Физика

Дифракция света

Для вывода законов отражения и преломления мы использовали принцип Гюйгенса. Френель дополнил его формулировку для объяснения явления дифракции

Определите, какое дополнение ввел Френель?

Принцип Гюйгенса: 

каждая точка волновой поверхности является источником вторичных сферических волн

Принцип Гюйгенса-Френеля:

каждая точка волновой поверхности является источником вторичных сферических волн,

которые интерферируют между собой

Задание:

Попробуйте предположить как будет выглядеть дифракционная картина?

Дифракционная картина

Задание:

Будет ли вид дифракционной картины зависеть от длины волны (цвета)?
Как будет выглядеть дифракционная картина в белом свете?

Задание:

Попробуйте предложить идею опыта по наблюдению дифракции

Построение дифракционной картины

Дифракция от различных препятствий:

Препятствие – круглое отверстие R=3.9

Препятствие – круглое отверстие R=3.3

Препятствие – игла d=2.3

Препятствие – игла d=2.3

Препятствие – игла d=2.3

Препятствия

Для того чтобы найти амплитуду световой волны от точечного монохроматического источника света А в произвольной точке О изотропной среды, надо источник света окружить сферой радиусом r=ct

Интерференция волны от вторичных источников, расположенных на этой поверхности, определяет амплитуду в рассматриваемой точке P,
т. е. необходимо произвести сложение когерентных колебаний от всех вторичных источников на волновой поверхности

Так как расстояния от них до точки О различны, то колебания будут приходить в различных фазах.

Наименьшее расстояние от точки О до волновой поверхности В равно r0

Первая зона Френеля ограничивается точками волновой поверхности, расстояния от которых до точки О равны:




где  — длина световой волны

Вторая зона:


Аналогично определяются границы других зон

Дифракционные картины

Прибор

Темные и светлые пятна

На этом принципе основаны т.н. зонные пластинки

Получение изображения с помощью зонной пластинки

Условия наблюдения дифракции

Условия наблюдения дифракции

Дифракция наблюдается хорошо на расстоянии


Если , то дифракция невидна и получается резкая тень (d - диаметр экрана).


Эти соотношения определяют границы применимости геометрической оптики

Если наблюдение ведется на расстоянии , где d—размер предмета, то начинают проявляться волновые свойства света

Соотношения длины волны и размера препятствия

На рис. показана примерная зависимость результатов опыта по распространению волн в зависимости от соотношения размеров препятствия и длины волны.

Интерференционные картины

от разных точек предмета перекрываются, и изображение смазывается, поэтому прибор не выделяет отдельные детали предмета. Дифракция устанавливает предел разрешающей способности любого оптического прибора

Разрешающая способность человеческого глаза

приблизительно равна одной угловой минуте:



где D — диаметр зрачка; телескопа =0,02'';
у микроскопа увеличение не более 2.103 раз.
Можно видеть предметы, размеры которых
соизмеримы с длиной световой волны

Дифракционная решетка

Величина d = a + b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки, где а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части

Угол  - угол отклонения световых волн вследствие дифракции.
Наша задача - определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении  - максимум или минимум

Оптическая разность хода
Из условия максимума интерференции получим:

Следовательно:

- формула дифракционной решетки.
Величина k — порядок дифракционного максимума
( равен 0,  1,  2 и т.д.)

Определение  с помощью дифракционной решетки

Прибор

Гримальди Франческо2.IV.1618 - 28.XII.1663

Итальянский ученый. С 1651 года - священник.
Открыл дифракцию света, систематически ее изучал и сформулировал некоторые правила. Описал солнечный спектр, полученный с помощью призмы. В 1662 г. определил величину поверхности Земли.

Френель Огюст Жан (10.V.1788 - 14.VII.1827)

Французский физик. Научные работы посвящены физической оптике.
Дополнил известный принцип Гюйгенса, введя так называемые зоны Френеля (принцип Гюйгенса - Френеля). Разработал в 1818 году теорию дифракции света

Юнг Томас13.IV.1773-10.V.1829

Английский ученый. Полиглот. Научился читать в 2 года. Объяснил аккомодацию глаза, обнаружил интерференцию звука, объяснил интерференцию света, и ввел этот термин. Измерил длины волн световых лучей. Исследовал деформацию

Араго Доменик Франсуа(26.II.1786-2.X.1853)

Французский физик и политический деятель. Автор многих открытий по оптике и электромагнетизму: хроматическую поляризацию света, вращение плоскости поляризации, намагничивание железных опилок вблизи проводника с током. Установил связь полярных сияний с магнитными бурями. По его указаниями А.Физо и У.Фуко измерили скорость света, а У.Леверье открыл планету Нептун

Фраунгофер Йозеф (6.III.1787- 7.VI.1826)

Немецкий физик.
Научные работы относятся к физической оптике. Внёс существенный вклад в исследование дисперсии и создание ахроматических линз. Фраунгофер изучал дифракцию в параллельных лучах (так называемая дифракция Фраунгофера).Сначала от одной щели, а потом от многих. Большой заслугой учёного является использование(с 1821 года) дифракционных решеток для исследования спектров (некоторые исследователи считают его даже изобретателем первой дифракционной решетки)

Пуассон Семион Дени (21.VI.1781 - 25.IV.1840)

Французский механик, математик, физик, член Парижской академии наук (с 1812 года). Физические исследования относятся к магнетизму, капиллярности, теории упругости, гидромеханике, теории колебаний, теории света. Член Петербургской академии наук (с 1826 года)