Gjashtë dukuri të rëndësishme përshkruajnë sjelljen e një valë drite nëse ndeshet me një pengesë në rrugën e saj. Këto dukuri përfshijnë reflektimin, përthyerjen, polarizimin, shpërndarjen, ndërhyrjen dhe difraksionin e dritës. Ky artikull do të fokusohet në të fundit prej tyre.
Mosmarrëveshje rreth natyrës së dritës dhe eksperimenteve të Thomas Young
Në mesin e shekullit të 17-të, kishte dy teori në kushte të barabarta në lidhje me natyrën e rrezeve të dritës. Themeluesi i njërit prej tyre ishte Isak Njutoni, i cili besonte se drita është një koleksion i grimcave të materies që lëvizin me shpejtësi. Teoria e dytë u parashtrua nga shkencëtari holandez Christian Huygens. Ai besonte se drita është një lloj i veçantë valësh që përhapet përmes një mediumi në të njëjtën mënyrë që tingulli udhëton nëpër ajër. Mjeti për dritën, sipas Huygens, ishte eteri.
Meqenëse askush nuk e zbuloi eterin dhe autoriteti i Njutonit ishte i madh në atë kohë, teoria e Huygens u hodh poshtë. Sidoqoftë, në 1801, anglezi Thomas Young kreu eksperimentin e mëposhtëm: ai kaloi dritën monokromatike përmes dy çarjeve të ngushta të vendosura afër njëra-tjetrës. Duke kaluarai projektoi dritën në mur.
Cili ishte rezultati i kësaj përvoje? Nëse drita do të ishte grimca (korpuskula), siç besonte Njutoni, atëherë imazhi në mur do të korrespondonte me dy breza të qartë të shndritshëm që vijnë nga secila prej të çarave. Sidoqoftë, Jung vërejti një pamje krejtësisht të ndryshme. Një seri vijash të errëta dhe të lehta u shfaqën në mur, me vija të lehta që shfaqen edhe jashtë të dy të çarave. Një paraqitje skematike e modelit të përshkruar të dritës është paraqitur në figurën më poshtë.
Kjo foto thotë një gjë: drita është një valë.
Dukuria e difraksionit
Modeli i dritës në eksperimentet e Young është i lidhur me dukuritë e ndërhyrjes dhe difraksionit të dritës. Të dy fenomenet janë të vështira për t'u ndarë nga njëri-tjetri, pasi në një numër eksperimentesh mund të vërehet efekti i tyre i kombinuar.
Difraksioni i dritës konsiston në ndryshimin e frontit të valës kur ajo ndeshet me një pengesë në rrugën e saj, dimensionet e së cilës janë të krahasueshme ose më të vogla se gjatësia e valës. Nga ky përkufizim del qartë se difraksioni është karakteristik jo vetëm për dritën, por edhe për çdo valë tjetër, si valët e zërit apo valët në sipërfaqen e detit.
Është gjithashtu e qartë pse ky fenomen nuk mund të vërehet në natyrë (gjatësia valore e dritës është disa qindra nanometra, kështu që çdo objekt makroskopik hedh hije të qarta).
Parimi Huygens-Fresnel
Fenomeni i difraksionit të dritës shpjegohet me parimin e emërtuar. Thelbi i tij është si vijon: një banesë drejtvizore përhapësefronti i valës çon në ngacmimin e valëve dytësore. Këto valë janë sferike, por nëse mediumi është homogjen, atëherë, të mbivendosura mbi njëra-tjetrën, ato do të çojnë në pjesën e përparme origjinale të sheshtë.
Sapo shfaqet ndonjë pengesë (për shembull, dy boshllëqe në eksperimentin e Jung-ut), ajo bëhet një burim valësh dytësore. Meqenëse numri i këtyre burimeve është i kufizuar dhe i përcaktuar nga veçoritë gjeometrike të pengesës (në rastin e dy çarjeve të holla, ka vetëm dy burime dytësore), vala që rezulton nuk do të prodhojë më pjesën e përparme të sheshtë origjinale. Kjo e fundit do të ndryshojë gjeometrinë e saj (për shembull, do të marrë një formë sferike), për më tepër, maksimumi dhe minimumi i intensitetit të dritës do të shfaqen në pjesët e ndryshme të saj.
Parimi Huygens-Fresnel tregon se dukuritë e ndërhyrjes dhe difraksionit të dritës janë të pandashme.
Cilat kushte nevojiten për të vëzhguar difraksionin?
Një prej tyre është përmendur tashmë më lart: është prania e pengesave të vogla (të rendit të gjatësisë valore). Nëse pengesa është me dimensione gjeometrike relativisht të mëdha, atëherë modeli i difraksionit do të vërehet vetëm pranë skajeve të saj.
Kushti i dytë i rëndësishëm për difraksionin e dritës është koherenca e valëve nga burime të ndryshme. Kjo do të thotë se ato duhet të kenë një ndryshim konstant fazor. Vetëm në këtë rast, për shkak të ndërhyrjeve, do të jetë e mundur të vërehet një pamje e qëndrueshme.
Koherenca e burimeve arrihet në një mënyrë të thjeshtë, mjafton të kalosh çdo front drite nga një burim përmes një ose më shumë pengesave. Burime dytësore nga këtopengesat tashmë do të veprojnë si koherente.
Vini re se për të vëzhguar interferencën dhe difraksionin e dritës, nuk është aspak e nevojshme që burimi parësor të jetë monokromatik. Kjo do të diskutohet më poshtë kur merret parasysh një grilë difraksioni.
Difraksioni Fresnel dhe Fraunhofer
Me fjalë të thjeshta, difraksioni Fresnel është ekzaminimi i modelit në një ekran që ndodhet afër çarjes. Difraksioni Fraunhofer, nga ana tjetër, merr në konsideratë një model që merret në një distancë shumë më të madhe se gjerësia e çarjes, përveç kësaj, supozon se incidenti i ballit valor në çarje është i sheshtë.
Këto dy lloje difraksionesh dallohen sepse modelet në to janë të ndryshme. Kjo është për shkak të kompleksitetit të fenomenit në shqyrtim. Fakti është se për të marrë një zgjidhje të saktë të problemit të difraksionit, është e nevojshme të përdoret teoria e valëve elektromagnetike të Maxwell. Parimi Huygens-Fresnel, i përmendur më parë, është një përafrim i mirë për të marrë rezultate praktikisht të përdorshme.
Figura më poshtë tregon se si imazhi në modelin e difraksionit ndryshon kur ekrani largohet nga çarja.
Në figurë, shigjeta e kuqe tregon drejtimin e afrimit të ekranit drejt çarjes, domethënë, figura e sipërme korrespondon me difraksionin Fraunhofer dhe ajo e poshtme me Fresnel. Siç mund ta shihni, ndërsa ekrani i afrohet të çarës, fotografia bëhet më komplekse.
Më tej në artikull do të shqyrtojmë vetëm difraksionin Fraunhofer.
Difraksion me një të çarë të hollë (formula)
Siç u përmend më lart,modeli i difraksionit varet nga gjeometria e pengesës. Në rastin e një çarjeje të hollë me gjerësi a, e cila ndriçohet me dritë monokromatike me gjatësi vale λ, pozicionet e minimumit (hijet) mund të vëzhgohen për këndet që korrespondojnë me barazinë
sin(θ)=m × λ/a, ku m=±1, 2, 3…
Këndi theta këtu matet nga pingulja që lidh qendrën e folesë dhe ekranit. Falë kësaj formule, është e mundur të llogaritet se në çfarë këndesh do të ndodhë amortizimi i plotë i valëve në ekran. Për më tepër, është e mundur të llogaritet rendi i difraksionit, domethënë numri m.
Meqenëse po flasim për difraksionin Fraunhofer, atëherë L>>a, ku L është distanca në ekran nga çarja. Pabarazia e fundit ju lejon të zëvendësoni sinusin e një këndi me një raport të thjeshtë të koordinatës y me distancën L, e cila çon në formulën e mëposhtme:
ym=m×λ×L/a.
Këtu ym është koordinata e pozicionit të minimumit të rendit m në ekran.
Difraksion i çarjes (analizë)
Formulat e dhëna në paragrafin e mëparshëm na lejojnë të analizojmë ndryshimet në modelin e difraksionit me një ndryshim në gjatësinë e valës λ ose gjerësinë e çarjes a. Kështu, një rritje në vlerën e a do të çojë në një ulje të koordinatës së minimumit të rendit të parë y1, domethënë, drita do të përqendrohet në një maksimum të ngushtë qendror. Një rënie në gjerësinë e çarjes do të çojë në një shtrirje të maksimumit qendror, d.m.th., ajo bëhet e paqartë. Kjo situatë është ilustruar në figurën më poshtë.
Ndryshimi i gjatësisë së valës ka efekt të kundërt. Vlerat e mëdha të λçojnë në turbullim të figurës. Kjo do të thotë se valët e gjata shpërthejnë më mirë se ato të shkurtra. Kjo e fundit ka një rëndësi thelbësore në përcaktimin e rezolucionit të instrumenteve optike.
Difraksioni dhe rezolucioni i instrumenteve optike
Vëzhgimi i difraksionit të dritës është kufizues i rezolucionit të çdo instrumenti optik, si teleskopi, mikroskopi, madje edhe syri i njeriut. Kur bëhet fjalë për këto pajisje, ata e konsiderojnë difraksionin jo nga një çarje, por nga një vrimë e rrumbullakët. Megjithatë, të gjitha përfundimet e bëra më parë mbeten të vërteta.
Për shembull, ne do të konsiderojmë dy yje të shndritshëm që janë në një distancë të madhe nga planeti ynë. Vrima përmes së cilës drita hyn në syrin tonë quhet bebëza. Nga dy yje në retinë, formohen dy modele difraksioni, secila prej të cilave ka një maksimum qendror. Nëse drita nga yjet bie në bebëzën e syrit në një kënd të caktuar kritik, atëherë të dyja maksimumet do të bashkohen në një. Në këtë rast, një person do të shohë një yll të vetëm.
Kriteri i zgjidhjes u vendos nga Lord J. W. Rayleigh, kështu që aktualisht mban mbiemrin e tij. Formula përkatëse matematikore duket kështu:
sin(θc)=1, 22×λ/D.
Këtu D është diametri i një vrime të rrumbullakët (thjerrëza, bebëza, etj.).
Kështu, rezolucioni mund të rritet (ulni θc) duke rritur diametrin e lentës ose duke ulur gjatësinëvalët. Varianti i parë zbatohet në teleskopë që bëjnë të mundur reduktimin e θc me disa herë në krahasim me syrin e njeriut. Opsioni i dytë, pra reduktimi i λ, gjen aplikim në mikroskopët elektronikë, të cilët kanë rezolucion 100,000 herë më të mirë se instrumentet e ngjashme me dritë.
Rrjeta e difraksionit
Është një koleksion vrimash të holla të vendosura në një distancë d nga njëra-tjetra. Nëse pjesa e përparme e valës është e sheshtë dhe bie paralelisht me këtë grilë, atëherë pozicioni i maksimumit në ekran përshkruhet me shprehjen
sin(θ)=m×λ/d, ku m=0, ±1, 2, 3…
Formula tregon se maksimumi i rendit zero ndodh në qendër, pjesa tjetër janë të vendosura në disa kënde θ.
Meqenëse formula përmban varësinë e θ nga gjatësia e valës λ, kjo do të thotë që grila e difraksionit mund të zbërthejë dritën në ngjyra si një prizëm. Ky fakt përdoret në spektroskopi për të analizuar spektrat e objekteve të ndryshme ndriçuese.
Ndoshta shembulli më i famshëm i difraksionit të dritës është vëzhgimi i nuancave të ngjyrave në një DVD. Brazdat në të janë një grilë difraksioni, e cila, duke reflektuar dritën, e zbërthen në një sërë ngjyrash.
