§7. Толқынның дифракциясы
Дифракция қүбы лы сы ны ң анықтамасын беру ү ш ін біз әуелі
Оірнеше тәжірибеге тоқталайық. Ол үш ін суы бар ваннадағы толқын
мнтерференциясын қарастырамыз. Толқы н кө зін ің рөлін ваннаның
шетіне бекітілген серпімді тербелетін пластинканың үшындағы штифт
;
ітқарады. Егер ваннадағы суда пластинаның тербелісі әсерінен штифтің
іудыратын толқынның таралу жольша толқынның ұзындығынан өлшемі
Оірнеше есе артық экранын қойса, онда толқындар экранный, сыртын
да пайда болатын геометриялық көлеңкеге енбейді (7,1—сурет). Экран
ный, өлшемін кішірейткенде толқындар экранды орағытып, оның сыр-
гындағы геометриялық көлеңкеге бірте-бірте терендеп ене бастайды
(7,2— сурет).
l
i
s
ш
т
т
ш
ғында түрлі суреттер байқалады. Бағанның ы қ ж а қ түбінде су беті
ты н ы қ, толқын ж оқ. Ал бүтақтың ы қ жағы олай емес, толқындар
бүтақты орағытып өтеді. Демек, толқы нны ң ұзындығы бүл мысалдан
да жолдағы кедергілер: бүтақ, баған диаметрлерімен салыстырылады.
Мынадай тәжірибелерге тоқталайық, ьщыстағы су бетінде толқын-
дар жүйесін туғызайық та, екі толқын ұзындығынан бірнеше есе ар-
ты к тесік арқылы толқындардың әрі қарай таралуына шек қояйық. Біз
онда толқындардың
丁
есіктің сырт жағында өздері түскен бетке перпен
дикуляр түзу сызықтармен (7.4-сурет пунктир сызықтармен) шектел-
ген аралықта таралатынын көреміз.
7.4
7.5
Тек тесіктен едәуір алыстау жерде толқындар аздап орағытьш барып,
түзулердің сыртына шығады.
Толқындардың таралуына шек келтіретін тесіктің өлшемін түскен
толқындар үзындығынан к іш і болғанша тарылтайық. Сонда тесіктің
сы рты ндағы алап, орталығы кіш ке н е тесікте ж а тқа н дөңгелек
толқындарға толады (7.5-сурет), соны ң нәтижесінде толқындар
дифракцияланады.
Дифракция қүбылысы дыбыс толқынында да байқалады. Мысалы,
биік үйдің бір жағынан ш ы ққан дыбыс оның екінш і жағынан да естіледі.
ө й т ке н і дыбыс то л қы н ы ү й д ің бүры ш ы на ж етіп бүрылады да,
қалқаланьш түрған алқапқа барады, басқаша айтқанда дифракцияланады.
§8. Жарық толқындарының дифракциясы
Ж арықтың толқы вды қ сипатын білдіретін қүбылыстардың бірі,
дифракциясы қүбылысы болып табылады.
66
8.1
8.2
8.3
Бүл ретте орыс физигі В.К. Аркадьев мынадай тәжірибе жасаған.
Диаметрі 1,97 мм инеге, одан 24,17 м қаш ы қты қта тұрған өлшемдері
0,74 мм саңылау арқылы толқын үзындығы 0,46 мкм монохроматтық
жары қ шоғын түсірген; иненің е кін ш і жағына, 15,47 м жерге, фото
пластинка қойып сол ине көлеңкесінің фотосуретін түсіріп алған. Сонда,
ине көлеңкесінің дәл ортасында ж іңіш ке ж ары қ жолақ, екі жағында
онымен қатарласа орналасқан бірнеше жарық және қара-қоңыр жолак-
тар байқалған (8.1-сурет). Бүдан жарық толқынының жолындағы инені
айналып көлеңке алқабына барғаны байқалады. Демек, жарықтың
біртекті жэне изотропты ортада түзу сызықпен таралу заңы бүзылады.
Осыған тағы бір мысал келтірейік. Ж арық шоғы
S
жары қ көзінен
ш ы ғы п,
d
тесігі бар экранға (
8
.
2
-сурет) т ү с іп ,одан әрі өткенде бағы-
тын өзгертпейді.
J)
-саңылауын кіш ірейтетін болсақ (8.3-сурет), ж а
ры к сәулелері өзінің түзу сызық бойымен таралу бағытын өзгертеді.
Дифракция болу үш ін жарық толқыныны ң ұзындығы өтетін саңылау-
дың енінен артық болуы керек, соның нәтижесінде ғана экранда бір-
бірімен алмасатын жары қ және қараңғы жолақтар орналасқан сурет
пайда болады.
Ж арықтың түзу сызық бойымен таралу бағытынан ауытқу құб ы -
лысы, немесе жарық толқынының шебінің, яғни толқын бетінің бұзы-
луын италия ғалымы Гримальди дифракция деп атаған.
67
§9. Гюйгенс-Френель принципі
Дифракция мәселелеріндегі негізгі мақсат экранный, берілген
нүктесіндегі жарықтану шамасын анықтау. Бұл мәселені шешуге көп
көмек көрсететін Гюйгенс-Френель принципі.
Гюйгенс принципі бойынша толқын бетін толып жатқан тербеліс
көздері деп қарастырады. Ол толқын кѳздерінен элементар толқындар
таралады. Жаңа толқын бетін табу үш ін әлгі элементар толқындарды
орағыта екінш і ретті толқын бетін жүргізу керек.
Айталық, a тесігі бар жазық
ЛЛ'
тосқауылға
ß ß r
параллель жа
зы к толқын түссін. Толқы нны ң бір бѳлігі a тесігіне жетеді, соның
нәтижесінде тесіктің әр нүктесі элементар жартылай сфералық тол-
қындардың орталығына айналады. Осы элементар толқындарды ора-
ғыта сызық жүргізсек, ол толқындардың орта жері ж азық болады да,
шет жағы таралу бағытынан қисая орағытылады (
9
.
1
-сурет)
9.1
Алайда, Гюйгенс принципінің кемшілігі бар, онымен әр түрлі ба-
ғыггағы толқын амплитудасын анықтауға болмайды. Ал толқын энергия
сы, амплитуданың квадратына тура пропорционал. Ендеше, Гюйгенс
принципімен берілген нүктедегі жарықталынуды табуға болмайды. Бүл
кемш ілікті Френель үсынған толқынның фазасына, амплитудасына
негізделген есептеулер арқьшы шешуге болады.
9.2
68
Айталы қ
S
беті белгілі бір уақыт аралығындағы толқы нны ң шебі
болсын дейік (
9
.
2
-сурет).
Френель принципі бойынша толқын шебінің алдында г
0
қа ш ы қ-
тықта орналасқан
р
нүктесіндегі тербелісті анықтау керек. Я ғни ол
үшін
s
бетінің әрбір
элементтерінен келетін толқындарды аны қ-
тап, онан кейін толқындардың амплитудасын, фазаларын еске алып,
оларды қосу керек.
р
нүктесіне келетін тербелістің амплитудасы
Д
5
элементінің өлш еміне,і.қаш ы қтығына жэне сол r қаш ы қты ғы мен
N
нормальдің арасындағы бұрышына байланысты. Тербелістің фазасы
ю л қы н ж үріп ѳтетін r қаш ықты ғына байланысты анықталады. Эле
ментар тербелістерді қосу интегралдық есептеулерді қажет етеді. Бұл
оте күрделі іс. Френель кѳрсеткендей бүл интегралдық есептеулерді
симметрияға сүйене отырып, қарапайым алгебралық, не графикалық
қосындылау арқылы анықтайды.
§10. Гюйгенс-Френель принципінің қолданылуы.
Френельдің зоналық тәсілдері
Төменде біз жарықтың дөңгелек тесік арқылы өту жағдайына то қ-
Iаламыз.
A
нүктелік жары қ кѳзі болсын.
онан
r
қа ш ы қты ққа
орналасқан, мѳлдір емес экрандағы дөңгелек тесік. Бүл т е с ік Л
нүктесінен шығатын сфералық толқы нны ң бір бѳлігін өткізеді.
Енді осы өткен толқы нны ң
р
нүктесіндегі әсерін қарастырайық.
Ол үш ін толқын бетін сақина зоналарға (Френель зоналарына) бөлеміз
(10.1-сурет). Онда мына төменгідей шарттың негізінде теңдіктер орын-
далатын болсын деген талап койылады
69
ВХР — В0Р = B2P —Bl P = B3P —В 2P = ... = À./2.
(
10
.
1
)
Сонда әрбір көрші зоналардан
р
нүктесіне келетін толқындардың
жол айырымы Я
/ 2
болады, яғни олар қарама-қарсы фазада келеді.
Енді зоналардың аудандарын анықтайық. Ол үш ін
р к
деп
k
-ш і
зонаның радиусын белгілейік
{к = 1
,
2
,
3
,...) .
10
.
2
-суретінен
р к
-н і та-
байық. Суреттен
Рк2 = R 2 - ( R - h y = r k2
R 2 - R 2 + 2 R J i- h 2 = r^
— ( ro +
々)2,
—
厂
o
2
一
2
r0/î
осьщан
h
(
10
.
2
)
+ f0
)
Ал
k
-m i зонаның радиусы
へ
жэне ол г
0
радиусы бар зонадан
кХ/2
қашықтықта орналасқан, сондықтан
し
=
厂
0 + た
Я/2.
(10.3)
(10.3)
тендігінің екі жағын квадраттайық та, одан
(гк~ -
г0")-т ы
табайық, сонда
гк2 =
r
02
+
r0kÀ
+
к 2
Я
2
/ 4 ,Я «
г0
осыдан
гк2 - г02 = г0к Л .
(10.4)
70
(10.4) ернегін (10.2) ге қойсақ, онда
h = kr0A
/
2(R
+ r0) .
(10.5)
Радиусы p
人
' болатын сфералық сегменттің ауданы мынаған тең
Д 5 , =
ЪіКҺ
.
( 1 0 . 6 )
(10.6) және (10.5) өрнектерін салыстырсақ
ASk =k2nR r0À /2 ( R + r 0) .
(10.7)
Бір зонаның ауданын табайық, сонда
AS = ASk - ^ S k_l = klnRr^X /2(R + r0) - ( k - l)2nRr0À
/
2{R
+ r
0
),
осьщан
AS = nRr0À /(R + r0),
(10.8)
(
10
.
8
)
өрнегінен зонаның ауданы
た
-ға байланыссыз екендігі шы-
гады. Ендеше зоналардың барлығының да аудандары жуықтап алғанда
бірдей. Демек,
р
нүктесіне эр зонадан келетін тербеліс амплитудасы
rk
қаш ықтығына жэне нормаль мен
rk
-н ің арасындағы бұрышқа бай
ланысты. Зонаның нөмері
к
өскен сайын,
rk
артады жэне көлбеулік
бүрышы да артады, сондықтан
р
нүктесіне келетін тербелістердің
амплитудасы бірқалыпты кемиді, яғни
〉
СІ2
〉
СІТ)
> Й
4
〉
СІ^
〉
〉
Д /,
〉
(10.9)
р
нүктесіне екі көрш і зонадан келетін тербелістер фазасы қара-
ма-қарсы болғандықтан,
k
зонасының әсерінен пайда болған
Ак
амп-
литудасы,былай анықталады
A t =
_ “ 2 + “ з
一
0 4 +
—…
土
“ /1 .
(10.10)
Бұл ѳрнекке былай өзгеріс жасаймыз
ах = а х / 2 + a j 2, аъ= а ъІ2 + аъ 12
т.с.с., сонда
k
тақ сан бол
ганда
Ак = ах /2 + (а} / 2 - а2
+
а3
/ 2 ) +
(аъ
/ 2 - а
4
+
а5
/ 2 ) +
+ … + (ß
ん
一
2 / 2 —
-\- й к 1
2 )+
а к
/ 2.
(10.10а)
Ал
k
ж ү п болса
Ак = ах/2 -\-(ах/ 2 - а2 + а ъ/2)-¥ {а3/ 2 - аА+ а5/ 2)+
+ . . . +
{ак_ъ
/
2
-
ак
一
2
+
ак_'
/
2
) +
ак-\
/
2
- а ,
(
10
.
10
б)
демек,
k
өскен сайын
ак
амплитудасы бірқалыпты кішірейеді, сон-
71
дықтан
а2 = а х/2 + а3/2 ,
яғни
ак = a k_ j 2 + ak+l/2 .
(
10
.
10
а), (
10
.
10
б) өрнектеріндегі жақша ішіндегі шамалар нөлге тең.
Демек,
k
тақ болғанда
Ак
=
а х/2-\- ак /2 .
(
10
.
11
)
Олай болса, k ж ұп болғанда
4
= а 1/2 + ак_]/ 2 - а к .
(Ю .
11
а)
Егер
к
шамасы көп болса, онда
(к
- 1 ) мен
k
-н ің бір-бірінен
шамалы ғана айырмашылығы болады, ендеше
ak_x 1 2 - ак = ак
丨
2,
деп
жазуға болады. Сонда (10.11) жэне (10.11а) ѳрнектері мына түрге келеді
Ак = а '! 2 ± а к
丨
1 .
(
10
.
12
)
М ұндағы плюс таңбасы тақ санды зонаға, ал минус-ж үп санды зонаға
тиісті.
Толқын бетінің экрандағы тесікке сиятын бөлігіндегі зонаның саны
тесіктің өлшемінің
又
толқын ұзындығына қатынасына және оның тұрған
орнына тәуелді болады. (
10
.
2
) суретінен мынадай қатынас жазамыз
Рк - гк
_ (厂
0
+
た)2
=
гк - го
2к
「
2г0һ - һ 2,
м ұнда
Һ « г0
деп
есептесек,
}г2 -
о
болады,
сонда
р к' = Гк2 - г 0~ - 2 г 0һ,
бүған (10.5) тендеуінен
た
-тьщ мәнін қойсақ
және
ук2 -
厂
о2
айырымына (10.4) өрнегінен мәнін қойсақ, оңца мына
дай тендік аламыз
Р І - r0kÀ - 2r0k
----- -------
(
沢
+ r
0
)
2
,
осьщан
p 卜
бүдан
72
Демек, (10.13) ѳрнегіндегі
р к
экрандағы қарастырылып отырған
іесіктің радиусы болады. Сонымен біз р радиусына сиятын зоналар
санын былай табамыз
,
p p(R + r0)
‘
( Ш 4 )
Экранға түсетін толқын беті жалпак болса (яғни
r
=
онда
(10.14) ѳрнегі мына түрге келеді
немесе
к = рос
丨入
,
(10.14а)
мұндағы
ОС = p / r 0 ,
ол Р нүктесінен қарағанда экрандағы тесіктің
көріну бүрышы. Р нүктесіндегі амплитудалардың қосындысы ашық
зоналарының саны
к
-дан тәуелді. Берілген толқы н үзындығы үш ін,
экранный, тұрған орны, ондағы тесіктің өлшемі
(À, R
жэне
р ) к
ашық зоналар саны жэне
Р
нүктесінің жағдайымен анықталады.
Р -
нің әр түрлі нүктелері үш ін
к
-ны ң да мәндері әр түрлі;
к
-тақ бол
ганда
Р
-н ің нүктесіндегі
Ак
амплитудалар қосындысы үлкен,
дл к -
жүп болғанда, ол кіш і. Тербеліс энергиясы амплитуда квадратымен
анықталады. Сондықтан 5
0
А / бағытымен қарағанда біз жарықталы-
нудың бірде күш ейіп, бірде бәсендейтінін байқаймыз.
R
және г
0
-дің берілгендері үш ін, яғни ж ары қ кѳзі мен экранның
тесігінің және бақылау нүктесі
Р
-н ің орналасуына қарай сол
Р
нүктесінің жарықталынуы тесіктің ѳлшемі р -дан және оның Я
一
ге
қатынасынан тәуелді.
Демек, біз мынадай қортындыға келеміз: ж ары қ түзу сызықпен
таралмайды.
р
нүктесіндегі жарықтану С
,
С ” тесіктің өлшеміне және
орналасуына байланысты. Ол толқын бетінің аш ы қ бөлігінде жатқан
барлық нүктелердің әрекетіне байланысты анықталады.
Егер С ’С ” шексіздікке дейін үлкейтсек, яғни толқы н шебін (бетін
S
-ті) кѳлегейлемесек, онда соңғы
ак
зонасының әсері шексіз аз бола
ды да
Р
нүктесінде амплитудалардың қосындысы (10.12) тендеуден
былай анықталады
л
ai
(10-15)
73
Егер С
て
” тесігінің өлшеміне
Р
нүктесімен салыстырғанда, тақ
санды зоналар сыйса, онда
Р
нүктесіне келетін амплитуда
қосындысы мынаған тең болады
Бүл
амплитуда то л қы н шебі аш ы қ болғандағыдан кө п .
Р
нүктесінде амплитуда максимум болу үш ін, ол нүкте тесіктің ауданы-
на бір ғана зона сиятындай қа ш ы қты ққа орналасуы керек, сонда
た
=
1
;
Al = а1,
яғни бүл
Ат
- тен
2
есе көп.
Зонаның саны өте көп болса
ак І 2
өте аз болады, онда
Ак
ампли
тудасы
амплитудасынан өзгешелігі шамалы. Ал,
амплитудасы
жары қ жолында ешқандай тесік болмағанда байқалуға тиісті. Бүдан,
егер ашық зоналар саны өте көп болса, онда
р
нүктесіндегі жарықта-
ну шамасына, С
,
С” тесігінің өлшемі еш эсер етпейді. Сонымен біз
толқын теориясының көзқарасы бойынша, жарықтың түзу сызықпен
таралатьшы тек ашық зоналар саны өте көп болған жагдайда орындалы-
натындығьш көреміз.
Мысалы,
Р
нүктесінен
г0
= 0 ,5 м қаш ы қтыққа орналасқан тесіктің
радиусы р =
5
-10
J м, ал ж азы қ толқы нны ң шебі
(R =
оо) болсын
және толқы н ұзындығы Д —
5
. ю
—
7
м болса, онда (10.14) өрнегін пай
даланып, зона санын былай анықтауымызға болады
Егер жарық түзу сызықпен таралса, онда бүл есептеуге қарағанда,
зонаның номерін көбейткенмен
р
нүктесіндегі жарықтану өзгермейді.
Д ем е к,
р
н ү к т е с ін ің қ а ш ы қ т ы ғ ы н а ртты рса қ, мысалы радиу-
с ы р =
5
• Ю
_3
м тесіктен 50 м қа ш ы қты ққа орналасқан
р
нүктесі
үш ін сол тесіктің ауданына тек бір ғана зона сияды.
Зоналық пластинка. Қ о р тқы амплитуданы табу үш ін қолданыла-
тын Френельдің зоналық әдісі мынадай қорытындыға келтіреді:
1
. Толқын шебі толығымен аш ы қ болғандағы қо ртқы амплитуда
сол нүктенің 1-ші зонасының тудырған интенсивтілігінің 1/4 бөлігіне
тең ( /
- А 2).
2. Егер мөлдір емес экрандағы дөңгелек тесіктің ауданы оған
Френельдің бірінш і зонасы сиятындай етіп алынса, онда бақыланатын
нүктедегі оның интенсивтілігі толқын шебі толығымен аш ы қ болған-
дағы интенсивтіліктен 4 есе көп.
(10.16)
, 5 - 1 0
一
3 5 10
к =
---------
-
----------
5 -IO"7
0,5
100
74
3.
Егер барлық ж ұп ( не барлық тақ ) Френель зоналарын жапса,
онда қо ртқы амплитуда мынаған тең болады
(немесе
Ак = а2 + а4 + а6
+ ... +
ак+х
)
(10.17)
ягни мүндай жабу кезінде бақылау нүктесіндегі интенсивтілік, оны
жапқанға дейінгіден едәуір көп болады.
4.
Егер барлық ж үп (немесе тақ) зоналардың фазаларын қарама-
қарсыға ѳзгертсек, онда
Ак = а і+ а 2 ^ ^ ^ ^ с і4 + -.- + ак
(10.18)
болады да, интенсивтілік одан әрі көбейеді.
Бірінен соң бірі алмасып отыратын радиусы
Рк
roR
R + П
сақиналарды плас-
мѳлдір ү ш ін , ал
(откен тақырыпты қараңыз) мелдір және мөлдір емес
тинкадан дайындайы қ (мұндағы
к
= 0,2,4,6,
."
к -
1,3,5… мөлдір емес сақиналар үш ін). Енді осы пластинканы д р
сызығына перпендикуляр жарық кѳзі
А
дан
R
қаш ы қты қтағы
В0
нүктесіне орналастырайық (10.2-суретке қараңыз). Жоғарьщағы айтылған
ескертулер бойынша,
Р
нүктесінде интенсивтіліктің пластинка ж о қ-
тағыдан жоғары болатынын кѳреміз. Тәжірибе мұның дүрыстығын
корсетеді. Пластинка Ньютон сақиналарының кѳмегімен жасалады.
Осындай тәсілмен жасалынған пластинканы Френельдің зоналық плас-
тшікасы дейді. Френельдің зоналық пластиналары ақ қағазға концентрлі
шеңбер сызу арқылы да жасалады. Ол шеңбердің радиустары 1,2,3.•• сан-
дардың квадрат түбіріне пропорционал болады. Бүл бейнені суретке
түсірілгеннен кейін, одан зоналық пластинка болып табылатын концентр-
ленген диапозитив жасалынады.
З оналы қ пластинка арқы лы
сүзілген жарық толқынының шебі
р
нүктесінде (
10
.
2
-сурет) жоғарьщағы
келтірілген (10.17) өрнегімен аны қ-
талатын қортқы амплитуданы береді.
Демек,
р
нүктесінде зоналық плас-
тинка болмаған жағдаймен салыстыр-
ғанда, пластинка бар болған жагдай
да, жарықтану ежептәуір үлкен болады. Тәжірибенің көрсетуіне қара-
ғанда, шындығында да, зоналық пластинка
р
нүктесінде жарықтануды
жинағыш линза секілді көбейтеді.
75
10.3
2 n j ( n tu- n a) = n
немесе
h = 2{пш- п а) ^
(10.3) суретінде зоналық пластинкалардың:
а) аш ы қ тақ зоналар;
б) аш ық ж үп зоналар жағдайлары бейнеленген.
Ж ары қ тиімді болу үш ін Вуд
1
ж ү п және тақ зоналардың оптика
л ы к қалындығы Я / 2
тең болатын пластинкалар дайындады. Ол
үш ін шыны бетіне лактың ж үқа қабатын жағып, зоналық пластинка
алу үш ін оған гравировка жасады.
Егер осы пластинканы В() нүктесіне апарып қойса (10.2-сурет),
онда эрбір зонадан Р нүктесіне келетін тербелістердің фазалары бірдей
болады. Сондықтан қортқы амплитуда барлық тақ және ж ұп зоналар
амплитудаларының қосындысына тең.
Осындай тиімділік жағдайды сатылы зоналык пластинка жасаған-
да да алуға болады (10.4-сурет). Ж ұп және тақ зоналардан келетін
тербелістердің көрші зонамен салыстырғавда фа-
залары
п
-ге өзгеруі үш ін сатының қалыңдығы
тандап алу керек, яғни мына шарт орындалуы
- і _
қажет
JT^
мүндағы
пш
—ш ы ны ны ң,
па
—ауаның сыну
көрсеткіштері.
10.4
Достарыңызбен бөлісу: |