3 Дифракция электромагнитных волн

Дифракцией света называется совокупность явлений, связанных с распространением света в среде с резкими оптическими неоднородностями. В частности, дифракция приводит к отклонению световых волн от прямолинейного распространения и огибанию препятствий, сравнимых с длиной световой волны (10^-7 м).

Размеры объектов макромира существенно превышают длину световой волны, поэтому обычно свет ведет себя по законам геометрической оптики. Из опыта известно, что предметы, освещаемые светом, дают резкую тень. Однако, если рассмотреть границу между светом и тенью в хорошую лупу, то можно увидеть чередующиеcя светлые и темные участки, граница тени не является резкой. Дифракция легко наблюдается в лабораторных условиях. Явлением дифракции объясняются радужные ореолы вокруг фонарей в тумане, расцвечивание пыли в ярком луче света и т.д.

Явление дифракции объясняется на основании принципа Гюйгенса – Френеля. Согласно этому принципу каждую точку фронта волны можно рассматривать как источник сферических вторичных когерентных волн (Рисунок 21).

Рисунок 21 – Прохождение плоской волны через узкую щель

Когерентные волны от вторичных источников будут интерферировать. При определении результатов сложения (интерференции) волн необходимо учитывать амплитуду и фазу вторичных волн. Этот сложный расчет был выполнен Френелем для дифракции сферических волн и на основе метода Френеля Фраунгофером для дифракции плоских волн.

Большое практическое значение имеет дифракция, наблюдаемая при прохождении света через одномерную дифракционную решетку – систему параллельных щелей равной ширины, разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Расчет по методу Френеля дает следующую формулу для положения главных дифракционных максимумов:

d sin φ = kλ. (13.3)

Здесь d – период решетки, φ – угол, под которым наблюдается максимум с номером k при освещении решетки светом с длиной волны λ.

Дифракционная решетка используется для исследования спектрального состава света, концентрации энергии световой волны в определенном направлении.

Большой практический интерес представляет дифракция на пространственных решетках – пространственных образованиях, имеющих геометрически правильное и периодически повторяющееся расположение. Такими образованиями являются, например, кристаллы. Постоянная решетки кристалла составляет величину 10^-10 м, поэтому наблюдение дифракции в видимом диапазоне (10^-7 м) на кристаллах невозможно. Однако кристаллы используются для наблюдения дифракции рентгеновского излучения (10^-10 м).

На рисунке 22 представлена дифракция рентгеновских лучей на кристалле.

.

Рисунок 22 – Дифракция на кристалле

Пучок параллельных монохроматических рентгеновских лучей (1 и 2) падает под углом скольжения θ. Отраженные лучи и когерентны и интерферируют между собой, подобно вторичным волнам от дифракционной решетки. Максимумы интенсивности на монокристалле (дифракционные максимумы) наблюдаются в тех направлениях, в которых все отраженные атомными плоскостями волны будут находиться в одинаковой фазе. Эти направления удовлетворяют формуле Вульфа-Брэггов

2dsinθ = kλ k = 1,2,3,…. (13.4)

Это явление лежит в основе рентгеноструктурного анализа и рентгеновской спектроскопии. Рентгеноструктурный анализ позволяет на основе анализа дифракционной картины определить структуру вещества. Рентгеновская спектроскопия позволяет анализировать спектральный состав рентгеновского излучения. Методы исследования структуры вещества, основанные на дифракции электронов и нейтронов, называются соответственно электронографией и нейтронографией.

Дифракция света накладывает ограничение на разрешающую способность оптических приборов.