ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА, явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие Д. с. при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрич. оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос (рис. 1

и 2). Поскольку дифракция свойственна всякому волновому движению, открытие Д. с. в 17 в. итальянским физиком и астрономом Ф. Гримальди и её объяснение в начале 19 в. французским физиком О. Френелем явились одним из основных доказательств волновой природы света.

Рис. 1. Тень винта, окружённая дифракционными полосами.

Приближённая теория Д. с. основана на применении Гюйгенса-Френеля принципа. Для качественного рассмотрения простейших случаев Д. с. может быть применено построение зон Френеля. При прохождении света от точечного источника через небольшое круглое отверстие в непрозрачном экране (рис. 2, а) или вокруг круглого непрозрачного экрана (рис. 2, б) наблюдаются дифракционные полосы в виде концентрич. окружностей.

Рис. 2. Дифракционные кольца при прохождении света: а - через круглое отверстие; б - вокруг круглого экрана.

Если отверстие оставляет открытым чётное число зон, то в центре дифракционной картины получается тёмное пятнышко, при нечётном числе зон - светлое. В центре тени от круглого экрана, закрывающего не слишком большое число зон Френеля, получается светлое пятнышко.

Различают 2 случая Д. с. - дифракция сферич. волны, при к-рой размер отверстия сравним с размером зоны Френеля, т. е. b~КОРЕНЬ(zX), где b -размер отверстия, z - расстояние точки наблюдения от экрана, X - длина волны (дифракция Френеля), и Д. с. в параллельных лучах, при к-рой отверстие много меньше одной зоны Френеля, т. е. b<<КОРЕНЬ(zX) (дифракция Фраунгофера). В последнем случае при падении параллельного пучка света на отверстие пучок становится расходящимся с углом расходимости ф ~ Х/b (дифракционная расходимость).

Рис. 3. Дифракция Фраунгофера на щели.

Большое практич. значение имеет случай Д. с. на щели. При освещении щели параллельным пучком монохроматич. света на экране получается ряд тёмных и светлых полос, быстро убывающих по интенсивности. Если свет падает перпендикулярно к плоскости щели, то полосы расположены симметрично относительно центральной полосы (рис. 3), а освещённость меняется вдоль экрана периодически с изменением ф, обращаясь в нуль при углах ср, для к-рых sin ф = m Х/b (m = = 1,2,3,...). При промежуточных значениях освещённость достигает макс, значений. Главный максимум имеет место при m=0, при этом sin ф = 0, т. е. ф = 0. Следующие максимумы, значительно уступающие по величине главному, соответствуют значениям ф, определённым из условий: sin = l,43X/b; 2.46Х/6b; 3,47 Х/b и т. д.

С уменьшением ширины щели центральная светлая полоса расширяется, а при данной ширине щели положение минимумов и максимумов зависит от X, т. е. расстояние между полосами тем больше, чем больше X. Поэтому в случае белого света имеет место совокупность соответствующих картин для разных цветов. При этом главный максимум будет общим для всех X и представится в виде белой полоски, переходящей в цветные полосы с чередованием цветов от фиолетового к красному.

Если имеются 2 идентичные параллельные щели, то они дают одинаковые накладывающиеся друг на друга дифракционные картины, вследствие чего максимумы соответственно усиливаются, а кроме того, происходит взаимная интерференция волн от первой и второй щелей, значительно осложняющая картину. В результате минимумы будут на прежних местах, т. к. это те направления, по к-рым ни одна из щелей не посылает света. Кроме того, возможны направления, в к-рых свет, посылаемый двумя щелями, взаимно уничтожается. Т. о., прежние минимумы определяются условиями: b sin ф = X, 2Х, ЗХ, . ., добавочные минимумы d sin ф = = Х/2, ЗХ/2, 5Х/2, ... (d - размер щели b вместе с непрозрачным промежутком а), главные максимумы d sin ф = 0,Х, 2Х, ЗХ, ..., т. е. между двумя главными максимумами располагается один добавочный минимум, а максимумы становятся более узкими, чем при одной щели. Увеличение числа щелей делает это явление ещё более отчётливым (см. Дифракционная решётка).

Д. с. играет существенную роль при рассеянии света в мутных средах, напр. на пылинках, капельках тумана и т. п. На Д. с. основано действие спектральных приборов с дифракционной решёткой (дифракционных спектрометров). Д. с. определяет предел разрешающей способности оптич. приборов (телескопов, микроскопов и др.). Благодаря Д. с. изображение точечного источника (напр., звезды в телескопе) имеет вид кружка с диаметром Xf/D, где D - диаметр объектива, a f - его фокусное расстояние. Расходимость излучения лазеров также определяется Д. с. Для уменьшения расходимости лазерного пучка его преобразуют в более широкий пучок при помощи телескопа, и тогда расходимость излучения определяется диаметром D объектива по формуле ф~Х/О.

Лит.: Ландсберг Г. С.. Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959, гл. 9.