Дифракция құбылысы. Гюйгенс-Френель принципі

Дифракция – жарықтың толқындық сипаты білінетін құбылыс. Тәжірибелік деректер. Бізге байқалатын көптеген құбылыстар жарықтың түзу сызықты таралатындығын көрсетеді. Күн сәулесі, лазер сәулесі, прожектор сәулесі- бұлар түзу сызықтар бойынша таралу сезімін туғызады. Түзу сызықты таралу – жарықтың ең басты және ең айқын қасиеттерінің бірі. Сөз жоқ, дәл осы жағдай өз уақытында жарық – бөлшектер ағыны деген түсініктің қалыптасуына негіз болған. Екінші жағынан, түзу сызықты жарық сәулесінде толқынға ұқсайтындай ешқандай белгі жоқ сияқты болып көрінеді.

Дегенмен, кейбір өте нәзік оптикалық құбылыстар мен тәжірибелер жарықтың түзу сызықты таралу заңының бұзылатындығын көрсетеді. Мәселен, Күн сәулесінің немесе лазер сәулесінің әрқашан, аз да болса, бірақ шектеулі жинақсыздануы байқалады. Жарық шоғының шекарасы, жарық пен көлеңке арасындағы шекара ешқашанда айқын болмайды, әрқашан кішкене болса да оның шектеулі ені болады.

Дифракция ұғымы оптикада жарықтың түзу сызықты таралуы бұзылуымен байланыстырылады. А.Зоммерфельд (1868-1951) дифракцияға “жарықтың шағылуы немесе сынуымен байланысты емес, түзу сызықты таралудан кез-келген ауытқуы” деген анықтама берген. Тар мағынасында дифракция деп толқынның бөгетті айналып өту құбылысын айтады. Мұндай құбылыстар ұзын толқындар үшін, мысалы, дыбыс толқындары немесе су бетіндегі толқындар үшін жақсы белгілі. Толқындар теориясында дифракция деп толқынның таралуына кедергі (тосқауылдар) жолыққанда толқындық өрісте пайда болатын құбылыстардың барлық жиынтығын айтады. Ең соңында, жарықтың интерференция ұғымын пайдаланып, былай деуге болады: дифракция – бұл шектеулі жарық шоқтарындағы интерференция.

Гримальди тәжірибесі. Дифракциялық құбылыстар жайында Леонардо да Винчи (1452-1519) еңбегінде алғаш атап өтіледі. Бірақ жарықтың дифракциясының бақылануы жайында алғаш рет егжей-тегжейлі 1665 ж. Ф.Гримальдидің (1618-1663) кітабында баяндалады (өзі қайтыс болғаннан екі жылдан кейін жарық көрген). Гримальдидің тәжірибесінде жарық көзі жарық өткізбейтін қалқадағы (экран) тесікті жарықтандырады, қалқадан кейін біраз қашықтықта орналастырылған жазықтықта жарықталу өлшенеді. Сонда алынған тесіктің кескініндегі жарықтан көлеңкеге шұғыл емес, бірте-бірте ауысатындығы тағайындалған. Бұл нәтиже сол кездерде жарықтың таралуын дұрыс түсіндіреді деп саналатын корпускулалық теория шеңберінде түсіндірілмеген. Осы теорияға сәйкес жарық түзу сызықты таралуы тиіс, бақылау жазықтығындағы тесік кескінінің айқын шекарасы (көлеңке мен жарықты бөліп тұратын) болуы тиіс еді.

екінші реттік толқындар

Ораушы (жаңа толқындық шеп)

Бастапқы толқындық шеп

3.1-сурет

Гюйгенс принципі. Дифракциялық құбылыстардың табиғатын ұғыну жарық жайында оны толқын ретінде қарастыратын көріністердің дамуымен байланысты. Осы жолдағы бірінші қадамды 17 ғ. аяғында (1678 ж.) голландия ғалымы Х.Гюйгенс жасады. Жарық – бұл толқын деген болжамға сүйеніп ол жарықтың таралу механизмін ашатын идея ұсынды. Гюйгенстің ұйғаруынша жарық жарық көзінен су бетіндегі толқынға ұқсас таралады; жарықтың ұйытқу шебінің әрбір нүктесі екінші реттік сфералық толқын көзі болады. Келесі уақыт мезетіндегі толқын шебінің орнын екінші реттік толқындарды ораушы бет анықтайды. Гюйгенс принципі 3.1-суретте бейнеленген; мұнда жарық ұйытқуының толқындық шебі, элементарлық екінші реттік толқындар, екінші реттік толқындарды ораушы бет ораушы (огибающая) көрсетілген. Осы принципті қолданып нүктелік көзден жарықтың таралуы, жарық шоғының таралуы, жарықтың шағылуы мен сынуы сияқты құбылыстар түсіндіріледі.

Гюйгенс-Френель принципі. Дифракция деп жарықтың шұғыл өзгеретін біртекті еместігі бар ортада таралған кезде байқалатын және геометриялық оптика заңдарынан ауытқуымен байланысты құбылыстар жиынын айтатындығы; Дифракция, мәселен, жарық толқындарының бөгеттерді орап өтіп, геометриялық көлеңке аймағына кіруіне әкелетіндігі жоғарыда айтылған болатын.

Жарық толқындарының геометриялық көлеңке аймағына өтуін Гюйгенс принципі көмегімен түсіндіруге болады. Бірақта бұл принцип амплитуда жайында дерек бермейді, демек әртүрлі бағыттарда таралатын толқындардың интенсивтігі жайында деректерді бермейді. Гюйгенс принципін Френель екінші реттік толқындардың интерференциясы жайындағы көрініспен толықтарды. Осының арқасында Гюйгенстің формальды түрде енгізген екінші реттік толқындарды ораушы бет енді екінші реттік толқындардың интерференциялануы арқасында қорытқы толқынның интенсивтігі максимум болатын бет ретінде физикалық мазмұнға ие болды. Екінші реттік толқындардың амплитудалары мен фазаларын ескеру кеңістіктің кез-келген нүктесіндегі қорытқы толқынның амплитудасын табуға мүмкіндік береді. Осылай дамытылған Гюйгенс принципі Гюйгенс-Френель принципі деп аталады. Бұл толқындық оптикада негізгі принципке айналды және ол қорытқы толқынның әртүрлі бағыттар бойынша интенсивтігін анықтауға, яғни жарық дифракциясы жайындағы есепті шешуге мүмкіндік береді.