V.6 Дифракція світла

Дифракцією називають відхилення від прямолінійного розповсюдження світла поблизу перешкод і попадання його в зону геометричної тіні.

Рисунок V.5 ілюструє це явище при перпендикулярному падінні світлових променів на непрозору перешкодуАВ. Від точокАіВрозповсюджується безліч світлових променів під різними кутами дифракціїφ.

Кутом дифракції називають кут, на який відхиляється світловий промінь біля перешкоди від попереднього напрямку розповсюдження світла.

Існування явища дифракції пояснюється принципом сформульованим Гюйгенсом і Френелем:

Кожна точка фронту світлової хвилі є вторинним джерелом сферичних когерентних хвиль, що інтерферують між собою.

Наприклад, від точки А чи В, або будь-якої іншої, до якої дійшли коливання, вони розповсюд-жуються у всі сторони (рис.V.5), і якщо середовище однорідне, то фронт хвилі являє собою сферу (нагадуємо, що навколо точки, в якій існують коливання напруже-ності електричного поля, вини-кають з усіх сторін від неї коливан- Рис.V.5

ня напруженості магнітного поля, а навколо останніх – коливання напруженості електричного поля і т. д.). Але ті промені , які направлені від точки Ав ліву від неї на півсферу, „гасяться” внаслідок інтерференції з променями, що ідуть зліва направо від будь-яких інших точок середовища, в якому розповсюджується світло. Через перешкодуАВсвітлові промені не проходять. Тому після неї немає вторинних джерел коливань, які могли б „погасити” промені, що йдуть від точкиА(чиВ) в зону геометричної тіні на екрані СД.

Важливим випадком дифрак-ції є дифракція на двох щілинах в непрозорому тілі при перпендикуляр-ному падінні на нього монохроматич-ного світла (рис.V.6). Якщо після щілин паралельно їм розмістити збірну лінзу, то всі промені, що пройшли через них без зміни напрямку, зберуться у фокусі0лінзи і утворять „нульовий” максимум інтерференції (різниця ходу цих променів рівна нулю).

Промені, що дифрагували від Рис. V.6

обох щілин під однаковими кутами, зберуться в інших точках фокальної площини лінзи і, внаслідок інтерференції, в одних точках утворюються максимуми, а в інших мінімуми інтерференції. Внаслідок цього на екрані, розміщеному у фокальній площині, спостерігається чергування темних (мінімуми) і світлих (максимуми) смуг першого, другого тощо порядків (n= 1,n= 2,n= 3…).

Встановимо умову виникнен-ня максимумів інтерференції променів, що дифрагували на двох щілинах. Нехай промені 1 і 2 дифрагували від щілин під одна-ковим кутом дифракціїφ (рис.V.7). Зібравшись лінзою в деякій точціА₁, вони дадуть максимум інтер-ференції, якщо в різниці Δl=l₂–l₁ їх ходу вкладеться ціле числоnдовжини хвильλ:Δl = n λ. Різницю ходу Δl=ВДотримаємо, опустивши перпендикуляр від точки А першого Рис.V.7

променя на промінь 2. При цьому

утворюється прямокутний трикутник Δ АВД, в якомуВАДі кут дифракціїφрівні між собою, як утворені взаємно перпендикулярними сторонами. Тоді із ΔАВД, врахувавши, щоВД= Δlі позначивши відстаніАВміж щілинами черезd, маємо:

, або . (V.5)

Підставивши в (V.3) значення Δlіз (V.5), отримуємо умову максимумів інтерференції променів, що дифрагували на двох щілинах:

. (V.6)

Така ж умова максимумів справедлива і для дифракції світла на великій кількості щілин в непрозорому тілі. Такі тіла називають дифракційними гратками. Відстаньd між щілинами називають постійною дифракційної гратки. Промисловість випускає гратки зd= 0,01 мм і менше. При застосуванні дифракційних граток значно збільшується інтенсивність максимумів інтерференції дифрагованих променів.

Знаючи величину dі знаходячи експериментально величинуsin φ, користуючись формулою (V.6), визначають довжину хвиліλ світла, що падає на дифракційну гратку. За набором довжин хвиль (за видом спектра), що випромінюють тіла, визначають їх хімічний склад. Для таких цілей використовують сучасні спектрометри і спектрографи. Такий метод визначення хімічного складу речовин значно точніший і більш швидкий, ніж методи хімічного аналізу.