Fenomena pembelauan gelombang merupakan salah satu kesan yang mencerminkan sifat gelombang cahaya. Ia adalah untuk gelombang cahaya yang ditemui pada awal abad ke-19. Dalam artikel ini, kita akan melihat apakah fenomena ini, bagaimana ia diterangkan secara matematik dan di mana ia dapat digunakan.
Fenomena pembelauan gelombang
Seperti yang anda ketahui, sebarang gelombang, sama ada cahaya, bunyi atau gangguan di permukaan air, dalam medium homogen merambat di sepanjang laluan yang lurus.
Mari bayangkan hadapan ombak yang mempunyai permukaan rata dan bergerak ke arah tertentu. Apakah yang akan berlaku jika terdapat halangan di hadapan ini? Apa-apa sahaja boleh berfungsi sebagai penghalang (batu, bangunan, jurang sempit, dan sebagainya). Ternyata selepas melepasi halangan, hadapan gelombang tidak lagi rata, tetapi akan mengambil bentuk yang lebih kompleks. Jadi, dalam kes lubang bulat kecil, hadapan gelombang, yang melaluinya, menjadi sfera.
Fenomena mengubah arah perambatan gelombang apabila ia menghadapi halangan di laluannya dipanggil pembelauan (difraksi daripada bahasa Latin bermaksud"patah").
Hasil fenomena ini ialah gelombang menembusi ruang di belakang halangan, di mana ia tidak akan pernah memukul dalam gerakan rectilinearnya.
Contoh pembelauan gelombang di pantai laut ditunjukkan dalam rajah di bawah.
Keadaan cerapan pembelauan
Kesan pecah gelombang yang diterangkan di atas apabila melepasi halangan bergantung kepada dua faktor:
- panjang gelombang;
- parameter geometri halangan.
Di bawah keadaan apakah pembelauan gelombang diperhatikan? Untuk pemahaman yang lebih baik tentang jawapan kepada soalan ini, perlu diperhatikan bahawa fenomena yang sedang dipertimbangkan sentiasa berlaku apabila gelombang menghadapi halangan, tetapi ia menjadi ketara hanya apabila panjang gelombang adalah daripada susunan parameter geometri halangan. Memandangkan panjang gelombang cahaya dan bunyi adalah kecil berbanding saiz objek di sekeliling kita, pembelauan itu sendiri hanya muncul dalam beberapa kes khas.
Mengapa pembelauan gelombang berlaku? Ini boleh difahami jika kita mempertimbangkan prinsip Huygens-Fresnel.
Prinsip Huygens
Pada pertengahan abad ke-17, ahli fizik Belanda Christian Huygens mengemukakan teori baharu tentang perambatan gelombang cahaya. Dia percaya bahawa, seperti bunyi, cahaya bergerak dalam medium khas - eter. Gelombang cahaya ialah getaran zarah eter.
Memandangkan hadapan gelombang sfera yang dicipta oleh sumber cahaya titik, Huygens membuat kesimpulan berikut: dalam proses pergerakan, bahagian hadapan melalui satu siri titik spatial dalamsiaran. Sebaik sahaja dia mencapai mereka, dia membuatnya teragak-agak. Titik ayunan, seterusnya, menjana generasi baru gelombang, yang Huygens panggil sekunder. Dari setiap titik gelombang sekunder adalah sfera, tetapi ia sahaja tidak menentukan permukaan hadapan baru. Yang terakhir ialah hasil superposisi semua gelombang sekunder sfera.
Kesan yang diterangkan di atas dipanggil prinsip Huygens. Dia tidak menerangkan pembelauan gelombang (apabila saintis merumuskannya, mereka belum tahu tentang pembelauan cahaya), tetapi dia berjaya menerangkan kesan seperti pantulan dan pembiasan cahaya.
Ketika teori korpuskular cahaya Newton berjaya pada abad ke-17, karya Huygens telah dilupakan selama 150 tahun.
Thomas Jung, Augustin Fresnel dan kebangkitan semula prinsip Huygens
Fenomena pembelauan dan gangguan cahaya ditemui pada tahun 1801 oleh Thomas Young. Menjalankan eksperimen dengan dua celah yang dilalui bahagian hadapan cahaya monokromatik, saintis itu menerima pada skrin gambar jalur gelap dan terang berselang-seli. Jung menerangkan sepenuhnya hasil eksperimennya, merujuk kepada sifat gelombang cahaya, dan dengan itu mengesahkan pengiraan teori Maxwell.
Sebaik sahaja teori korpuskular cahaya Newton disangkal oleh eksperimen Young, saintis Perancis Augustin Fresnel mengingati karya Huygens dan menggunakan prinsipnya untuk menerangkan fenomena pembelauan.
Fresnel percaya bahawa jika gelombang elektromagnet, merambat dalam garis lurus, bertemu dengan halangan, maka sebahagian daripada tenaganya hilang. Selebihnya dibelanjakan untuk pembentukan gelombang sekunder. Yang terakhir membawa kepada kemunculan hadapan gelombang baharu, arah perambatannya berbeza daripada yang asal.
Kesan yang diterangkan, yang tidak mengambil kira eter apabila menghasilkan gelombang sekunder, dipanggil prinsip Huygens-Fresnel. Dia berjaya menerangkan pembelauan gelombang. Selain itu, pada masa ini prinsip ini digunakan untuk menentukan kehilangan tenaga semasa perambatan gelombang elektromagnet, di mana halangan dihadapi.
Belauan celah sempit
Teori membina corak pembelauan agak kompleks dari sudut matematik, kerana ia melibatkan penyelesaian persamaan Maxwell untuk gelombang elektromagnet. Namun begitu, prinsip Huygens-Fresnel, serta beberapa anggaran lain, memungkinkan untuk mendapatkan formula matematik yang sesuai untuk aplikasi praktikalnya.
Jika kita menganggap pembelauan pada celah nipis, di mana bahagian hadapan gelombang satah jatuh selari, maka jalur terang dan gelap akan muncul pada skrin yang terletak jauh dari celah. Minima bagi corak difraksi dalam kes ini diterangkan oleh formula berikut:
ym=mλL/a, dengan m=±1, 2, 3, …
Di sini ym ialah jarak dari unjuran celah ke skrin kepada tertib minimum m, λ ialah panjang gelombang cahaya, L ialah jarak ke skrin, a ialah lebar celah.
Ia berikutan daripada ungkapan bahawa maksimum pusat akan menjadi lebih kabur jika lebar celah dikurangkan danmeningkatkan panjang gelombang cahaya. Rajah di bawah menunjukkan rupa corak difraksi yang sepadan.
Kisi pembelauan
Jika satu set slot daripada contoh di atas digunakan pada satu plat, maka parut difraksi yang dipanggil akan diperolehi. Menggunakan prinsip Huygens-Fresnel, seseorang boleh mendapatkan formula untuk maksimum (jalur terang) yang diperoleh apabila cahaya melalui parut. Formulanya kelihatan seperti ini:
sin(θ)=mλ/d, dengan m=0, ±1, 2, 3, …
Di sini, parameter d ialah jarak antara slot terdekat pada parut. Semakin kecil jarak ini, semakin jauh jarak antara jalur terang dalam corak difraksi.
Memandangkan sudut θ untuk maksima tertib ke-m bergantung pada panjang gelombang λ, apabila cahaya putih melalui parut pembelauan, jalur berbilang warna muncul pada skrin. Kesan ini digunakan dalam pembuatan spektroskop yang mampu menganalisis ciri-ciri pelepasan atau penyerapan cahaya oleh sumber tertentu, seperti bintang dan galaksi.
Kepentingan Difraksi dalam Alat Optik
Salah satu ciri utama instrumen seperti teleskop atau mikroskop ialah resolusinya. Ia difahami sebagai sudut minimum, apabila diperhatikan di bawah objek individu masih boleh dibezakan. Sudut ini ditentukan daripada analisis pembelauan gelombang mengikut kriteria Rayleigh menggunakan formula berikut:
dos(θc)=1, 22λ/D.
Di mana D ialah diameter kanta peranti.
Jika kita menggunakan kriteria ini pada teleskop Hubble, kita mendapat bahawa peranti pada jarak 1000 tahun cahaya dapat membezakan antara dua objek, yang jarak antaranya adalah serupa dengan jarak antara Matahari dan Uranus.
