Дифракція світла та дифракційна решітка

Перші досліди та активні дослідження природи світла почалися ще в далекому XVII столітті, коли італійський вчений Франческо Грімальді вперше відкрив таке цікаве фізичне явище як дифракція світла. Що ж таке дифракція світла? Це відхилення світла від прямолінійного поширення в силу певних перешкод на його шляху. Більш наукове пояснення причин дифракції світла було дано на початку XIX століття англійським вченим Томасом Юнгом, згідно з ним дифракція світла можлива завдяки тому, що світло являє собою хвилю, що йде від свого джерела і природним чином викривляється при попаданні на певні перешкоди. Їм же була винайдена перша дифракційна решітка, що представляє собою оптичний прилад, який працює на основі дифракції світла, тобто спеціально викривляє світлову хвилю.

Інтерференція світла

Вивчаючи поведінку монохроматичного пучка світла, Томас Юнг, розділивши його навпіл, отримав дифракційну картину, яка являла собою послідовне чергування світлих і темних смуг на екрані. Хвильова теорія природи світла, сформована Юнгом, прекрасно пояснювала це явище. Будучи хвилею, пучок світла при попаданні на непрозору перешкоду викривляється, змінює траєкторію свого руху. Так з’являється дифракція світла, за якою світло може, як цілком огинати перешкоди (якщо довжина світлової хвилі більше розмірів перешкоди) або викривляти свою траєкторію (коли розміри перешкод порівнянні з довжиною світлової хвилі). Прикладом тут може бути потрапляння світла через вузькі щілини або невеликі отвори, як на фото нижче.

Промінь світла в печері, наочна ілюстрація дифракції світла в природі.

А тут на зображенні показано більш схематичне зображення дифракції.

Фізичне явище дифракції світла доповнює ще одну важливу властивість світлової хвилі – інтерференція світла. Суть інтерференції світла полягає в накладанні одних світлових хвиль на інші. В результаті може відбуватися викривлення синусоїдальної форми результуючої хвилі.

Так схематично виглядає інтерференція.

При цьому, хвилі, які накладаються, можуть як підсилювати міць загальної світлової хвилі (при збігу амплітуд), так і навпаки погасити її.

Визначення

Як ми писали вище, дифракційна решітка являє собою простий оптичний прилад, який викривляє світлову хвилю.

Ось так вона виглядає.

Або ще трохи більш маленький екземпляр.

Також дифракційну решітку можна охарактеризувати трьома параметрами:

• Період d. Він являє собою відстань між двома щілинами, через які проходить світло. Так як довжина світлової хвилі зазвичай знаходиться в діапазоні декількох десятих мікрометра, то величина d зазвичай має 1 мікрометр.
• Постійна решітка а. Це кількість прозорих щілин на довжині 1 мм поверхні решітки. Ця величина обернено пропорційна періоду дифракційної решітки d. Зазвичай має 300-600 мм^-1
• Загальна кількість щілин N. Вираховується шляхом множення довжини дифракційної решітки на її постійну а. Зазвичай довжина решітки має кілька сантиметрів, а кількість щілин при цьому становить 10-20 тисяч.

Види решіток

Насправді є цілих два види дифракційних решіток: прозора і відбиваюча.

Прозора решітка являє собою прозору тонку пластину з скла або прозорого пластика, на яку нанесені штрихи. Штрихи ці якраз і є перешкодами для світлової хвилі, крізь них вона не може пройти. Ширина штриха – це і є, по суті, період дифракційної решітки d. А прозорі зазори, що залишилися між штрихами – це щілини. Такі решітки найбільш часто застосовуються при виконанні лабораторних робіт.

Відбиваюча дифракційна решітка – це металева або пластикова і відполірована пластина. Замість штрихів на неї нанесені борозенки певної глибини. Період d відповідно це відстань між цими лініями. Простим прикладом відбиваючої дифракційної решітки може бути оптичний CD диск.

Такі решітки часто використовують при аналізі спектрів випромінювання, так як завдяки їх дизайну можна зручно розподілити інтенсивність максимумів дифракційної картини на користь максимумів більш високого порядку.

Принцип роботи

Уявімо, що на нашу решітку падає світло, що має плоский фронт. Це важливий момент, так як класична формула буде вірна за умови, що хвильовий фронт є плоским і паралельним самій платівці. Штрихи решітки будуть вносити в цей світловий фронт обурення і як результат на виході з решітки створиться ситуація начебто працює безліч когерентних (синхронних) джерел випромінювання. Ці джерела і є причиною дифракції.

Від кожного джерела (по суті щілини між штрихами решітки) будуть поширюватися світлові хвилі, які будуть когерентними (синхронними) один одному. Якщо на деякій відстані від решітки помістити екран, то ми зможемо побачити на ньому яскраві смуги, між якими буде тінь.

Формула

Яскраві смуги, які ми побачимо на екрані можна також назвати максимумами решітки. Якщо розглядати умови посилення світлових хвиль, то можна вивести формулу максимуму дифракційної решітки, ось вона.

sin(θ_m) = m*λ/d

Де θ_m це кути між перпендикуляром до центру пластинки і напрямком на відповідну лінію максимуму на екрані. Величина m називається порядком дифракційної решітки. Вона приймає цілі значення і нуль, тобто m = 0, ±1, 2, 3 і так далі. λ – довжина світлової хвилі, а d – період решітки.

Таким чином, можна розрахувати положення всіх максимумів решітки.

Роздільна здатність

Роздільною здатністю називають здатність решітки розділити дві хвилі з близькими значеннями довжини λ на два окремих максимуми на екрані.

Застосування

Яке ж практичне застосування дифракційної решітки, в чому її конкретна користь? Дифракційна решітка є важливим і незамінним інструментом в спектроскопії, так з її допомогою можна взнати, наприклад, хімічний склад далекої зірки. Світло, що йде від цієї зірки, збирають дзеркалами і направляють на решітку. Вимірюючи значення θ_m можна дізнатися всі довжини хвиль спектра, а значить і хімічні елементи, які їх випромінюють.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора