Dalğa difraksiyası fenomeni işığın dalğa təbiətini əks etdirən təsirlərdən biridir. 19-cu əsrin əvvəllərində işıq dalğaları üçün kəşf edilmişdir. Bu yazıda biz bu fenomenin nə olduğunu, riyazi olaraq necə təsvir edildiyini və tətbiqini harada tapdığını nəzərdən keçirəcəyik.
Dalğa difraksiya fenomeni
Bildiyiniz kimi, hər hansı bir dalğa, istər işıq, istər səs, istərsə də suyun səthində, homojen mühitdə, düz yol boyunca yayılır.
Düz səthə malik və müəyyən istiqamətdə hərəkət edən dalğa cəbhəsini təsəvvür edək. Bu cəbhənin yolunda bir maneə olsa nə olacaq? Hər hansı bir şey maneə kimi xidmət edə bilər (daş, bina, dar boşluq və s.). Belə çıxır ki, maneəni keçdikdən sonra dalğa cəbhəsi daha düz olmayacaq, daha mürəkkəb forma alacaq. Beləliklə, kiçik yuvarlaq bir çuxur vəziyyətində, ondan keçən dalğa cəbhəsi sferik olur.
Dalğanın yolda maneə ilə qarşılaşdığı zaman yayılma istiqamətinin dəyişməsi hadisəsinə difraksiya (latınca diffractus) deyilir."sınıq").
Bu fenomenin nəticəsi budur ki, dalğa heç vaxt düzxətli hərəkəti ilə vurmayacağı maneənin arxasındakı boşluğa nüfuz edir.
Dəniz sahilində dalğa difraksiyasına nümunə aşağıdakı şəkildə göstərilmişdir.
Difraksiya müşahidə şərtləri
Maneədən keçərkən dalğanın qırılmasının yuxarıda təsvir edilmiş təsiri iki amildən asılıdır:
- dalğaboyu;
- maneənin həndəsi parametrləri.
Dalğanın difraksiyası hansı şəraitdə müşahidə olunur? Bu sualın cavabını daha yaxşı başa düşmək üçün qeyd etmək lazımdır ki, nəzərdən keçirilən hadisə həmişə dalğanın maneə ilə qarşılaşdığı zaman baş verir, ancaq dalğa uzunluğu maneənin həndəsi parametrləri sırasına uyğun olduqda nəzərə çarpır. İşıq və səsin dalğa uzunluqları ətrafımızdakı cisimlərin ölçüsü ilə müqayisədə kiçik olduğundan, difraksiyanın özü yalnız bəzi xüsusi hallarda görünür.
Dalğanın difraksiyası niyə baş verir? Huygens-Fresnel prinsipini nəzərə alsaq, bunu başa düşmək olar.
Huygens prinsipi
XVII əsrin ortalarında holland fiziki Kristian Huygens işıq dalğalarının yayılmasının yeni nəzəriyyəsini irəli sürdü. O hesab edirdi ki, səs kimi işıq da xüsusi mühitdə - efirdə hərəkət edir. İşıq dalğası efir hissəciklərinin vibrasiyasıdır.
Nöqtəli işıq mənbəyinin yaratdığı dalğavari sferik cəbhəni nəzərə alaraq Huygens belə bir nəticəyə gəldi: hərəkət prosesində cəbhə bir sıra fəza nöqtələrindən keçir.yayım. Onlara çatan kimi onu tərəddüd edir. Sallanan nöqtələr, öz növbəsində, Huygens ikinci dərəcəli adlandırdığı yeni nəsil dalğalar yaradır. Hər bir nöqtədən ikinci dərəcəli dalğa sferikdir, lakin tək o, yeni cəbhənin səthini müəyyən etmir. Sonuncu bütün sferik ikincili dalğaların superpozisiyasının nəticəsidir.
Yuxarıda təsvir edilən təsir Huygens prinsipi adlanır. O, dalğaların difraksiyasını izah etmir (alim bunu tərtib edəndə onlar işığın difraksiyasını hələ bilmirdilər), lakin işığın əks olunması və sınması kimi effektləri uğurla təsvir edir.
17-ci əsrdə Nyutonun korpuskulyar işıq nəzəriyyəsi qalib gəldiyi üçün Hüygensin işi 150 il ərzində unudulub.
Tomas Jung, Augustin Fresnel və Huygens prinsipinin canlanması
İşığın difraksiya və interferensiya fenomeni 1801-ci ildə Tomas Yanq tərəfindən kəşf edilmişdir. Monoxromatik işıq cəbhəsinin keçdiyi iki yarıqla eksperimentlər aparan alim ekranda alternativ qaranlıq və açıq zolaqların şəklini aldı. Yunq işığın dalğa təbiətinə istinad edərək təcrübələrinin nəticələrini tam şəkildə izah etdi və bununla da Maksvellin nəzəri hesablamalarını təsdiq etdi.
Yanqın təcrübələri ilə Nyutonun korpuskulyar işıq nəzəriyyəsi təkzib edilən kimi fransız alimi Augustin Fresnel Huygensin işini xatırladı və difraksiya hadisəsini izah etmək üçün onun prinsipindən istifadə etdi.
Fresnel hesab edirdi ki, düz xətt üzrə yayılan elektromaqnit dalğası maneə ilə qarşılaşarsa, onun enerjisinin bir hissəsi itər. Qalanı isə ikinci dərəcəli dalğaların əmələ gəlməsinə sərf olunur. Sonuncu, yayılma istiqaməti orijinaldan fərqli olan yeni dalğa cəbhəsinin yaranmasına gətirib çıxarır.
İkinci dalğalar əmələ gətirən zaman efiri nəzərə almayan təsvir edilən effekt Huygens-Fresnel prinsipi adlanır. O, dalğaların difraksiyasını uğurla təsvir edir. Üstəlik, bu prinsip hal-hazırda elektromaqnit dalğalarının yayılması zamanı yolda maneə ilə qarşılaşan enerji itkilərini müəyyən etmək üçün istifadə olunur.
Dar yarıq difraksiyası
Difraksiya nümunələrinin qurulması nəzəriyyəsi riyazi nöqteyi-nəzərdən olduqca mürəkkəbdir, çünki o, elektromaqnit dalğaları üçün Maksvell tənliklərinin həllini nəzərdə tutur. Buna baxmayaraq, Huygens-Fresnel prinsipi, eləcə də bir sıra başqa təxminlər onların praktik tətbiqi üçün uyğun olan riyazi düsturları əldə etməyə imkan verir.
Müstəvi dalğa cəbhəsinin paralel düşdüyü nazik yarıqda difraksiyanı nəzərə alsaq, yarıqdan uzaqda yerləşən ekranda parlaq və tünd zolaqlar görünəcək. Bu halda difraksiya nümunəsinin minimumları aşağıdakı düsturla təsvir edilir:
ym=mλL/a, burada m=±1, 2, 3, …
Burada ym ekrana olan yarıq proyeksiyasından minimum sifariş m-ə qədər olan məsafə, λ işıq dalğasının uzunluğu, L ekrana qədər olan məsafə, a yarıq enidir.
İfadədən belə çıxır ki, yarığın eni azaldılsa və mərkəzi maksimum daha bulanıq olacaq.işığın dalğa uzunluğunu artırın. Aşağıdakı rəqəm müvafiq difraksiya modelinin necə görünəcəyini göstərir.
Difraksiya barmaqlığı
Yuxarıdakı misaldakı yuvalar dəsti bir boşqaba tətbiq edilərsə, o zaman sözdə difraksiya ızgarası alınacaq. Huygens-Fresnel prinsipindən istifadə edərək, işığın barmaqlıqdan keçdiyi zaman əldə edilən maksimumlar (parlaq zolaqlar) üçün düstur əldə etmək olar. Formula belə görünür:
sin(θ)=mλ/d, burada m=0, ±1, 2, 3, …
Burada d parametri barmaqlıqdakı ən yaxın yuvalar arasındakı məsafədir. Bu məsafə nə qədər kiçik olsa, difraksiya nümunəsindəki parlaq zolaqlar arasındakı məsafə bir o qədər çox olar.
M-ci sıra maksimumlar üçün θ bucağı λ dalğa uzunluğundan asılı olduğundan, ağ işıq difraksiya barmaqlığından keçəndə ekranda çoxrəngli zolaqlar görünür. Bu effekt ulduzlar və qalaktikalar kimi müəyyən mənbə tərəfindən işığın emissiyası və ya udulmasının xüsusiyyətlərini təhlil edə bilən spektroskopların istehsalında istifadə olunur.
Optik Alətlərdə Difraksiyanın Önəmi
Teleskop və ya mikroskop kimi alətlərin əsas xüsusiyyətlərindən biri onların ayırdetmə qabiliyyətidir. Ayrı-ayrı cisimlərin hələ də fərqlənə biləcəyi müşahidə edildiyi zaman minimum bucaq kimi başa düşülür. Bu bucaq aşağıdakı düsturdan istifadə etməklə Rayleigh kriteriyasına uyğun olaraq dalğa difraksiya analizindən müəyyən edilir:
sin(θc)=1, 22λ/D.
Burada D cihazın obyektivinin diametridir.
Bu meyarı Hubble teleskopuna tətbiq etsək, əldə edirik ki, 1000 işıq ili məsafədə olan cihaz, Günəş və Uran arasındakı məsafəyə bənzəyən iki obyekti ayırd edə bilir.
