Реферат Тақырыбы: Жарық дифракциясы. Гюйгенс-Френель принципі Орындаған: Жанаөмірова. С. Ж. Қабылдаған: Тунгушбекова. М. К

Жарық дифракциясы. Егер жарықтың өзі толқындық процесс болса, онда интерференциядан басқа жарықтың дифракциясы да байқалуы тиіс. Өйткені дифракция – толқындардың бөгеттерді орап өтуі – әрбір толқындық қозғалысқа тән нәрсе. Бірақ жарық дифракциясын бақылау оңай емес. Оның себебі, егер бөгеттің өлшемдері жарық толқынының ұзындығымен салыстырарлықтай болса, онда толқын бөгетті елеулі түрде орап өтеді. Бірақ жарық толқынының ұзындығы өте аз.

Жіңішке жарық шоғын тар тесік арқылы өткізіп, жарықтың түзу сызықпен таралу заңынан ауытқуын бақылауға болады. Тесіктің қарсысында пайда болатын ақ дақтың өлшемі, жарықтың түзу сызықпен таралғандағысындай емес, үлкен болады.

Юнг тәжірибесі. Жарық интерференциясын ашқан Т. Юнг 1802 жылы дифракциядан классикалық тәжірибе жасады. Мөлдір емес қалқаға, ол түйреуішпен бір-біріне жақын, кішкене екі В және С тесік жасады. Бұл тесіктер екінші қалқаға кішкене А тесіктен өткен жіңішке жарық шоғымен жарықталды. Ол кезде олай ойлап табуы оңай емес, дәл осы жайт тәжірибенің сәтті болуына себеп болды. Тек когерентті толқындар ғана интерференцияланады. Гюйгенс принципіне сәйкес А тесіктен пайда болатын сфералық толқын В мен С тесіктерде когерентті толқындар туғызады. Дифракция салдарынан В мен С тесіктерде, аздап бірін-бірі жабатын, екі жарық конус шықты. Жарық толқындарының интерференциясы нәтижесінен, экранда кезектесіп келетін ашық және көмескі жолақтар пайда болды. Тесіктердің бірін жауып, Юнг интерференциялық жолақтардың жоғалып кеткенін көрді. Міне, дәл осы тәжірибе арқылы Юнг алғаш рет, әртүсті жарық сәулелеріне сәйкес келетін, толқындар ұзындығын өте дәл өлшеді.

Френель теориясы. Дифракцияны зерттеу О. Френель еңбектерімен тиянақталды. Френель тәжірибе кезінде дифракцияның түрлі жағдайларын мұқият зерттеп қана қойған жоқ, дифракцияның сандық теориясын да жасады, ол теория, жарық әйтеуір бір бөгетті орап өткен кезде пайда болатын, дифракциялық көріністі есептеуге мүмкіндік берді. Ол тағы алғаш рет толқындық теория тұрғысынан жарықтың біртекті ортада түзу сызықпен таралуына анық түсінік берді. Френель бұл табыстарға, Гюйгенс принципін екінші реттік толқындардың интерференция идеясымен біріктіріп барып, жеткен болатын. Френель идеясы бойынша кез келген уақыт мезетіндегі толқындық бет дегеніміз айналып өтетін екінші реттік толқындардың жай ғана өзі емес, олардың интерференцияларының нәтижесі (Гюйгенс – Френель принципі).

Кеңістіктің кез келген нүктесіндегі жарық толқынының амплитудасын есептеп шығару үшін жарық көзін ойша тұйық бетпен қоршау керек. Осы бетке орналасқан екінші реттік жарық көздерінің толқындар интерференциясы кеңістіктің қарастырылып отырған нүктесіндегі амплитуданы анықтайды.

Осындай есептеулер, сфералық толқындар шығаратын нүктелік жарық көзінен шыққан жарық кеңістіктің кез келген В нүктесіне қалай жеткенін түсінуге мүмкіндік берді. Егер радиусы R сфералық толқын беттегі екінші реттік жарық көздерін қарастырсақ, онда В нүктеде сол жарық көздерінен туған екінші реттік толқындар интерференциясының нәтижесі, В нүктеге кішкене сфералық сегменттегі тек екінші реттік жарық көзі ғана жіберген жарықтай болады екен. Беттің қалған бөліктеріне орналасқан жарық көздерінен шыққан екінші реттік толқындар интерференция нәтижесінде бірін-бірі өшіреді. Сондықтан барлық жарық тек қана SB түзуінің бойымен, яғни түзу сызықты таралғандай болады.

Сонымен қатар Френель дифракцияны түрлі бөгеттерде сандық жағынан қарастырды. 1818 жылы француз Ғылым академиясының мәжілісінде бір қызық жағдай болды. Мәжіліске қатысқан ғалымдардың біреуі Френель теориясынан ақылға қонбайтын бір факті келіп шығатынына көңіл аударады. Тесіктердің белгілі бір өлшемінде, тесіктен жарық көзіне дейінгі белгілі бір ара қашықтықта, ақ дақтың центрінде күнгірт дақ болуға тиіс. Кішкене мөлдір емес дискінің сыртында, керісінше, көлеңкенің центрінде ақ дақ болуы тиіс. Жасалған эксперименттер шынында солай болатынын дәлелдегенде, ғалымдар таң қалды.

Түрлі бөгеттерден дифракциялық көрініс. Жарық толқынының ұзындығы өте кіші болғандықтан, жарықтың түзу сызықпен таралу бағытынан ауытқу бұрышы кішкене болады. Сондықтан дифракцияны мұқият бақылау үшін не өте кішкене бөгеттерді пайдалану керек, не экранды бөгеттен алыс қою керек. Егер экранға дейінгі қашықтық жүздеген метрге немесе бірнеше километрге жететін болса, онда дифракцияны өлшемдері бірнеше километр бөгеттерде байқауға болады.

Геометриялық оптиканың қолданылатын шекаралары. Физикалық теориялардың барлығы табиғатта шын болатын процестерді жуық түрде бейнелейді. Кез келген теория үшін, оның қолданылатын белгілі бір шекарасын көрсетуге болады. Нақтылы жағдайда берілген теорияны қолдануға бола ма, әлде жоқ па? Бұл осы теорияға қатысты дәлдікке ғана емес, сондай- ақ белгілі бір практикалық есепті шығарғанда қандай дәлдік талап етілетініне де тәуелді болады. Теорияның шекараларын сол құбылыстарды қамтитын неғұрлым жалпы теория жасалғаннан кейін көрсетіп тағайындауға болады.

Осы жалпы қағидалардың барлығының геометриялық оптикаға да қатысы бар. Бұл теория жуық теория болып табылады. Ол жарықтың интерференция және дифракция құбылыстарын түсіндіре алмайды. Неғұрлым жалпы және неғұрлым дәл теория – толқындық оптика. Жарықтың таралу жолындағы бөгеттердің өлшемдері жарық толқынының ұзындығынан көп үлкен болған жағдайда ғана жарықтың түзу сызықты таралу заңы мен геометриялық оптиканың басқа заңдары жеткілікті дәрежеде дәл орындалады. Бірақ олар ешқандай мүлде дәл орындалмайды.

Оптикалық приборлардың қызметін геометриялық оптика заңдары негізінде сипаттап беруге болады. Осы теорияға сәйкес біз микроскоптың көмегімен объектінің мейлінше ұсақ бөлшектерін айыра аламыз, телескоптың көмегімен екі жұлдыздың бұрыштық қашықтықтары мейлінше аз болғанда да олардың бар екенін анықтауға болады. Алайда шындығында олай емес және тек жарықтың толқындық теориясы ғана оптикалық приборлардың мүмкіндік қабілетінің шегі бар болу себептерін байқауға мүмкіндік береді.

Микроскоптың және телескоптың мүмкіндік қабілеті. Нәрсенің егжей-тегжейін ажырату немесе өте ұқсас нәрселерді микроскоп арқылы бақылау мүмкіншілігіне жарықтың толқындық табиғаты шек қояды. Ұсақ нәрселердің анық кескінін шығаруға дифракция мүмкіндік бермейді, өйткені жарық мүлтіксіз түзу сызықты болып таралмайды, нәрселерді орағытып өтеді. Сондықтан да кескін «бұлдыр» болып шығады. Егер нәрселердің «бұлдыр» кескіндері ұласып кетсе, ешбір үлкейту заттың егжей-тегжейін ажыратуға көмектеспейді. Нәрселердің сызықтық өлшемі жарық толқынының ұзындығынан қысқа болғанда осылай болады.

Телескоптың мүмкіндік қабілетіне де дифракция шек қояды. Толқындар дифракциясы салдарынан объектив оправасының шетінде жұлдыздардың кескіні нүкте болып түспейді, жарық және күңгірт сақиналар жүйесі түрінде болады. Егер екі жұлдыз бір-бірінен кішкене ғана бұрыштық қашықтықта болса, онда бұл сақиналар бір-бірімен беттеседі де, жарқырауық нүктенің біреу не екеу екенін көз айыра алмайды. Жарқырауық нүктелерді бір-бірінен ажыратуға мүмкіндік беретін олардың арасындағы шекті бұрыштық қашықтықты толқын ұзындығының объектив диаметріне қатынасы арқылы анықтауға болады.

Бұл мысал дифракция құбылысы кез келген бөгетте, ылғи да болып тұратынын көрсетеді. Аса нәзік бақылаулар да, толқын ұзындығы анағұрлым үлкен бөгеттер үшін де оны елемеуге болмайды.

Жарықтың дифракциясы геометриялық оптиканың түсін айқындап береді. Жарықтың бөгетті айналып өтуі аса маңызды оптикалық құралдардың – телескоп пен микроскоптың – мүмкіндік қабілетіне шек қояды.