun () konumu dalga boyuna bağlı değildir. Kırınım deseninin merkezinde sıfır yol farkıyla birleşecekler Tüm Beyaz ışığın monokromatik bileşenleri. Bu nedenle merkezi maksimumda parlak beyaz bir şerit göreceğiz.

Ancak maksimum mertebenin konumları dalga boyu tarafından belirlenir. Verilen bir açı ne kadar küçük olursa, açı da o kadar küçük olur. Bu nedenle maksimum kÜçüncü dereceden monokromatik dalgalar uzayda ayrılır: mor şerit merkezi maksimuma en yakın olacak, kırmızı şerit ise en uzak olacaktır.

Sonuç olarak, her sırada beyaz ışık bir kafes tarafından bir spektrum halinde düzenlenir.
Tüm monokromatik bileşenlerin birinci dereceden maksimumları birinci dereceden bir spektrum oluşturur; daha sonra ikinci, üçüncü ve benzeri siparişlerin spektrumları vardır. Her düzenin spektrumu, mordan kırmızıya kadar gökkuşağının tüm renklerinin mevcut olduğu bir renk bandı biçimindedir.

Beyaz ışığın kırınımı Şekil 2'de gösterilmektedir. 8. Merkezi maksimumda beyaz bir şerit görüyoruz ve yanlarda birinci dereceden iki spektrum var. Sapma açısı arttıkça şeritlerin rengi mordan kırmızıya doğru değişir.

Ancak bir kırınım ızgarası yalnızca spektrumların gözlemlenmesine, yani radyasyonun spektral bileşiminin niteliksel bir analizinin yapılmasına izin vermekle kalmaz. Kırınım ızgarasının en önemli avantajı niceliksel analiz olanağıdır - yukarıda belirtildiği gibi, onun yardımıyla şunları yapabiliriz: ölçmek dalga boyları. Bu durumda ölçüm prosedürü çok basittir: aslında yön açısının maksimumda ölçülmesine gelir.

Doğada bulunan kırınım ızgaralarının doğal örnekleri kuş tüyleri, kelebek kanatları ve deniz kabuğunun sedef yüzeyidir. Güneş ışığına gözlerinizi kısarak baktığınızda kirpiklerin çevresinde gökkuşağı rengi görebilirsiniz.Bu durumda kirpiklerimiz Şekil 2'deki şeffaf bir kırınım ızgarası gibi davranır. 6 ve lens, kornea ve lensin optik sistemidir.

Kırınım ızgarası tarafından verilen beyaz ışığın spektral ayrışımı, en kolay şekilde sıradan bir kompakt diske bakılarak gözlemlenir (Şekil 9). Diskin yüzeyindeki izlerin yansıtıcı bir kırınım ızgarası oluşturduğu ortaya çıktı!

Kırınım- bu, dalgaların engellerin etrafında bükülmesidir. Işık durumunda kırınım tespitişöyle gelebilir:

Kırınım - bunlar, ışık dalgalarının geometrik optik yasalarından yayılmasındaki herhangi bir sapmadır, özellikle de ışığın geometrik bir gölge bölgesine nüfuz etmesidir.

Bazen daha geniş bir tanım kullanılır:

Kırınım keskin homojensizliklerin olduğu bir ortamda dalgaların yayılması sırasında gözlemlenen bir dizi olaydır.

Klasik kırınım örneği- ekranda, net sınırları olan aydınlatılmış bir daire yerine, değişen koyu ve açık halkalarla noktalı, bulanık sınırları olan bir ışık çemberi gözlemlendiğinde, küresel bir ışık dalgasının küçük yuvarlak bir delikten geçişi.

Deliğin çapını değiştirerek ekrandaki resmin değişeceğini, özellikle aydınlatılan dairenin ortasında karanlık bir noktanın görünüp kaybolacağını göreceğiz. Bu olaya ilişkin bir açıklama şu şekilde yapılmıştır: Fresnel. Dalga cephesini, komşu bölgelerden gözlem noktasına olan mesafeler yarım dalga boyu kadar farklılık gösterecek şekilde bölgelere ayırdı. Daha sonra komşu bölgelerden gelen ikincil dalgalar birbirini iptal eder. Bu nedenle, deliğe çift sayıda bölge yerleştirilirse aydınlatılan dairenin merkezinde karanlık bir nokta olacaktır; tek sayı ise aydınlık bir nokta olacaktır.

Kırınım ızgarasıüzerine çok sayıda düzenli aralıklı vuruşun uygulandığı bir plaka olan optik bir cihazdır. Plakada darbeler yerine düzenli aralıklı yarıklar, oyuklar veya çıkıntılar bulunabilir.

Bu tür periyodik yapılardan elde edilen kırınım deseni, değişen yoğunluklarda değişen maksimumlar ve minimumlar biçimindedir. Siteden materyal

Kırınım ızgaraları spektral cihazlarda kullanılır. Amaçları elektromanyetik radyasyonun spektral bileşimini incelemektir. Ultraviyole bölgede çalışmak için, 1 mm'de 3600-1200 çizgi, görünür bölgede - 1200-600 çizgi/mm, kızılötesi - 300 veya daha az çizgi/mm olan ızgaralar kullanılır. Ultra kısa X-ışını dalgaları için doğa bir kırınım ızgarası yarattı; bu, katılardan oluşan bir kristal kafestir.

Daha uzun dalgalar daha güçlü bir şekilde kırılır, bu nedenle bir engeli geçerken kırmızı ışınlar düz bir yoldan mavi ışınlara göre daha fazla sapar. Beyaz ışık bir prizma üzerine düştüğünde, ışınlar dağılma sonucu ters yönde saparlar. Kırmızı ışınların camdaki ışığının hızı daha yüksektir ve buna bağlı olarak kırılma indisi mavi ışınlarınkinden daha düşüktür. Sonuç olarak kırmızı ışınlar orijinal yönlerinden daha az sapar.

Işık girişimi, tutarlı dalgaların eklenmesi sırasında ışığın karşılıklı olarak güçlendirilmesi veya zayıflatılması olgusudur. İki tutarlı ışık kaynağı (yani sabit faz farkıyla mükemmel şekilde eşleşen ışık ışınları yayan) birbirine çok yakın yerleştirildiğinde girişim meydana gelir. İki bağımsız ışık kaynağı asla sabit bir dalga fazı farkını korumaz, dolayısıyla ışınları girişimde bulunmaz. Bununla birlikte, kaynaktan gelen bir ışık ışınının ikiye bölünmesi nedeniyle girişim desenleri ortaya çıkar (bunların bir ışık ışınının parçaları olarak tutarlı olacağı açıktır).

Young'ın ışığın girişimi üzerine deneyi S deliğinden yayılan, birbirlerinden küçük bir d mesafesinde bulunan S 1 ve S 2 deliklerinden geçen bir ışık huzmesi, birbiriyle örtüşen ve bir girişim deseni veren 2 tutarlı ışına bölünür. ekranda.

Girişimin bir örneği NEWTON HALKALARI'dır. Bunlar birbirine temas eden 2 plakadır: biri ideal olarak düzdür, diğeri ise çok geniş bir eğrilik yarıçapına sahip dışbükey bir mercektir. Temas yerlerinin yakınında bir hava kaması oluşur (şekilde ışınların yoluna bakın). Plakaların temas noktasının konumu değiştirilerek halkaların konumu değiştirilebilir. Monokromatik ışıkta NEWTON halkaları

Parazit uygulaması Optiklerin yansıma önlemesi Modern optik cihazlar düzinelerce yansıtıcı yüzeye sahip olabilir. Her birinde ışık enerjisinin %5-10'u kaybolur. Çeşitli yüzey işleme kusurları için girişim saçaklarının türü Işık, optik cihazların karmaşık merceklerinden geçerken enerji kayıplarını azaltmak ve görüntü kalitesini artırmak için merceklerin yüzeyleri, camınkinden daha büyük kırılma indisine sahip özel bir şeffaf film ile kaplanır. Filmin kalınlığı (ve yol farkı), gelen ve yansıyan dalgalar eklendiğinde birbirini iptal edecek şekildedir.

Netleştirme optikleri Parazitin sonucu ışığın dalga boyuna bağlı olduğundan ve beyaz ışık çok renkli olduğundan, tüm dalgaları aynı anda bastırmak imkansızdır. Bu nedenle spektrumun merkezi, sarı-yeşil bölgesindeki dalgalar genellikle sönümlenir. DÜŞÜNÜN: Neden optik aletlerin mercekleri bize leylak rengi görünüyor?