Жарықтың дифракциясы

Жарықтың дифракциясы

Жоспары:

 Жарықтың дифракциясы.

 І. Дифракция – толқындардың бөгеттерді орап өтуі.

 ІІ. а) Юнг тәжірибесі;

 ә) Френeль теориясы;

 б) Геометриялық оптиканың заңдары.

 ІІІ. Жарық дифракциясы – оптикалардың мүмкіндік қабілетіне шек қоюшы.

 Дифракциялық тор.

 І. Дифракциялық тор – тамаша оптикалық құрал.

 ІІ. Дифракциялық тордың элементар теориясы.

 ІІІ. Жіңішке саңылаулар тамаша оптикалық құрал жасайды.

 Жарық дисперсиясы.

 І. И. Ньютон ашқан жаңалықтар

 ІІ. а) Кемпірқосақ жеті түстен құралған;

 ә) Ньютонның жасаған қорытындылары.

 ІІІ. Ньютон ашқан дисперсия құбылысы – түстердің табиғатын түсінуге жасалған алғашқы қадам.

 Жарықтың интерференциясы.

 І. Жарық толқындардың когеренттік шарты.

 ІІ. а) Жұқа қабықшалардағы интерференция;

 ә) «Ньютон сақиналары»

 б) Электромагниттік толқындар интерференциясы.

 ІІІ. Жарықтың интерференциясы – қызықты құбылыс.

Кіріспе

Жарық дифракциясы. Егер жарықтың өзі толқындық процесс болса, онда интерференциядан басқа жарықтың дифракциясы да байқалуы тиіс. Өйткені дифракция – толқындардың бөгеттерді орап өтуі – әрбір толқындық қозғалысқа тән нәрсе. Бірақ жарық дифракциясын бақылау оңай емес. Оның себебі, егер бөгеттің өлшемдері жарық толқынының ұзындығымен салыстырарлықтай болса, онда толқын бөгетті елеулі түрде орап өтеді. Бірақ жарық толқынының ұзындығы өте аз.

 Жіңішке жарық шоғын тар тесік арқылы өткізіп, жарықтың түзу сызықпен таралу заңынан ауытқуын бақылауға болады. Тесіктің қарсысында пайда болатын ақ дақтың өлшемі, жарықтың түзу сызықпен таралғандағысындай емес, үлкен болады.

 Юнг тәжірибесі. Жарық интерференциясын ашқан Т. Юнг 1802 жылы дифракциядан классикалық тәжірибе жасады. Мөлдір емес қалқаға, ол түйреуішпен бір-біріне жақын, кішкене екі В және С тесік жасады. Бұл тесіктер екінші қалқаға кішкене А тесіктен өткен жіңішке жарық шоғымен жарықталды. Ол кезде олай ойлап табуы оңай емес, дәл осы жайт тәжірибенің сәтті болуына себеп болды. Тек когерентті толқындар ғана интерференцияланады. Гюйгенс принципіне сәйкес А тесіктен пайда болатын сфералық толқын В мен С тесіктерде когерентті толқындар туғызады. Дифракция салдарынан В мен С тесіктерде, аздап бірін-бірі жабатын, екі жарық конус шықты. Жарық толқындарының интерференциясы нәтижесінен, экранда кезектесіп келетін ашық және көмескі жолақтар пайда болды. Тесіктердің бірін жауып, Юнг интерференциялық жолақтардың жоғалып кеткенін көрді. Міне, дәл осы тәжірибе арқылы Юнг алғаш рет, әртүсті жарық сәулелеріне сәйкес келетін, толқындар ұзындығын өте дәл өлшеді.

 Френель теориясы. Дифракцияны зерттеу О. Френель еңбектерімен тиянақталды. Френель тәжірибе кезінде дифракцияның түрлі жағдайларын мұқият зерттеп қана қойған жоқ, дифракцияның сандық теориясын да жасады, ол теория, жарық әйтеуір бір бөгетті орап өткен кезде пайда болатын, дифракциялық көріністі есептеуге мүмкіндік берді. Ол тағы алғаш рет толқындық теория тұрғысынан жарықтың біртекті ортада түзу сызықпен таралуына анық түсінік берді. Френель бұл табыстарға, Гюйгенс принципін екінші реттік толқындардың интерференция идеясымен біріктіріп барып, жеткен болатын. Френель идеясы бойынша кез келген уақыт мезетіндегі толқындық бет дегеніміз айналып өтетін екінші реттік толқындардың жай ғана өзі емес, олардың интерференцияларының нәтижесі (Гюйгенс – Френель принципі).

 Кеңістіктің кез келген нүктесіндегі жарық толқынының амплитудасын есептеп шығару үшін жарық көзін ойша тұйық бетпен қоршау керек. Осы бетке орналасқан екінші реттік жарық көздерінің толқындар интерференциясы кеңістіктің қарастырылып отырған нүктесіндегі амплитуданы анықтайды.

 Осындай есептеулер, сфералық толқындар шығаратын нүктелік жарық көзінен шыққан жарық кеңістіктің кез келген В нүктесіне қалай жеткенін түсінуге мүмкіндік берді. Егер радиусы R сфералық толқын беттегі екінші реттік жарық көздерін қарастырсақ, онда В нүктеде сол жарық көздерінен туған екінші реттік толқындар интерференциясының нәтижесі, В нүктеге кішкене сфералық сегменттегі тек екінші реттік жарық көзі ғана жіберген жарықтай болады екен. Беттің қалған бөліктеріне орналасқан жарық көздерінен шыққан екінші реттік толқындар интерференция нәтижесінде бірін-бірі өшіреді. Сондықтан барлық жарық тек қана SB түзуінің бойымен, яғни түзу сызықты таралғандай болады.

 Сонымен қатар Френель дифракцияны түрлі бөгеттерде сандық жағынан қарастырды. 1818 жылы француз Ғылым академиясының мәжілісінде бір қызық жағдай болды. Мәжіліске қатысқан ғалымдардың біреуі Френель теориясынан ақылға қонбайтын бір факті келіп шығатынына көңіл аударады. Тесіктердің белгілі бір өлшемінде, тесіктен жарық көзіне дейінгі белгілі бір ара қашықтықта, ақ дақтың центрінде күнгірт дақ болуға тиіс. Кішкене мөлдір емес дискінің сыртында, керісінше, көлеңкенің центрінде ақ дақ болуы тиіс. Жасалған эксперименттер шынында солай болатынын дәлелдегенде, ғалымдар таң қалды.

 Түрлі бөгеттерден дифракциялық көрініс. Жарық толқынының ұзындығы өте кіші болғандықтан, жарықтың түзу сызықпен таралу бағытынан ауытқу бұрышы кішкене болады. Сондықтан дифракцияны мұқият бақылау үшін не өте кішкене бөгеттерді пайдалану керек, не экранды бөгеттен алыс қою керек. Егер экранға дейінгі қашықтық жүздеген метрге немесе