Altı mühüm hadisə yolunda maneə ilə qarşılaşdıqda işıq dalğasının davranışını təsvir edir. Bu hadisələrə işığın əks olunması, sınması, qütbləşməsi, dispersiyası, müdaxiləsi və difraksiyası daxildir. Bu məqalə onlardan sonuncusuna diqqət yetirəcək.
İşığın təbiəti və Tomas Yanqın təcrübələri haqqında mübahisələr
17-ci əsrin ortalarında işıq şüalarının təbiəti ilə bağlı bərabər şərtlərdə iki nəzəriyyə var idi. Onlardan birinin banisi işığın sürətlə hərəkət edən maddə hissəciklərinin toplusu olduğuna inanan İsaak Nyutondur. İkinci nəzəriyyə holland alimi Kristian Huygens tərəfindən irəli sürülüb. O, işığın səsin havada yayıldığı kimi bir mühitdə yayılan xüsusi dalğa növü olduğuna inanırdı. Huygensə görə işıq üçün vasitə efir idi.
Efiri heç kim kəşf etmədiyindən və o dövrdə Nyutonun nüfuzu böyük olduğundan Huygensin nəzəriyyəsi rədd edildi. Lakin 1801-ci ildə ingilis Tomas Yanq belə bir təcrübə apardı: o, monoxromatik işığı bir-birinə yaxın yerləşən iki dar yarıqdan keçirdi. keçiro, işığı divara yönəltdi.
Bu təcrübənin nəticəsi nə oldu? Əgər işıq Nyutonun inandığı kimi hissəciklər (korpuskullar) olsaydı, o zaman divardakı təsvir yarıqların hər birindən çıxan iki parlaq lentə uyğun olardı. Ancaq Jung tamamilə fərqli bir mənzərə müşahidə etdi. Divarda bir sıra tünd və açıq zolaqlar peyda oldu, hətta hər iki yarıqdan kənarda da işıq xətləri göründü. Təsvir edilən işıq modelinin sxematik təsviri aşağıdakı şəkildə göstərilmişdir.
Bu şəkil bir şeyi deyirdi: işıq dalğadır.
Difraksiya fenomeni
Yanqın təcrübələrindəki işıq nümunəsi işığın interferensiya və difraksiya hadisələri ilə bağlıdır. Hər iki hadisəni bir-birindən ayırmaq çətindir, çünki bir sıra təcrübələrdə onların birləşmiş təsiri müşahidə oluna bilər.
İşığın diffraksiyası onun yolunda ölçüləri dalğa uzunluğu ilə müqayisə edilə bilən və ya ondan az olan maneə ilə qarşılaşdıqda dalğa cəbhəsinin dəyişdirilməsindən ibarətdir. Bu tərifdən aydın olur ki, difraksiya təkcə işıq üçün deyil, həm də hər hansı digər dalğalar, məsələn, səs dalğaları və ya dəniz səthindəki dalğalar üçün xarakterikdir.
Bu fenomenin təbiətdə niyə müşahidə oluna bilmədiyi də aydındır (işığın dalğa uzunluğu bir neçə yüz nanometrdir, ona görə də istənilən makroskopik obyektlər aydın kölgələr salır).
Huygens-Fresnel prinsipi
İşığın difraksiyası hadisəsi adı çəkilən prinsiplə izah olunur. Onun mahiyyəti belədir: yayılan düzxətli düzdalğa cəbhəsi ikinci dərəcəli dalğaların həyəcanlanmasına səbəb olur. Bu dalğalar sferikdir, lakin mühit homojendirsə, bir-birinin üstünə qoyulursa, onlar orijinal düz cəbhəyə aparacaqlar.
Hər hansı bir maneə görünən kimi (məsələn, Yunqun təcrübəsində iki boşluq) o, ikinci dərəcəli dalğaların mənbəyinə çevrilir. Bu mənbələrin sayı məhdud olduğundan və maneənin həndəsi xüsusiyyətləri ilə müəyyən edildiyindən (iki nazik yarıq vəziyyətində, yalnız iki ikinci dərəcəli mənbə var), nəticədə yaranan dalğa artıq orijinal düz cəbhəni yaratmayacaqdır. Sonuncu öz həndəsəsini dəyişəcək (məsələn, sferik forma alacaq), üstəlik, onun müxtəlif hissələrində işıq intensivliyinin maksimal və minimumları görünəcək.
Hüygens-Fresnel prinsipi işığın interferensiya və difraksiya hadisələrinin ayrılmaz olduğunu nümayiş etdirir.
Difraksiyanı müşahidə etmək üçün hansı şərtlər lazımdır?
Onlardan biri artıq yuxarıda qeyd olunub: bu, kiçik (dalğa boyu sırası ilə) maneələrin olmasıdır. Əgər maneə nisbətən böyük həndəsi ölçülərə malikdirsə, onda difraksiya nümunəsi yalnız onun kənarlarının yaxınlığında müşahidə olunacaq.
İşığın difraksiyasının ikinci vacib şərti müxtəlif mənbələrdən gələn dalğaların koherensiyasıdır. Bu o deməkdir ki, onların daimi faza fərqi olmalıdır. Yalnız bu halda, müdaxilə səbəbindən sabit mənzərəni müşahidə etmək mümkün olacaq.
Mənbələrin uyğunluğu sadə yolla əldə edilir, bir mənbədən istənilən işıq cəbhəsini bir və ya bir neçə maneədən keçmək kifayətdir. Bunlardan ikinci dərəcəli mənbələrmaneələr artıq ardıcıl olaraq fəaliyyət göstərəcək.
Qeyd edək ki, işığın interferensiyasını və difraksiyasını müşahidə etmək üçün ilkin mənbənin monoxromatik olması heç də vacib deyil. Bu, difraksiya ızgarasını nəzərdən keçirərkən aşağıda müzakirə ediləcək.
Fresnel və Fraunhofer difraksiyası
Sadə dillə desək, Fresnel difraksiyası yarığa yaxın yerləşən ekranda nümunənin tədqiqidir. Fraunhofer difraksiyası isə yarığın enindən çox daha böyük məsafədə əldə edilən nümunəni hesab edir, əlavə olaraq, yarıqdakı dalğa cəbhəsinin düz olduğunu güman edir.
Bu iki növ difraksiya onlardakı nümunələr fərqli olduğuna görə fərqlənir. Bu, nəzərdən keçirilən fenomenin mürəkkəbliyi ilə əlaqədardır. Məsələ burasındadır ki, difraksiya məsələsinin dəqiq həllini əldə etmək üçün Maksvellin elektromaqnit dalğaları nəzəriyyəsindən istifadə etmək lazımdır. Daha əvvəl qeyd olunan Huygens-Fresnel prinsipi praktiki olaraq istifadə edilə bilən nəticələr əldə etmək üçün yaxşı bir təxmindir.
Aşağıdakı rəqəm ekran yarıqdan uzaqlaşdıqda difraksiya nümunəsindəki təsvirin necə dəyişdiyini göstərir.
Şəkildə qırmızı ox ekranın yarığa yaxınlaşma istiqamətini göstərir, yəni yuxarı rəqəm Fraunhofer difraksiyasına, aşağı rəqəm Fresnelə uyğun gəlir. Gördüyünüz kimi, ekran yarığa yaxınlaşdıqca şəkil daha mürəkkəb olur.
Məqalənin sonrakı hissəsində biz yalnız Fraunhofer difraksiyasını nəzərdən keçirəcəyik.
Nazik yarıqla diffraksiya (düsturlar)
Yuxarıda qeyd edildiyi kimi,difraksiya nümunəsi maneənin həndəsəsindən asılıdır. Dalğa uzunluğu λ olan monoxromatik işıqla işıqlandırılan a enində nazik yarıq vəziyyətində
bərabərliyinə uyğun gələn bucaqlar üçün minimumların (kölgələrin) mövqeləri müşahidə oluna bilər.
sin(θ)=m × λ/a, burada m=±1, 2, 3…
Burada teta bucağı yuvanın mərkəzini və ekranı birləşdirən perpendikulyardan ölçülür. Bu düstur sayəsində ekranda dalğaların tam söndürülməsinin hansı bucaqlarda baş verəcəyini hesablamaq mümkündür. Üstəlik, difraksiya sırasını, yəni m sayını hesablamaq mümkündür.
Söhbət Fraunhofer difraksiyasından getdiyinə görə L>>a, burada L yarıqdan ekrana qədər olan məsafədir. Son bərabərsizlik bucağın sinüsünü y koordinatının L məsafəsinə sadə nisbəti ilə əvəz etməyə imkan verir ki, bu da aşağıdakı düstura gətirib çıxarır:
ym=m×λ×L/a.
Burada ym ekrandakı minimum m sifarişinin mövqe koordinatıdır.
Yarıq difraksiya (analiz)
Əvvəlki paraqrafda verilmiş düsturlar dalğa uzunluğunun λ və ya yarıq eninin a dəyişməsi ilə difraksiya modelindəki dəyişiklikləri təhlil etməyə imkan verir. Beləliklə, a-nın dəyərinin artması birinci dərəcəli minimum y1 koordinatının azalmasına gətirib çıxaracaq, yəni işıq dar mərkəzi maksimumda cəmləşəcək. Yarığın eninin azalması mərkəzi maksimumun uzanmasına səbəb olacaq, yəni bulanıq olur. Bu vəziyyət aşağıdakı şəkildə təsvir edilmişdir.
Dalğa uzunluğunun dəyişdirilməsi əks effekt verir. λ-nin böyük dəyərlərişəklin bulanmasına səbəb olur. Bu o deməkdir ki, uzun dalğalar qısa olanlardan daha yaxşı diffrasiya edir. Sonuncu optik alətlərin ayırdetmə qabiliyyətinin müəyyən edilməsində əsas əhəmiyyət kəsb edir.
Optik alətlərin diffraksiyası və ayırdetmə qabiliyyəti
İşığın difraksiyasının müşahidəsi teleskop, mikroskop və hətta insan gözü kimi hər hansı optik alətin ayırdetmə qabiliyyətinin məhdudlaşdırıcısıdır. Bu cihazlara gəldikdə, onlar difraksiyanı yarıqla deyil, yuvarlaq bir dəliklə nəzərdən keçirirlər. Buna baxmayaraq, əvvəllər edilən bütün nəticələr doğru olaraq qalır.
Məsələn, planetimizdən çox uzaqda olan iki parlaq ulduzu nəzərdən keçirəcəyik. İşığın gözümüzə daxil olduğu dəliyə bəbək deyilir. Torlu qişadakı iki ulduzdan hər birinin mərkəzi maksimumu olan iki difraksiya nümunəsi əmələ gəlir. Ulduzlardan gələn işıq bəbəyin içinə müəyyən kritik bucaq altında düşərsə, onda hər iki maksimum birləşəcək. Bu halda, şəxs tək ulduz görəcək.
Qətiyyət meyarı Lord J. W. Rayleigh tərəfindən müəyyən edilmişdir, ona görə də hazırda onun soyadını daşıyır. Müvafiq riyazi düstur belə görünür:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Burada D dairəvi dəliyin diametridir (linza, göz bəbəyi və s.).
Beləliklə, linza diametrini artırmaq və ya uzunluğu az altmaqla ayırdetmə qabiliyyəti artırıla bilər (θc azaldın)dalğalar. Birinci variant insan gözü ilə müqayisədə θc-ni bir neçə dəfə az altmağa imkan verən teleskoplarda həyata keçirilir. İkinci variant, yəni λ azaldılması oxşar işıq alətlərindən 100.000 dəfə daha yaxşı ayırdetmə qabiliyyətinə malik elektron mikroskoplarda tətbiq tapır.
Difraksiya barmaqlığı
Bir-birindən d məsafəsində yerləşən nazik yuvalar toplusudur. Dalğa cəbhəsi düzdürsə və bu ızgaraya paralel düşürsə, o zaman maksimalların ekrandakı mövqeyi
ifadəsi ilə təsvir olunur.
sin(θ)=m×λ/d, burada m=0, ±1, 2, 3…
Düstur göstərir ki, sıfır səviyyəli maksimum mərkəzdə baş verir, qalanları bəzi θ bucaqlarında yerləşir.
Düsturda θ-nin λ dalğa uzunluğundan asılılığı olduğundan, bu o deməkdir ki, difraksiya ızgarası işığı prizma kimi rənglərə parçalaya bilər. Bu fakt spektroskopiyada müxtəlif işıq saçan obyektlərin spektrlərini təhlil etmək üçün istifadə olunur.
İşıq difraksiyasının bəlkə də ən məşhur nümunəsi DVD-də rəng çalarlarının müşahidəsidir. Onun üzərindəki yivlər işığı əks etdirərək onu bir sıra rənglərə parçalayan difraksiya barmaqlığıdır.
