Дифракція; тонкоплівкові перешкоди
Ми обговорювали дифракцію в PY105, коли говорили про звукові хвилі; дифракція - це вигин хвиль, який відбувається, коли хвиля проходить через один вузький отвір. Аналіз отриманої дифракційної картини з однієї щілини подібний до аналізу, який ми провели для подвійної щілини. З подвійною щілиною кожна щілина діяла як випромінювач хвиль, і ці хвилі заважали одна одній. Для одиночної щілини кожна частина щілини може розглядатися як випромінювач хвиль, і всі ці хвилі заважають створювати інтерференційну картину, яку ми називаємо дифракційною картиною.
Після аналізу ми виявимо, що рівняння, яке дає кути, під якими з'являються бахроми для однієї щілини, дуже схоже на таке для подвійної щілини, одна очевидна відмінність полягає в тому, що ширина щілини (W) використовується в місце d, відстань між щілинами. Однак велика різниця між одинарною та подвійною щілинами полягає в тому, що рівняння, яке дає яскраві бахроми для подвійної щілини, дає темні бахроми для одинарної щілини.
Щоб зрозуміти, чому це так, розгляньте діаграму нижче, яка показує світло, що відходить від щілини в одному конкретному напрямку.
На діаграмі вище, скажімо, світло, що залишає край щілини (промінь 1), надходить на екран на половину довжини хвилі поза фазою, коли світло виходить із середини щілини (промінь 5). Ці два промені будуть руйнувати деструктивно, як і промені 2 і 6, 3 і 7, і 4 і 8. Іншими словами, світло однієї половини отвору відміняє світло іншої половини. Промені складають половину довжини хвилі поза фазою через додаткову довжину шляху, пройдену одним променем; у цьому випадку додатковою відстанню є:
Фактори 2 скасовують, залишаючи:
Аргумент можна продовжити, щоб показати, що:
Яскраві бахроми потрапляють між темними, при цьому центральна яскрава бахрома в два рази ширша і значно яскравіша за решту.
Дифракційні ефекти з подвійною щілиною
Зауважимо, що дифракцію можна спостерігати в інтерференційній картині з подвійною щілиною. По суті, це тому, що кожна щілина випромінює дифракційний малюнок, і дифракційні візерунки заважають один одному. Форма дифракційної картини визначається шириною (W) щілин, тоді як форма інтерференційної картини визначається d, відстань між щілинами. Якщо W набагато більше d, у візерунку будуть переважати ефекти перешкод; якщо W і d приблизно однакового розміру, два ефекти будуть однаковою мірою сприяти створенню бахроми. Зазвичай те, що ви бачите, - це бахрома, на якій відсутні відсутні смуги перешкод; вони падають в місцях, де на дифракційному малюнку трапляються темні смуги.
Дифракційні решітки
Ми говорили про те, що відбувається, коли світло стикається з однією щілиною (дифракція), і що відбувається, коли світло потрапляє в подвійну щілину (перешкоди); що трапляється, коли світло зустрічає цілий масив однакових, однаково розташованих щілин? Такий масив відомий як дифракційна решітка. Назва трохи вводить в оману, оскільки в структурі у спостережуваному візерунку домінують інтерференційні ефекти.
З подвійною щілиною інтерференційний малюнок складається з широких піків, де відбувається конструктивна інтерференція. Коли додається більше щілин, піки на малюнку стають гострішими та вужчими. При великій кількості щілин вершини дуже різкі. Позиції піків, які походять від конструктивних перешкод між світлом, що надходить від кожної щілини, знаходяться під тими ж кутами, що і піки для подвійної щілини; впливає лише різкість.
Чому візерунок набагато чіткіший? У подвійній щілині між кожним піком конструктивних перешкод є одне місце, де мають місце руйнівні перешкоди. Між центральним піком (m = 0) і наступним (m = 1) є місце, де одна хвиля проходить на 1/2 довжини хвилі далі, ніж інша, і саме тут відбувається руйнівна інтерференція. Однак для трьох щілин є два місця, де відбувається руйнівне втручання. Один розташований у точці, де довжина шляху відрізняється на 1/3 довжини хвилі, а інший - у місці, де довжина шляху відрізняється на 2/3 довжини хвилі. Для 4 щілин є три місця, для 5 щілин - чотири місця і т. Д. Повністю конструктивне втручання, однак, має місце лише тоді, коли довжина шляху відрізняється на ціле число довжин хвиль. Тоді для дифракційної решітки при великій кількості щілин малюнок є чітким через усі руйнівні перешкоди, що відбуваються між яскравими піками, де мають місце конструктивні перешкоди.
Дифракційні решітки, як призми, розсіюють біле світло на окремі кольори. Якщо відокремлений інтервал решітки (d, відстань між щілинами) відомий, і проводяться ретельні виміри кутів, під якими в інтерференційній картині виникає світло певного кольору, можна розрахувати довжину хвилі світла.
Тонкоплівкові перешкоди
Втручання між світловими хвилями є причиною того, що тонкі плівки, такі як мильні бульбашки, мають кольорові візерунки. Це відомо як тонкоплівкова інтерференція, оскільки це інтерференція світлових хвиль, що відбиваються від верхньої поверхні плівки, і хвиль, що відбиваються від нижньої поверхні. Щоб отримати приємний кольоровий малюнок, товщина плівки повинна бути подібною до довжини хвилі світла.
Важливим фактором, визначаючи, чи впливають ці хвилі конструктивно чи деструктивно, є той факт, що всякий раз, коли світло відбивається від поверхні з більш високим показником заломлення, хвиля перевертається. Вершини стають коритами, а корита - вершинами. Це називається зсувом фази на 180 ° у хвилі, але найпростіший спосіб думати про це - як ефективний зсув хвилі на половину довжини хвилі.