Долгионы дифракцийн үзэгдэл нь гэрлийн долгионы шинж чанарыг тусгадаг эффектүүдийн нэг юм. Энэ нь 19-р зууны эхээр гэрлийн долгионы хувьд нээгдсэн юм. Энэ өгүүлэлд бид энэ үзэгдэл гэж юу болох, түүнийг математикийн хувьд хэрхэн тайлбарлаж, хаана хэрэглэгдэхийг авч үзэх болно.
Долгионы дифракцийн үзэгдэл
Таны мэдэж байгаагаар нэгэн төрлийн орчинд усны гадаргуу дээрх гэрэл, дуу чимээ, эвдрэл зэрэг аливаа долгион шулуун замаар тархдаг.
Тэгш гадаргуутай, тодорхой чиглэлд хөдөлдөг долгионы фронтыг төсөөлье. Энэ фронтын замд саад бэрхшээл тулгарвал яах вэ? Аливаа зүйл саад болж болно (чулуу, барилга, нарийн цоорхой гэх мэт). Саадыг даван туулсны дараа долгионы фронт хавтгай байхаа больж, илүү төвөгтэй хэлбэрийг авах болно. Тиймээс жижиг дугуй нүхний хувьд түүгээр дамжин өнгөрөх долгионы фронт нь бөмбөрцөг хэлбэртэй болдог.
Долгионы тархалтын чиглэл, замд ямар нэгэн саад тотгор учрах үед үүсэх үзэгдлийг дифракц гэж нэрлэдэг (латинаар дифракт гэсэн үг."эвдэрсэн").
Энэ үзэгдлийн үр дүн нь долгион нь саадын цаадах орон зайд нэвтэрч, шулуун хөдөлгөөнөөрөө хэзээ ч мөргөхгүй байх болно.
Далайн эрэг дээрх долгионы дифракцийн жишээг доорх зурагт үзүүлэв.
Дифракцийн ажиглалтын нөхцөл
Саадыг давах үед долгион тасрахын дээр дурдсан нөлөө нь хоёр хүчин зүйлээс хамаарна:
- долгионыурт;
- саадны геометрийн параметрүүд.
Ямар нөхцөлд долгионы дифракц ажиглагддаг вэ? Энэ асуултын хариултыг илүү сайн ойлгохын тулд авч үзэж буй үзэгдэл нь долгион саадтай тулгарах үед үргэлж тохиолддог боловч долгионы урт нь саадын геометрийн параметрийн дарааллаар байх үед л мэдэгдэхүйц болдог гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Гэрэл ба дууны долгионы урт нь бидний эргэн тойрон дахь биетүүдийн хэмжээтэй харьцуулахад бага байдаг тул дифракц нь зөвхөн зарим онцгой тохиолдолд л илэрдэг.
Яагаад долгионы дифракц үүсдэг вэ? Хэрэв бид Гюйгенс-Фреснелийн зарчмыг авч үзвэл үүнийг ойлгож болно.
Гюйгенсийн зарчим
17-р зууны дундуур Голландын физикч Кристиан Гюйгенс гэрлийн долгионы тархалтын шинэ онолыг дэвшүүлсэн. Тэрээр дуу чимээтэй адил гэрэл нь тусгай орчин - эфирт хөдөлдөг гэдэгт итгэдэг байв. Гэрлийн долгион нь эфирийн хэсгүүдийн чичиргээ юм.
Цэгэн гэрлийн эх үүсвэрээс үүссэн долгионы бөмбөрцөг фронтыг авч үзээд Гюйгенс дараах дүгнэлтэд хүрсэн: хөдөлгөөний явцад урд хэсэг нь орон зайн хэд хэдэн цэгийг дайран өнгөрдөг.нэвтрүүлэг. Тэр тэдэнд хүрч ирмэгцээ түүнийг эргэлзэхэд хүргэдэг. Хэлбэлзэх цэгүүд нь эргээд шинэ үеийн долгион үүсгэдэг бөгөөд үүнийг Гюйгенс хоёрдогч гэж нэрлэдэг. Цэг бүрээс хоёрдогч долгион нь бөмбөрцөг хэлбэртэй байдаг боловч дангаараа шинэ фронтын гадаргууг тодорхойлдоггүй. Сүүлийнх нь бүх бөмбөрцөг хэлбэрийн хоёрдогч долгионы давхцлын үр дүн юм.
Дээр тайлбарласан нөлөөг Гюйгенсийн зарчим гэж нэрлэдэг. Тэрээр долгионы дифракцийг тайлбарлаагүй (эрдэмтэн үүнийг томъёолоход тэд гэрлийн дифракцийн талаар хараахан мэдээгүй байсан) гэрлийн тусгал, хугарал зэрэг эффектүүдийг амжилттай дүрсэлсэн.
17-р зуунд Ньютоны гэрлийн корпускулярын онол ялалт байгуулснаар Гюйгенсийн бүтээл 150 жилийн турш мартагдсан.
Томас Юнг, Августин Френел ба Гюйгенсийн зарчмын сэргэлт
Гэрлийн дифракци ба интерференцийн үзэгдлийг 1801 онд Томас Янг нээсэн. Монохромат гэрлийн фронт өнгөрдөг хоёр цоорхойтой туршилт хийж эрдэмтэн дэлгэцэн дээр ээлжлэн хар ба цайвар судалтай зургийг хүлээн авав. Юнг гэрлийн долгионы шинж чанарыг дурдаж, туршилтынхаа үр дүнг бүрэн тайлбарлаж, улмаар Максвеллийн онолын тооцоог баталжээ.
Ньютоны гэрлийн корпускуляр онолыг Янгийн туршилтаар няцаамагц Францын эрдэмтэн Августин Френель Гюйгенсийн ажлыг санаж, дифракцийн үзэгдлийг тайлбарлахдаа түүний зарчмыг ашигласан.
Френель шулуун шугамаар тархаж буй цахилгаан соронзон долгион саадтай тулгарвал түүний энергийн нэг хэсэг алдагдана гэж үздэг. Үлдсэн хэсэг нь хоёрдогч долгион үүсэхэд зарцуулагддаг. Сүүлийнх нь шинэ долгионы фронт үүсэхэд хүргэдэг бөгөөд тархалтын чиглэл нь анхныхаасаа ялгаатай.
Хоёрдогч долгион үүсгэх үед эфирийг харгалздаггүй тайлбарласан эффектийг Гюйгенс-Фреснелийн зарчим гэж нэрлэдэг. Тэрээр долгионы дифракцийг амжилттай дүрсэлсэн. Түүнчлэн, энэ зарчмыг одоогоор цахилгаан соронзон долгионы тархалтын явцад ямар нэгэн саад тотгор учруулж буй энергийн алдагдлыг тодорхойлоход ашиглаж байна.
Нарийн ангарлын дифракц
Дифракцийн хэв маягийг бүтээх онол нь цахилгаан соронзон долгионы Максвелл тэгшитгэлийн шийдлийг хамардаг тул математикийн үүднээс нэлээд төвөгтэй юм. Гэсэн хэдий ч Гюйгенс-Фреснелийн зарчим болон бусад хэд хэдэн ойролцоо тооцоолол нь практикт хэрэглэхэд тохиромжтой математикийн томьёог олж авах боломжийг олгодог.
Хэрэв бид хавтгай долгионы фронт параллель унасан нимгэн ангархай дээрх дифракцийг авч үзвэл ангарлаас хол байрлах дэлгэц дээр тод, бараан судлууд гарч ирнэ. Энэ тохиолдолд дифракцийн загварын минимумыг дараах томъёогоор тодорхойлно:
ym=mλL/a, энд m=±1, 2, 3, …
Энд ym нь дэлгэц дээрх ангархай проекцоос хамгийн бага дарааллын m хүртэлх зай, λ нь гэрлийн долгионы урт, L нь дэлгэц хүртэлх зай, a нь ангархай өргөн.
Хэрэв ангарлын өргөнийг багасгаж, багасвал төв максимум илүү бүдэгрэх болно гэсэн илэрхийллээс харагдаж байна.гэрлийн долгионы уртыг нэмэгдүүлэх. Доорх зурагт харгалзах дифракцийн загвар хэрхэн харагдахыг харуулав.
Дифракцийн тор
Хэрэв дээрх жишээн дээрх үүрний багцыг нэг хавтан дээр хэрэглэвэл дифракцийн тор гэж нэрлэгддэг торыг олж авна. Гюйгенс-Фреснелийн зарчмыг ашиглан гэрэл сараалжаар дамжин өнгөрөх үед олж авсан максимум (тод зурвас) томъёог гаргаж болно. Томъёо дараах байдалтай байна:
sin(θ)=mλ/d, энд m=0, ±1, 2, 3, …
Энд d параметр нь сараалж дээрх хамгийн ойрын үүр хоорондын зай юм. Энэ зай бага байх тусам дифракцийн хэв маягийн тод туузны хоорондох зай их болно.
М-р эрэмбийн максимумын өнцөг θ нь долгионы урт λ-аас хамаардаг тул цагаан гэрэл дифракцийн тороор дамжин өнгөрөхөд дэлгэцэн дээр олон өнгийн судал гарч ирнэ. Энэ эффектийг одод, галактик гэх мэт тодорхой эх үүсвэрээс гэрлийн ялгаруулалт, шингээлтийн шинж чанарыг шинжлэх чадвартай спектроскоп үйлдвэрлэхэд ашигладаг.
Оптик хэрэгсэл дэх дифракцийн ач холбогдол
Телескоп, микроскоп зэрэг багаж хэрэгслийн гол шинж чанаруудын нэг нь тэдгээрийн нарийвчлал юм. Энэ нь бие даасан объектуудыг ялгах боломжтой байх хамгийн бага өнцөг гэж ойлгогддог. Энэ өнцгийг дараах томъёогоор Рэйлигийн шалгуурын дагуу долгионы дифракцийн шинжилгээгээр тодорхойлно:
sin(θc)=1, 22λ/D.
Энд D нь төхөөрөмжийн линзний диаметр юм.
Хэрэв бид Хаббл дуран дээр энэ шалгуурыг хэрэглэвэл 1000 гэрлийн жилийн зайд байгаа төхөөрөмж нь нар болон Тэнгэрийн ван гарагийн хоорондох зайтай төстэй хоёр объектыг ялгах чадвартай болохыг олж мэднэ.
