Дифракция света

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об этом свидетельствует образование резко очерченной тени от непрозрачных предметов при падении на них направленного пучка света. При построении изображений предметов от зеркал и линз мы пользуемся понятием светового луча и факт прямолинейности распространения света нам кажется бесспорным. Однако, опыты показали, что закон прямолинейного распространения света не является универсальным. Он особенно заметно нарушается, когда свет проходит через узкие отверстия и щели, или вблизи небольших непрозрачных предметов. В этих случаях на экране, установленном за отверстием, или предметом, вместо их резкого изображения наблюдаются интерференционные максимумы и минимумы (рис.13). Это явление связано с волновой природой света и в то же время служит доказательством его волновой природы.

а б

Рис.13. Дифракционные кольца при прохождении света: а) через круглое отверстие, б) вокруг круглого экрана.

Явления, которые обусловлены волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с резкими неоднородностями, называется дифракцией света. В более узком смысле это огибание светом препятствий, отклонение от законов прямолинейного распространения света. Следует заметить, что проявление дифракции зависит от соотношения размеров препятствия и длины волны: когда длина волны сравнима с размерами препятствия, дифракция волн выражена наиболее масштабно.

Дифракция волн объясняется на основе принципа Гюйгенса, согласно которому любая точка волнового фронта становится источником новых элементарных волн и новое положение фронта волны является огибающей фронтов вторичных элементарных волн (рис.14 ).

Рис.114

Когда часть фронта плоской волны достигает препятствия, огибающая вторичных волн является плоской лишь в ее средней части, На краях отверстия волны загибают и заходят за препятствие – дифрагируют.

Следует заметить, что принцип Гюйгенса является далеко не полным. Он определяет положение лишь последующего фронта волны и не дает каких-либо указаний об амплитуде волн, распространяющихся в различных направлениях. Этот недостаток был замечен Френелем, и он дополнил принцип Гюйгенса принципом интерференции вторичных волн. Дело в том, что вторичные волны рождаются на одной волновой поверхности и они когерентны между собой. Если выбрать некоторую точку пространства перед фронтом волны, то в эту точку приходят вторичные волны от всех точек волновой поверхности и в ней происходит их интерференция. Если при изучении интерференции волн мы рассматривали результат наложения только двух волн, то здесь мы имеем дело с наложением в одной точке бесконечного множества волн. Амплитуду результирующей волны в любой точке пространства следует находить с учетом амплитуд и фаз всех волн, приходящих в эту точку от всех точек волнового фронта. Усовершенствованный принцип, учитывающий интерференцию вторичных волн, получил название принципа Гюйгенса-Френеля.

Учет амплитуд и фаз волн, приходящих из бесконечного множества точек волновой поверхности является очень сложным. В тех случаях, когда волновая поверхность обладает симметрией относительно линии, соединяющей источник волн с точкой наблюдения, способ нахождения амплитуды результирующей волны может быть упрощен. Такой упрощенный метод был предложен Френелем и получил название метода зон Френеля.