Дифракція світла. Дифракційні грати та їх використання для вимірювання довжини світлової хвилі. Поляризація світла

Якщо процес поширення світла є хвильовим процесом, то, окрім інтерференції, має бути і дифракція світла. Адже дифракція- це огинання хвилями країв перешкод - власттва будь-якому хвильовому руху. Але спостерігати дифракцію світла важко, оскільки хвилі відхиляються від перешкод на помітні кути лише за умови, що розміри перешкод приблизно дорівнюють довжині хвилі, а вона дуже мала.

Уперше, відкривши інтерференцію, Юнг виконав дослід з дифракції світла, за допомогою якого були вивчені довжини хвиль, що відповідають світловим променям різного кольору. Вивчення дифракції отримало своє завершення в працях О. Френеля, який і побудував теорію дифракції, яка в принципі дозволяє розраховувати дифракційну картину, яка виникає внаслідок огинання світлом будь-яких перешкод. Таких успіхів Френель досягнув, об'єднавши принцип Гюйгенса ідеєю інтерференції вторинних хвиль. Принцип Гюйгенса-Френеля формулюється так: дифракція виникає внаслідок інтерференції вторинних хвиль.

На основі цього принципу Френель пояснив закони геометричної оптики, а саме: характер прямолінійного поширення світла в однорідному середовищі. Він створив приблизний спосіб розрахунку дифракційної картини, в основу якого поклав поділ хвильової поверхні на зони.

Явище відхилення світла від прямолінійного поширення називається дифракцією світла. Оскільки довжина світлової хвилі є дуже малою, то і розміри перешкод чи щілини мають бути малими. Наприклад, під час проходження монохроматичного світла через круглий отвір, розмір якого сумірний з довжиною падаючих світлових хвиль, на екрані навколо центральної світлової плями спостерігаються темні і світлі кільця, що чергуються (рис. 6.39).

Якщо таке саме світло проходить через вузьку щілину, то матимемо маку картину, зображену на рис. 6.40. Поява світлих і темних кілець, що чергуються, в ділянці геометричної тіні французький фізик Френель пояснив інтерференцією світлових хвиль, які надходять у результаті дифракції із різних точок отвору в одну точку на екрані.

Особливо чітку дифракційну картину утворюють дифракційні грати. Дифракційні граки - це сукупність дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками (рис. 6.41).

Якщо a - ширина прозорої частини, а b - непрозорої, то:

,

де l - ширина грат; N - кількість щілин.

Спрямуємо на грати паралельний пучок променів. Кожна точка щілини буде відхиляти промені у всіх напрямах, зокрема, і під кутом j від початкового напряму. Якщо ці промені зібрати на екрані, наприклад, за допомогою збиральної лінзи, то можна отримати підсилення чи послаблення світла - дифракційний максимум чи мінімум освітленості.

Із заштрихованого трикутника отримаємо різницю ходу:

Dd = d·sinj.

Якщо в цю різницю ходу вкладеться ціла кількість довжин хвиль, то на екрані спостерігатиметься дифракційний максимум, а якщо непарна кількість півхвиль, - мінімум.

Таким чином, Dd = kl, а також Dd = d·sinj, то для умови максимуму дифракційної гратки, отримаємо:

d·sinj = kl (1)

де k = 1, 2, 3, …, n (ціле число), l - довжина падаючої світлової хвилі.

Внаслідок дифракції на дифракційних гратах білого світла всі головні максимуми, крім центрального нульового максимуму, будуть забарвленими. Зі збільшенням довжини хвилі головні максимуми всередині розміщуються під великим кутами від центрального. Райдужна полоска, що містить сім кольорів - від фіолетового до червоного (підрахунок ведеться від центрального максимуму), називають дифракційним спектром.

Якщо відомо період грат d, і виміряно кут j, під яким спостерігається максимум і порядок спектра k, тоді можна визначити довжину світлової хвилі:

.

Вона дорівнює: l_ч 8·10^{-7 м;} l_ф 4·10^{-7 м.}

Інші кольори мають проміжні значення.

Промисловість виготовляє дифракційні грати, які містять 50 штрихів/мм, 100 штрихів/мм, 600 штрихів/мм, 1200 штрихів/мм і дзеркальні грати з 6000 штрихів/мм.

Велику популярність здобули репліки із дифракційних грат.

Грати використовують в приладах для спектрального аналізу.

Явище хвильової оптики, в якому проявляється поперечні світлові хвилі, називають поляризацією світла. Світлову хвилю називають плоскополяризованою, якщо вектори напруженості електричного поля і магнітної індукції в цій електромагнітній хвилі коливаються в певній площині.

У природному світлі вектори і коливаються в довільних площинах, перпендикулярних до напряму поширення хвилі.

Поляризатором називають пристрій, який перетворює природне світло в поляризоване. Простим поляризатором є одновісний кристал турмаліну, який має властивість пропускати світлові хвилі з коливаннями, що лежать в одній довільній площині. Якщо пучок світлових променів, які стали плоскополяризованими після проходження крізь кристал турмаліну, пропустити через другий кристал, можна встановити положення площини поляризації цього пучка. Другий кристал в цьому разі називають аналізатором і спостерігають зміну інтенсивності світла підчас його обертання. Коли осі кристалів турмаліну є взаємно перпендикулярними, світло крізь аналізатор не проходить зовсім.

Плоскополяризоване світло отримують і за допомогою плівкових поляризаторів. Це використовують під час фотографування скляних вітрин, наприклад, для гасіння відблисків скла. За допомогою поляризованого світла досліджують деформації тіл.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають дифракцією хвиль ?

2. За яких обов'язкових умов виявляється дифракція хвиль?

3. Що називають дифракцією світла ? За яких умов її спостерігають?

4. Що називають дифракційними гратками? Що називають періодом дифракційних граток?

5. Яким є природне світло?

6. У чому полягає сутність явища поляризації хвиль? Яким хвилям воно властиве?

7. Яку властивістю має кристал турмаліну? Побудуйте схему досліду з проходженням світла через одну і через дві турмалінові пластинки. Про що свідчить цей дослід ?

8. Поясніть явище поляризації світла, виходячи з уявлень про світло як про електромагнітну хвилю. Яке світло є неполяризованим, а яке - поляризованим?

9. Що називають інтерференцією хвиль ? За яких умов відбувається це явище?

10. Які хвилі називають когерентними?

11. Що називають різницею ходу хвиль?

12. Сформулюйте і запишіть умови утворення максимумів і мінімумів у разі накладання когерентних хвиль.

13. Що називають інтерференцією світла ? За яких умов її спостерігають ?

14. Як записують умови утворення інтерференційних максимумів і мінімумів для світлових хвиль ?

15. Наведіть приклади практичного застосування інтерференції світла.

16. Що називають дисперсією світла ?

17. Побудуйте схему отримання за допомогою призми спектра білого світла. Які кольори і в якій послідовності спостерігається в спектрі ?

18. В яких межах довжин хвиль знаходяться довжини хвиль видимого світла ?

19. Яке світло називають монохроматичним ?

20. Чому біле світло, проходячи крізь призму, розкладається в кольоровий спектр ?

21. Для фіолетового чи для червоного світла буде більшим від показника заломлення речовини призми (скла) ?