Fenomen uklona valov je eden od učinkov, ki odraža valovno naravo svetlobe. Prav zaradi svetlobnih valov so jo odkrili v začetku 19. stoletja. V tem članku si bomo ogledali, kaj je ta pojav, kako je matematično opisan in kje najde uporabo.
Fenomen difrakcije valov
Kot veste, se vsak val, naj bo to svetloba, zvok ali motnje na površini vode, v homogenem mediju širi po ravni poti.
Predstavimo si valovno fronto, ki ima ravno površino in se premika v določeni smeri. Kaj se bo zgodilo, če bo na poti te fronte ovira? Vse lahko služi kot ovira (kamen, zgradba, ozka vrzel itd.). Izkazalo se je, da po prehodu skozi oviro valovna fronta ne bo več ravna, ampak bo dobila bolj zapleteno obliko. Torej, v primeru majhne okrogle luknje, valovna fronta, ki poteka skozi njo, postane sferična.
Pojav spreminjanja smeri širjenja valovanja, ko na svoji poti naleti na oviro, se imenuje difrakcija (difraktus iz latinščine pomeni"zlomljeno").
Rezultat tega pojava je, da val prodre v prostor za oviro, kamor ne bi nikoli udaril v svojem pravokotnem gibanju.
Primer difrakcije valov na morski obali je prikazan na spodnji sliki.
Pogoji opazovanja difrakcije
Zgoraj opisan učinek lomljenja valov pri prehodu ovire je odvisen od dveh dejavnikov:
- valovna dolžina;
- geometrijski parametri ovire.
Pod kakšnimi pogoji se opazi difrakcija valov? Za boljše razumevanje odgovora na to vprašanje je treba opozoriti, da se obravnavani pojav vedno pojavi, ko val naleti na oviro, vendar postane opazen šele, ko je valovna dolžina reda geometrijskih parametrov ovire. Ker so valovne dolžine svetlobe in zvoka majhne v primerjavi z velikostjo predmetov okoli nas, se sama difrakcija pojavi le v nekaterih posebnih primerih.
Zakaj pride do difrakcije valov? To je mogoče razumeti, če upoštevamo Huygens-Fresnelov princip.
Huygensovo načelo
Sredi 17. stoletja je nizozemski fizik Christian Huygens predstavil novo teorijo o širjenju svetlobnih valov. Verjel je, da se tako kot zvok svetloba giblje v posebnem mediju - etru. Svetlobni val je vibracija etrskih delcev.
Gledejoč na valovno sferično fronto, ki jo ustvari točkovni svetlobni vir, je Huygens prišel do naslednjega zaključka: v procesu gibanja fronta prehaja skozi vrsto prostorskih točk voddaja. Takoj, ko jih doseže, ga spravi v oklevanje. Oscilirajoče točke pa ustvarjajo novo generacijo valov, ki jih je Huygens imenoval sekundarno. Od vsake točke je sekundarni val sferen, vendar sam ne določa površine nove fronte. Slednje je rezultat superpozicije vseh sferičnih sekundarnih valov.
Zgoraj opisan učinek se imenuje Huygensov princip. Ne razlaga uklona valov (ko ga je znanstvenik oblikoval, še niso vedeli za uklon svetlobe), uspešno pa opisuje takšne učinke, kot sta odboj in lom svetlobe.
Ko je Newtonova korpuskularna teorija svetlobe zmagala v 17. stoletju, je bilo Huygensovo delo pozabljeno za 150 let.
Thomas Jung, Augustin Fresnel in oživitev Huygensovega principa
Fenomen uklona in interference svetlobe je leta 1801 odkril Thomas Young. Pri izvajanju poskusov z dvema režama, skozi katera je potekala monokromatska svetlobna fronta, je znanstvenik na zaslonu prejel sliko izmenično temnih in svetlih črt. Jung je v celoti razložil rezultate svojih eksperimentov, pri čemer se je skliceval na valovno naravo svetlobe in s tem potrdil Maxwellove teoretične izračune.
Takoj ko so Youngovi eksperimenti ovrgli Newtonovo korpuskularno teorijo svetlobe, se je francoski znanstvenik Augustin Fresnel spomnil Huygensovega dela in uporabil njegov princip za razlago fenomena difrakcije.
Fresnel je verjel, da če elektromagnetno valovanje, ki se širi v ravni črti, sreča oviro, se del njegove energije izgubi. Preostanek se porabi za nastanek sekundarnih valov. Slednje vodijo v nastanek nove valovne fronte, katere smer širjenja se razlikuje od prvotne.
Opisani učinek, ki pri generiranju sekundarnih valov ne upošteva etra, se imenuje Huygens-Fresnelov princip. Uspešno opisuje difrakcijo valov. Poleg tega se ta princip trenutno uporablja za določanje izgub energije med širjenjem elektromagnetnih valov, na poti katerih naletimo na oviro.
Difrakcija ozke reže
Teorija konstruiranja difrakcijskih vzorcev je z matematičnega vidika precej zapletena, saj vključuje rešitev Maxwellovih enačb za elektromagnetno valovanje. Kljub temu Huygens-Fresnelov princip, pa tudi številni drugi približki, omogočajo pridobivanje matematičnih formul, primernih za njihovo praktično uporabo.
Če upoštevamo difrakcijo na tanki reži, na katero vzporedno pada fronta ravnega valovanja, se bodo na zaslonu, ki se nahaja daleč od reže, pojavile svetle in temne črte. Najmanjše vrednosti difrakcijskega vzorca v tem primeru so opisane z naslednjo formulo:
ym=mλL/a, kjer je m=±1, 2, 3, …
Tukaj ym je razdalja od projekcije reže na zaslon do najmanjšega reda reda m, λ je valovna dolžina svetlobe, L je razdalja do zaslona, a je širina reže.
Iz izraza sledi, da bo osrednji maksimum bolj zamegljen, če se širina reže zmanjša inpovečati valovno dolžino svetlobe. Spodnja slika prikazuje, kako bi izgledal ustrezni difrakcijski vzorec.
Difrakcijska rešetka
Če na eno ploščo nanesemo niz rež iz zgornjega primera, dobimo tako imenovano difrakcijsko rešetko. Z uporabo Huygens-Fresnelovega principa lahko dobimo formulo za maksimume (svetle pasove), ki se dobijo, ko svetloba prehaja skozi rešetko. Formula izgleda takole:
sin(θ)=mλ/d, kjer je m=0, ±1, 2, 3, …
Tukaj je parameter d razdalja med najbližjimi režami na rešetki. Manjša kot je ta razdalja, večja je razdalja med svetlimi pasovi v difrakcijskem vzorcu.
Ker je kot θ za maksimume m-toga reda odvisen od valovne dolžine λ, se ko bela svetloba prehaja skozi uklonsko rešetko, se na zaslonu pojavijo večbarvne črte. Ta učinek se uporablja pri izdelavi spektroskopov, ki lahko analizirajo značilnosti oddajanja ali absorpcije svetlobe s strani določenega vira, kot so zvezde in galaksije.
Pomen difrakcije v optičnih instrumentih
Ena od glavnih značilnosti instrumentov, kot sta teleskop ali mikroskop, je njihova ločljivost. Razume se kot minimalni kot, pod katerim so posamezni predmeti še vedno razločljivi. Ta kot se določi iz analize difrakcije valov v skladu z Rayleighovim kriterijem z uporabo naslednje formule:
sin(θc)=1, 22λ/D.
Kjer je D premer leče naprave.
Če ta kriterij uporabimo za teleskop Hubble, dobimo, da je naprava na razdalji 1000 svetlobnih let sposobna razlikovati med dvema objektoma, med katerima je razdalja podobna razdalji med Soncem in Uranom.
