Дифракция от прямоугольного и круглого отверстий

Если щель имеет ограниченную длину l, т. е. представляет собой прямоугольник со сторонами b и l, то, очевидно, и в направлении длины щели будет на­блюдаться дифракционная картина. Общий вид, получаемый в этом случае, изо­бражен на рис. 9.7, а.

Форма отверстия показана малень­ким белым прямоугольником в правом углу фотографии; источником света служит ма­ленькая ярко освещенная ды­рочка (точечный источник), расположенная в фокусе большой линзы.

Дифракци­онная картина шире в том направлении, которое соот­ветствует более короткой сто­роне прямоугольника. В слу­чае квадратного отверстия картина в обоих направле­ниях будет симметричной.

Рис. 9.7. Картина дифракции от прямо­угольного (а) и круглого (б) отверстий.

Стороны прямоугольника относятся как 4 к 5

.

РИС. 10. Дифракция света при прохождении около непро­зрачного предмета

На рис. 10 приведены, по опытам В. К. Аркадьева, пять фотографий тени руки, держащей тарелку. Первая фотография (слева) получена при таких условиях: рас­стояние от светящейся точки до руки а было около 2 м, расстояние b от руки до экрана, на котором получалась тень, около 1 м. На второй фотографии а+b выбиралось эквивалентным 2 км, на третьей - 7 км, на четвертой -29 км, на пятой —235 км.

В то время как на первой фото­графии тень вполне отчетлива, на следующих она постепенно принимает крайне причудливый вид: в центре тени тарелки получается отчетливое светлое пятно, тень руки испещряется темными и светлыми полосами; о строгой прямолинейности света, стало быть, здесь не может быт, и речи.

По законам геометрии прямолинейные лучи от ма­лого источника света на таком расстоянии должны были бы дать безукоризненно правильную тень.

Следовательно, проходя сквозь узкие щели и обходя малые предметы, свет огибает их. Гримальди назвал это явление дифракцией.

Ньютон, по обычаю своему, тщатель­но исследовал явление и установил, что дифракция совер­шенно не зависит от того, из какого материала сделана щель или огибаемый предмет, и, следовательно, отвечает основному свойству самого света.

Впоследствии было доказано, что дифракция сущест­вует у всех лучей по всему спектру от радио- до лучей Рентгена. Чем меньше длина волны, тем уже должны быть отверстия и предметы, при помощи которых отклонения от прямолинейности и дифракция становятся заметными.

Явление интерференции (или сложение когерентных волн) происходит, если щелей на пути волны несколько или волна рас­пространяется от нескольких источников. Рассмотрим два источ­ника. При размере щели s > никаких искажений практически не наблюдается. Если s < , наблюдается картина, существенно за­висящая от того, в какой фазе каждая из волн подошла к щели. Явление интерференции наблюдается и для поперечных, и для

продольных волн.

а

б

Рис. 22-17.

а-схема опыта по интерференции света от двух щелей (источником может быть либо лазер, либо единственная щель, освещае­мая монохроматическим светом лампы; экран имеет две щели на расстоянии d друг от дру­га);

б - распределение интенсивности, полученное на фотопленке, расположенной у второго

эк­рана.

Рис. 22-18.

а-распределение интенсивности на удаленном экране при дифракции на отдельной щели;

б-изображение на фотопленке, помещен­ной в плоскости экрана.

В качестве источника света использовался неон-гелиевый лазер.

Спектр солнечного света.

Рукопись Ньютона, освещенная радугой из основных цветов, составляющих солнечный свет.

Тайну превращения белого сол­нечного света в цветную радугу раскрыл Исаак Ньютон.

Какое физическое свойство позволяет свету создавать столь прекрасные ощущения цвета? Ньютон получил основной ответ на этот вопрос в своих опытах с призмами в 1666 г.

Ньютон был очарован цветами спектра, создаваемого купленной им призмой, и провел несколько простых опы­тов с ней в своем доме. Другие люди тоже видели такие спектры и большинство людей того времени верили, что призма так или иначе окрашивает белый свет и что цвет — это что-то такое, что можно добавить к белизне.

Ньютон пропустил луч солнечного света через не­большое отверстие в ставнях окна в темную комнату и наблюдал создаваемый призмой спектр на расположенном напротив экране. Его весьма удивило то, что длина спектра была примерно в пять раз больше его ширины. Ньютон, по-видимому, ожидал, что он будет круглым или что-нибудь вроде того.

Получив после прохождения света через призму семь основных цветов — фиолетовый, синий, го­лубой, зеленый, желтый, оранже­вый, красный,— Ньютон поставил на пути разноцветной полосы вто­рую призму. За второй призмой он увидел пучок белого света. Солнечный луч возник вновь!

Ф и г. 13. Схема опыта Ньютона, в котором было ус­тановлено, что отдельный цвет в спектре не разлагает­ся далее при прохождении через вторую призму.

Фиг. 14. Схема опыта Ньютона, показавшего, что сложение цве­тов спектра снова дает белый свет, который можно затем опять разложить в спектр.

Ньютон сделал то, что он назвал решающим экспериментом.

Он получил спектр на экране с отверстием и, пропустив через это отверстие на другую призму только часть спектра, обнаружил, что вторая призма уже не разворачивала пучок (фиг. 13).

Таким образом, Ньютон показал, что существование спектра является свойством не призмы, а белого света.

Отсюда он заключил, что белый свет состоит из набора семи основных цветов с различной способностью к преломлению. Он доказал это, собрав расходящийся разложенный в спектр пучок с помощью линзы (фиг. 14): получившаяся комбинация имела белый цвет.

Измерения длин волн отдельных спектральных линий, выполненных Ньютоном, с большой точностью совпали с современны­ми данными. Фиолетовые лучи, на­пример, имеют длину волны около 0,4 микрона (микрон — тысячная доля миллиметра), зеленые — 0,55 микрона, красные — около 0,75 микрона.

Принцип Гюйгенса

Принцип Гюйгенса, объясняющий явление отражения, прелом­ления и двойного лучепреломления света с позиций волновой теории, сформулирован в «Трактате о свете» (Х.Гюйгенс, 1678).

Суть принципа в следующем (рис. 3.5): когда волновой фронт про­ходит через отверстия, каждый элемент фронта ведет себя так, как если бы стал источником излучения.