Зургаан чухал үзэгдэл нь гэрлийн долгионы замд ямар нэгэн саадтай тулгарвал түүний зан төлөвийг тодорхойлдог. Эдгээр үзэгдлүүд нь гэрлийн тусгал, хугарал, туйлшрал, дисперс, интерференц, дифракц юм. Энэ нийтлэл нь тэдгээрийн сүүлчийнх нь дээр төвлөрөх болно.
Гэрлийн мөн чанарын талаарх маргаан ба Томас Янгийн туршилт
17-р зууны дунд үед гэрлийн цацрагийн мөн чанарын талаар ижил утгатай хоёр онол гарч байжээ. Тэдний нэгийг үүсгэн байгуулагч нь гэрэл бол маш хурдан хөдөлж буй бодисын бөөмсийн цуглуулга гэж үздэг Исаак Ньютон юм. Хоёр дахь онолыг Голландын эрдэмтэн Кристиан Гюйгенс дэвшүүлсэн. Тэрээр гэрэл нь дуу чимээ агаараар дамждагтай адил орчинд тархдаг долгионы онцгой төрөл гэж тэр үздэг байв. Гюйгенсийн хэлснээр гэрлийн орчин нь эфир байсан.
Эфирийг хэн ч нээгээгүй бөгөөд тухайн үед Ньютоны эрх мэдэл асар их байсан тул Гюйгенсийн онолыг үгүйсгэсэн юм. Гэсэн хэдий ч 1801 онд англи хүн Томас Янг дараахь туршилтыг явуулсан: тэрээр бие биентэйгээ ойрхон байрладаг хоёр нарийн ан цаваар монохромат гэрлийг дамжуулсан. Дамжуулж байнатэр гэрлийг хана руу тусгав.
Энэ туршлага ямар үр дүнд хүрсэн бэ? Хэрэв Ньютоны үзэж байгаагаар гэрэл нь бөөмс (корпускул) байсан бол ханан дээрх дүрс нь ангархай тус бүрээс гарч буй хоёр тод туузтай тохирч байх болно. Гэсэн хэдий ч Юнг тэс өөр дүр зургийг ажиглав. Ханан дээр хэд хэдэн бараан, цайвар судлууд гарч ирэн, хоёр ангархайн гадна талд ч гэсэн цайвар зураасууд гарч ирэв. Тайлбарласан гэрлийн хэв маягийн бүдүүвч дүрслэлийг доорх зурагт үзүүлэв.
Энэ зураг нэг зүйлийг хэлсэн: гэрэл бол долгион.
Дифракцийн үзэгдэл
Янгийн туршилтын гэрлийн загвар нь гэрлийн интерференц ба дифракцийн үзэгдэлтэй холбоотой. Энэ хоёр үзэгдлийг бие биенээсээ салгахад хэцүү, учир нь хэд хэдэн туршилтаар тэдгээрийн хосолсон үр нөлөөг ажиглаж болно.
Гэрлийн дифракци гэдэг нь замд нь хэмжээс нь долгионы урттай дүйцэхүйц буюу түүнээс бага саадтай тулгарах үед долгионы фронтыг өөрчлөхөд оршино. Энэхүү тодорхойлолтоос харахад дифракц нь зөвхөн гэрлийн хувьд ч бус дууны долгион, далайн гадаргуу дээрх долгион гэх мэт аливаа долгионы хувьд ч мөн адил шинж чанартай болох нь тодорхой байна.
Яагаад энэ үзэгдлийг байгальд ажиглаж болдоггүй нь бас ойлгомжтой (гэрлийн долгионы урт нь хэдэн зуун нанометр тул ямар ч макроскопийн биетүүд тод сүүдэр үүсгэдэг).
Huygens-Frennel зарчим
Гэрлийн дифракцийн үзэгдлийг нэрлэсэн зарчмаар тайлбарлав. Үүний мөн чанар нь дараах байдалтай байна: тархсан шулуун хавтгайдолгионы фронт нь хоёрдогч долгионыг өдөөхөд хүргэдэг. Эдгээр долгионууд нь бөмбөрцөг хэлбэртэй боловч хэрэв орчин нь нэгэн төрлийн байвал бие биен дээрээ давхцаж байвал тэдгээр нь анхны хавтгай фронтод хүргэнэ.
Ямар нэгэн саад тотгор (жишээ нь, Юнгийн туршилтын хоёр цоорхой) гарч ирмэгц тэр нь хоёрдогч долгионы эх үүсвэр болдог. Эдгээр эх үүсвэрийн тоо хязгаарлагдмал бөгөөд саадын геометрийн шинж чанараар тодорхойлогддог (хоёр нимгэн завсартай тохиолдолд зөвхөн хоёрдогч эх үүсвэр байдаг) тул үүссэн долгион нь анхны хавтгай фронтыг үүсгэхээ болино. Сүүлийнх нь геометрээ өөрчилнө (жишээлбэл, бөмбөрцөг хэлбэртэй болно), үүнээс гадна гэрлийн эрчмийн максимум ба минимум нь түүний өөр өөр хэсэгт гарч ирнэ.
Гюйгенс-Френель зарчим нь гэрлийн интерференц ба дифракцын үзэгдлүүд нь салшгүй холбоотой гэдгийг харуулж байна.
Дифракцийг ажиглахад ямар нөхцөл шаардлагатай вэ?
Тэдгээрийн нэгийг дээр дурьдсан: энэ нь жижиг (долгионы уртын дарааллаар) саад тотгор байх явдал юм. Хэрэв саад нь харьцангуй том геометрийн хэмжээстэй бол дифракцийн хэв маяг нь зөвхөн түүний ирмэгийн ойролцоо ажиглагдах болно.
Гэрлийн дифракцын хоёр дахь чухал нөхцөл бол янз бүрийн эх үүсвэрийн долгионы уялдаа холбоо юм. Энэ нь тэдгээр нь тогтмол фазын зөрүүтэй байх ёстой гэсэн үг юм. Зөвхөн энэ тохиолдолд хөндлөнгийн нөлөөллөөс болж тогтвортой дүр зургийг ажиглах боломжтой болно.
Эх сурвалжуудын уялдаа холбоог энгийн аргаар олж авдаг бөгөөд нэг эх үүсвэрээс ямар ч гэрлийн фронтыг нэг буюу хэд хэдэн саадыг даван туулахад хангалттай. Эдгээрээс хоёрдогч эх сурвалжуудсаад бэрхшээлүүд аль хэдийн уялдаа холбоотой байх болно.
Гэрлийн интерференц ба дифракцийг ажиглахын тулд үндсэн эх үүсвэр нь монохромат байх албагүй гэдгийг анхаарна уу. Үүнийг дифракцийн торыг авч үзэх үед доор хэлэлцэх болно.
Френель ба Фраунхоферын дифракц
Энгийн үгээр хэлбэл Fresnel дифракц нь ангархайд ойрхон байрлах дэлгэц дээрх хэв маягийг шалгах явдал юм. Харин Фраунхоферын дифракц нь ангархайн өргөнөөс хамаагүй их зайд олж авсан хэв маягийг авч үздэг бөгөөд үүнээс гадна энэ нь ангархай дээрх долгионы фронтыг хавтгай гэж үздэг.
Эдгээр хоёр төрлийн дифракц нь тэдгээрийн доторх зүй тогтол нь өөр байдаг тул ялгагдана. Энэ нь авч үзэж буй үзэгдлийн нарийн төвөгтэй байдалтай холбоотой юм. Дифракцийн асуудлын яг шийдлийг олохын тулд Максвеллийн цахилгаан соронзон долгионы онолыг ашиглах шаардлагатай болсон явдал юм. Өмнө дурьдсан Гюйгенс-Фреснелийн зарчим нь практикт хэрэг болохуйц үр дүнд хүрэхэд тохиромжтой.
Дэлгэцийг хагарлаас холдуулахад дифракцийн зураг хэрхэн өөрчлөгдөхийг доорх зураг харуулж байна.
Зураг дээрх улаан сум нь дэлгэцийн ангархай руу ойртох чиглэлийг харуулж байна, өөрөөр хэлбэл дээд зураг нь Фраунхоферын дифракцтай, доод нь Френелтэй тохирч байна. Таны харж байгаагаар дэлгэц ангархай руу ойртох тусам зураг илүү төвөгтэй болж байна.
Өгүүлэлд бид зөвхөн Фраунхоферын дифракцийг авч үзэх болно.
Нимгэн ан цаваар дифракц (томьёо)
Дээр дурдсанчлан,дифракцийн загвар нь саадын геометрээс хамаарна. λ долгионы урттай монохромат гэрлээр гэрэлтдэг a өргөнтэй нимгэн ан цавын хувьд
тэгшитгэлд тохирох өнцгийн минимум (сүүдэр)-ийн байрлалыг ажиглаж болно.
sin(θ)=m × λ/a, энд m=±1, 2, 3…
Эндхийн тета өнцгийг үүрний төв болон дэлгэцийг холбосон перпендикуляраас хэмждэг. Энэхүү томьёоны ачаар дэлгэцэн дээрх долгионы бүрэн уналт ямар өнцгөөр үүсэхийг тооцоолох боломжтой. Түүнээс гадна дифракцийн дарааллыг тооцоолох боломжтой, өөрөөр хэлбэл m тоо.
Бид Фраунхоферын дифракцийн тухай ярьж байгаа тул L>>a, L нь ангархайгаас дэлгэц хүртэлх зай юм. Сүүлчийн тэгш бус байдал нь өнцгийн синусыг y координатын L зайд энгийн харьцаагаар солих боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь дараах томьёог гаргахад хүргэдэг:
ym=m×λ×L/a.
Энд ym нь дэлгэц дээрх хамгийн бага m дарааллын байрлалын координат юм.
Слит дифракци (шинжилгээ)
Өмнөх догол мөрөнд өгөгдсөн томьёо нь долгионы урт λ эсвэл ан цавын өргөн a-ийн өөрчлөлтөөр дифракцийн хэв маягийн өөрчлөлтийг шинжлэх боломжийг бидэнд олгодог. Ийнхүү a-ийн утгын өсөлт нь нэгдүгээр эрэмбийн минимум y1-ийн координат буурахад хүргэдэг, өөрөөр хэлбэл гэрэл нь нарийн төв максимумд төвлөрөх болно. Хагарлын өргөн багасах нь төвийн дээд хязгаарыг сунгахад хүргэдэг, өөрөөр хэлбэл бүдгэрсэн болно. Энэ байдлыг доорх зурагт үзүүлэв.
Долгионы уртыг өөрчлөх нь эсрэгээр нөлөөлнө. λ-ийн том утгуудзургийг бүдгэрүүлэхэд хүргэдэг. Энэ нь урт долгион нь богино долгионоос илүү сайн сарнидаг гэсэн үг юм. Сүүлийнх нь оптик хэрэгслийн нарийвчлалыг тодорхойлоход чухал ач холбогдолтой.
Оптик хэрэгслийн дифракц ба нарийвчлал
Гэрлийн дифракцийн ажиглалт нь дуран, микроскоп, тэр ч байтугай хүний нүд гэх мэт аливаа оптик хэрэгслийн нарийвчлалыг хязгаарлагч юм. Эдгээр төхөөрөмжүүдийн тухай ярихад тэд дифракцийг ангархайгаар биш, харин дугуй нүхээр авч үздэг. Гэсэн хэдий ч өмнө нь хийсэн бүх дүгнэлт үнэн хэвээр байна.
Жишээ нь, бид манай гаригаас маш хол зайд орших хоёр гэрэлтдэг оддыг авч үзэх болно. Бидний нүдэнд гэрэл орох нүхийг хүүхэн хараа гэж нэрлэдэг. Нүдний торлог бүрхэвч дээрх хоёр одноос хоёр дифракцийн загвар үүсдэг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь төвийн максимумтай байдаг. Хэрэв оддын гэрэл хүүхэн хараанд тодорхой эгзэгтэй өнцгөөр тусвал максимум хоёулаа нэг болж нийлнэ. Энэ тохиолдолд хүн ганц од харах болно.
Тогтоолын шалгуурыг Лорд Ж. В. Рэйли тогтоосон тул одоогоор түүний овог нэрээр нэрлэгдэж байна. Харгалзах математикийн томъёо дараах байдалтай байна:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Энд D нь дугуй нүхний диаметр (линз, хүүхэн хараа гэх мэт).
Тиймээс линзний диаметрийг нэмэгдүүлэх эсвэл уртыг багасгах замаар нарийвчлалыг нэмэгдүүлэх боломжтой (θc багасгах)долгион. Эхний хувилбар нь хүний нүдтэй харьцуулахад θc-ийг хэд дахин багасгах боломжтой телескопуудад хэрэгждэг. Хоёрдахь хувилбар буюу λ-ийг багасгах нь ижил төрлийн гэрлийн хэрэглүүрээс 100,000 дахин илүү нарийвчлалтай электрон микроскопуудад хэрэглэгдэх болно.
Дифракцийн тор
Энэ нь бие биенээсээ d зайд байрлах нимгэн үүрүүдийн цуглуулга юм. Хэрэв долгионы фронт хавтгай бөгөөд энэ тортой параллель байвал дэлгэц дээрх максимумуудын байрлалыг
илэрхийллээр тодорхойлно.
sin(θ)=m×λ/d, энд m=0, ±1, 2, 3…
Томьёо нь тэг эрэмбийн максимум төв хэсэгт, үлдсэн хэсэг нь зарим θ өнцөгт байрлаж байгааг харуулж байна.
Томьёо нь θ долгионы уртаас λ хамаарлыг агуулж байгаа тул дифракцийн тор нь гэрлийг призм шиг өнгө болгон задалж чадна гэсэн үг юм. Энэ баримтыг янз бүрийн гэрэлтдэг биетүүдийн спектрийг шинжлэхэд спектроскопод ашигладаг.
Гэрлийн дифракцийн хамгийн алдартай жишээ бол DVD дээрх өнгөний сүүдэрийг ажиглах явдал юм. Үүн дээрх ховилууд нь гэрлийг тусгаснаар хэд хэдэн өнгө болгон задалдаг дифракцийн тор юм.
