Šviesos difrakcija ir difrakcinė gardelė

Šioje temoje nagrinėjama šviesos difrakcija – reiškinys, kai šviesa nukrypsta nuo tiesaus sklidimo kelio, apeidama kliūtis. Taip pat aptariama difrakcinė gardelė, jos veikimo principas, pagrįstas šviesos interferencija, ir taikymas bangos ilgiui nustatyti. Galiausiai, supažindinama su interferencijos maksimumų ir minimumų sąlygomis.

Bangų skirtumai
Šviesos ir mechaninės bangos, pereidamos iš vienos terpės į kitą, keičia savo bangos ilgį ir sklidimo greitį, bet dažnis išlieka nepakitęs. Pavyzdžiui, šviesos greitis vandenyje yra mažesnis nei ore, o bangos ilgis taip pat sumažėja.
Difrakcijos aiškinimas
Difrakciją nuo gardelės galima paaiškinti remiantis Heigenso ir Frenelio principu. Kiekvienas difrakcinės gardelės plyšys tampa antriniu koherentinių bangų šaltiniu. Šios bangos interferuoja, sukurdamos šviesius (maksimumus) ir tamsius (minimumus) ruožus ekrane. Baltos šviesos atveju, ekrane matomas spektras, nes skirtingų spalvų bangos nukrypsta skirtingais kampais.
Difrakcijos rūšys
Egzistuoja dvi pagrindinės difrakcijos rūšys: Frenelio ir Fraunhoferio. Frenelio difrakcija yra sferinių bangų difrakcija, stebima be papildomų priemonių. Fraunhoferio difrakcija yra plokščiųjų bangų difrakcija, stebima naudojant lęšius, kurie surenka lygiagrečius spindulius į židinio plokštumą.
Difrakcinė gardelė
Difrakcinė gardelė yra optinis prietaisas, naudojamas šviesos difrakcijai tirti. Ji sudaryta iš daugybės lygiagrečių plyšių arba atspindinčių juostų, atskirtų neskaidriais tarpais. Gardelės periodas (\(d\)) yra plyšio pločio (\(a\)) ir neskaidraus tarpo pločio (\(b\)) suma: \(d = a + b\).
Maksimumų sąlyga
Šviesos interferencijos maksimumai susidaro, kai nuo gretimų plyšių sklindančių bangų optinių kelių skirtumas yra lygus sveikajam bangos ilgių skaičiui. Ši sąlyga aprašoma formule: \(d \sin \varphi = k\lambda\), kur \(d\) – gardelės periodas, \(\varphi\) – kampas, kuriuo sklinda bangos, \(\lambda\) – bangos ilgis, o \(k\) – sveikasis skaičius \((0, ±1, ±2, ...)\), nusakantis maksimumo eilę.
Minimumų sąlyga
Šviesos interferencijos minimumai susidaro, kai nuo gretimų plyšių sklindančių bangų optinių kelių skirtumas yra lygus nelyginiam pusbangių ilgių skaičiui. Ši sąlyga aprašoma formule: \(d \sin \varphi = (2k + 1)\lambda/2\), kur \(d\) – gardelės periodas, \(\varphi\) – kampas, kuriuo sklinda bangos, \(\lambda\) – bangos ilgis, o \(k\) – sveikasis skaičius \((0, 1, 2, ...)\).
Muilo plėvelė
Muilo plėvelėje spalvotos juostos atsiranda dėl šviesos interferencijos ploname plėvelės sluoksnyje. Viršutinėje, ploniausioje, plėvelės dalyje pirmiausia pasirodo violetinė spalva, nes ji turi trumpiausią bangos ilgį. Toliau seka kitos spalvos, išsidėstančios pagal bangos ilgį iki raudonos spalvos, kuri turi ilgiausią bangos ilgį.
Niutono žiedai
Niutono žiedai – tai interferencijos reiškinys, atsirandantis ploname oro tarpe tarp lęšio ir stiklo plokštelės. Apšvietus lęšį monochromatine šviesa (pvz., žalia), matomi koncentriniai šviesūs ir tamsūs žiedai. Žiedų atsiradimas yra susijes su šviesos bangų interferencija, kai bangos atsispindi nuo viršutinio ir apatinio oro tarpo paviršių.
Plauko storis
Plauko storį galima apskaičiuoti, remiantis interferencijos minimumo sąlyga, susidarančia tarp dviejų stiklo plokštelių, kurias atskiria plaukas. Žinant atstumą nuo plauko iki plokštelių sąlyčio linijos (20 cm), šviesos bangos ilgį (760 nm) ir tamsių juostų skaičių viename centimetre (8), galima apskaičiuoti plauko storį \(h\). 8 juostos/cm * 20cm = 160 tamsių juostų. Naudojant formulę \(2*h* = *m*\lambda\), kur \(m\) – sveikasis skaičius (tamsių juostų skaičius), gauname: \(h = 160 * \lambda / 2 = 80 * 760 \text{ nm} = 60800 \text{ nm} = 0.0608 \text{ mm}\), apytiksliai 0,06 mm.
Šviesos difrakcija
Šviesos difrakcija – tai šviesos bangų nukrypimas nuo tiesiaeigio sklidimo. Paprastai manoma, kad šviesa sklinda tiesiai, sukurdama šešėlius už kliūčių. Tačiau, kai kliūtys yra labai mažos (apie \(0.1 \text{ mm}\)), atsiranda šviesūs ir tamsūs žiedai, rodantys, kad šviesa nukrypsta nuo tiesios linijos. Šis reiškinys parodo geometrinės optikos ribotumą, nes ji negali paaiškinti difrakcijos.
Vaizdo pokyčiai
Interferencinio vaizdo, gauto naudojant difrakcinę gardelę, charakteristikos keičiasi priklausomai nuo gardelės parametrų. Didinant plyšių skaičių, maksimumai tampa ryškesni, o minimumai platesni. Mažinant atstumą tarp plyšių, interferencijos juostos tolsta viena nuo kitos. Didinant plyšių plotą, maksimumų intensyvumas didėja, bet jų kampinė padėtis nesikeičia.

Prisijungti

arba
Real 2
„X“ yra inovatyvi mokymosi platforma, kurios tikslas – teikti aukštos kokybės mokymo medžiagą įvairiausių klasių mokiniams. Patyrusių specialistų parengtas turinys skatina smalsumą, padeda išsamiau ir giliau suprasti mokomus dalykus bei sėkmingai pasiruošti akademiniams iššūkiams.
Atsisiųsk programėlę:
Susisiek su mumis: info@knowledgenestapp.com