Enam fenomena penting menerangkan kelakuan gelombang cahaya jika ia menghadapi halangan di laluannya. Fenomena ini termasuk pantulan, pembiasan, polarisasi, serakan, gangguan dan pembelauan cahaya. Artikel ini akan menumpukan pada yang terakhir.
Pertikaian tentang sifat cahaya dan eksperimen Thomas Young
Pada pertengahan abad ke-17, terdapat dua teori pada istilah yang sama mengenai sifat sinar cahaya. Pengasas salah seorang daripada mereka ialah Isaac Newton, yang percaya bahawa cahaya ialah himpunan zarah jirim yang bergerak pantas. Teori kedua dikemukakan oleh saintis Belanda Christian Huygens. Beliau percaya bahawa cahaya adalah sejenis gelombang khas yang merambat melalui medium dengan cara yang sama seperti bunyi bergerak melalui udara. Media untuk cahaya, menurut Huygens, ialah eter.
Oleh kerana tiada siapa yang menemui eter, dan kuasa Newton sangat besar pada masa itu, teori Huygens ditolak. Walau bagaimanapun, pada tahun 1801, orang Inggeris Thomas Young menjalankan eksperimen berikut: dia melepasi cahaya monokromatik melalui dua celah sempit yang terletak berdekatan antara satu sama lain. lulusdia menayangkan cahaya ke dinding.
Apakah hasil daripada pengalaman ini? Jika cahaya adalah zarah (korpuskel), seperti yang Newton percaya, maka imej di dinding akan sepadan dengan membersihkan dua jalur terang yang datang dari setiap celah. Walau bagaimanapun, Jung memerhatikan gambar yang sama sekali berbeza. Satu siri jalur gelap dan terang muncul di dinding, dengan garis terang kelihatan walaupun di luar kedua-dua belahan. Perwakilan skematik corak cahaya yang diterangkan ditunjukkan dalam rajah di bawah.
Gambar ini mengatakan satu perkara: cahaya ialah gelombang.
Fenomena pembelauan
Corak cahaya dalam eksperimen Young disambungkan dengan fenomena gangguan dan pembelauan cahaya. Kedua-dua fenomena sukar dipisahkan antara satu sama lain, kerana dalam beberapa eksperimen kesan gabungannya boleh diperhatikan.
Belauan cahaya terdiri daripada menukar hadapan gelombang apabila ia menghadapi halangan di laluannya, yang dimensinya setanding atau kurang daripada panjang gelombang. Daripada definisi ini jelas bahawa pembelauan adalah ciri bukan sahaja untuk cahaya, tetapi juga untuk sebarang gelombang lain, seperti gelombang bunyi atau gelombang di permukaan laut.
Juga jelas mengapa fenomena ini tidak boleh diperhatikan di alam semula jadi (panjang gelombang cahaya ialah beberapa ratus nanometer, jadi mana-mana objek makroskopik menghasilkan bayang-bayang yang jelas).
Prinsip Huygens-Fresnel
Fenomena pembelauan cahaya dijelaskan oleh prinsip yang dinamakan. Intipatinya adalah seperti berikut: rata rectilinear yang merambathadapan gelombang membawa kepada pengujaan gelombang sekunder. Gelombang ini berbentuk sfera, tetapi jika mediumnya homogen, maka, bertindih antara satu sama lain, ia akan menuju ke hadapan rata yang asal.
Sebaik sahaja sebarang halangan muncul (contohnya, dua jurang dalam percubaan Jung), ia menjadi sumber gelombang sekunder. Memandangkan bilangan sumber ini terhad dan ditentukan oleh ciri geometri halangan (dalam kes dua slot nipis, hanya terdapat dua sumber sekunder), gelombang yang terhasil tidak lagi menghasilkan hadapan rata yang asal. Yang terakhir akan menukar geometrinya (contohnya, ia akan memperoleh bentuk sfera), lebih-lebih lagi, maksimum dan minima keamatan cahaya akan muncul di bahagian yang berbeza.
Prinsip Huygens-Fresnel menunjukkan bahawa fenomena gangguan dan pembelauan cahaya tidak dapat dipisahkan.
Apakah keadaan yang diperlukan untuk memerhatikan pembelauan?
Salah satu daripadanya telah disebutkan di atas: ia adalah kehadiran halangan kecil (daripada susunan panjang gelombang). Jika halangan adalah daripada dimensi geometri yang agak besar, maka corak pembelauan akan diperhatikan hanya berhampiran tepinya.
Syarat kedua penting untuk pembelauan cahaya ialah koheren gelombang daripada sumber yang berbeza. Ini bermakna bahawa mereka mesti mempunyai perbezaan fasa yang tetap. Hanya dalam kes ini, disebabkan gangguan, anda boleh melihat gambar yang stabil.
Kepaduan sumber dicapai dengan cara yang mudah, ia cukup untuk melepasi mana-mana bahagian hadapan cahaya dari satu sumber melalui satu atau lebih halangan. Sumber sekunder daripada inihalangan akan bertindak sebagai koheren.
Perhatikan bahawa untuk memerhatikan gangguan dan pembelauan cahaya, tidak semestinya sumber utama adalah monokromatik. Ini akan dibincangkan di bawah apabila mempertimbangkan kisi difraksi.
Fresnel dan Fraunhofer difraksi
Secara ringkasnya, pembelauan Fresnel ialah pemeriksaan corak pada skrin yang terletak berhampiran dengan celah. Difraksi Fraunhofer, sebaliknya, menganggap corak yang diperoleh pada jarak jauh lebih besar daripada lebar celah, di samping itu, ia mengandaikan bahawa kejadian hadapan gelombang pada celah adalah rata.
Dua jenis pembelauan ini dibezakan kerana corak di dalamnya berbeza. Ini disebabkan oleh kerumitan fenomena yang sedang dipertimbangkan. Hakikatnya ialah untuk mendapatkan penyelesaian yang tepat bagi masalah pembelauan, perlu menggunakan teori gelombang elektromagnet Maxwell. Prinsip Huygens-Fresnel, yang dinyatakan sebelum ini, adalah anggaran yang baik untuk mendapatkan hasil yang boleh digunakan secara praktikal.
Rajah di bawah menunjukkan bagaimana imej dalam corak pembelauan berubah apabila skrin dialihkan daripada celah.
Dalam rajah, anak panah merah menunjukkan arah pendekatan skrin ke celah, iaitu, angka atas sepadan dengan pembelauan Fraunhofer dan yang lebih rendah kepada Fresnel. Seperti yang anda boleh lihat, apabila skrin menghampiri celah, gambar menjadi lebih kompleks.
Selanjutnya dalam artikel kami akan mempertimbangkan hanya pembelauan Fraunhofer.
Pembiasan dengan celah nipis (formula)
Seperti yang dinyatakan di atas,corak pembelauan bergantung kepada geometri halangan. Dalam kes celah nipis lebar a, yang diterangi dengan cahaya monokromatik dengan panjang gelombang λ, kedudukan minima (bayang-bayang) boleh diperhatikan untuk sudut yang sepadan dengan kesamaan
sin(θ)=m × λ/a, dengan m=±1, 2, 3…
Sudut theta di sini diukur dari serenjang yang menghubungkan tengah slot dan skrin. Terima kasih kepada formula ini, adalah mungkin untuk mengira pada sudut mana redaman lengkap gelombang pada skrin akan berlaku. Selain itu, adalah mungkin untuk mengira susunan pembelauan, iaitu nombor m.
Memandangkan kita bercakap tentang pembelauan Fraunhofer, maka L>>a, dengan L ialah jarak ke skrin dari celah. Ketaksamaan terakhir membolehkan anda menggantikan sinus sudut dengan nisbah mudah koordinat y kepada jarak L, yang membawa kepada formula berikut:
ym=m×λ×L/a.
Di sini ym ialah koordinat kedudukan minimum pesanan m pada skrin.
Belauan celah (analisis)
Rumus yang diberikan dalam perenggan sebelumnya membolehkan kita menganalisis perubahan dalam corak pembelauan dengan perubahan dalam panjang gelombang λ atau lebar celah a. Oleh itu, peningkatan dalam nilai a akan membawa kepada penurunan koordinat minimum tertib pertama y1, iaitu, cahaya akan tertumpu dalam maksimum pusat yang sempit. Pengurangan dalam lebar celah akan membawa kepada regangan maksimum pusat, iaitu, ia menjadi kabur. Keadaan ini digambarkan dalam rajah di bawah.
Menukar panjang gelombang mempunyai kesan sebaliknya. Nilai besar λmembawa kepada kekaburan gambar. Ini bermakna gelombang panjang membias lebih baik daripada gelombang pendek. Yang terakhir adalah kepentingan asas dalam menentukan resolusi instrumen optik.
Pembelauan dan peleraian instrumen optik
Pemerhatian terhadap pembelauan cahaya ialah pengehad resolusi mana-mana instrumen optik, seperti teleskop, mikroskop, dan juga mata manusia. Apabila ia datang kepada peranti ini, mereka menganggap pembelauan bukan dengan celah, tetapi dengan lubang bulat. Namun begitu, semua kesimpulan yang dibuat sebelum ini tetap benar.
Sebagai contoh, kita akan mempertimbangkan dua bintang bercahaya yang berada pada jarak yang jauh dari planet kita. Lubang di mana cahaya memasuki mata kita dipanggil pupil. Daripada dua bintang pada retina, dua corak pembelauan terbentuk, setiap satunya mempunyai maksimum pusat. Jika cahaya dari bintang jatuh ke dalam pupil pada sudut genting tertentu, maka kedua-dua maksima akan bergabung menjadi satu. Dalam kes ini, seseorang akan melihat satu bintang.
Kriteria resolusi telah ditetapkan oleh Lord J. W. Rayleigh, jadi pada masa ini ia menggunakan nama keluarga beliau. Formula matematik yang sepadan kelihatan seperti ini:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Di sini D ialah diameter lubang bulat (kanta, murid, dll.).
Oleh itu, peleraian boleh ditingkatkan (kurangkan θc) dengan menambah diameter kanta atau mengurangkan panjangombak. Varian pertama dilaksanakan dalam teleskop yang memungkinkan untuk mengurangkan θc beberapa kali berbanding dengan mata manusia. Pilihan kedua, iaitu, mengurangkan λ, menemui aplikasi dalam mikroskop elektron, yang mempunyai resolusi 100,000 kali lebih baik daripada instrumen cahaya yang serupa.
Kisi pembelauan
Ia ialah koleksi slot nipis yang terletak pada jarak d antara satu sama lain. Jika hadapan gelombang rata dan jatuh selari dengan jeriji ini, maka kedudukan maksimum pada skrin diterangkan dengan ungkapan
sin(θ)=m×λ/d, dengan m=0, ±1, 2, 3…
Formula menunjukkan bahawa maksimum tertib sifar berlaku di tengah, selebihnya terletak pada beberapa sudut θ.
Memandangkan formula mengandungi pergantungan θ pada panjang gelombang λ, ini bermakna parut difraksi boleh menguraikan cahaya kepada warna seperti prisma. Fakta ini digunakan dalam spektroskopi untuk menganalisis spektrum pelbagai objek bercahaya.
Mungkin contoh pembelauan cahaya yang paling terkenal ialah pemerhatian rona warna pada DVD. Alur di atasnya ialah parut pembelauan, yang, dengan memantulkan cahaya, menguraikannya menjadi satu siri warna.
