Fenomeni i difraksionit të valës është një nga efektet që pasqyron natyrën valore të dritës. Ishte për valët e lehta që u zbulua në fillim të shekullit të 19-të. Në këtë artikull, ne do të shohim se çfarë është ky fenomen, si përshkruhet ai matematikisht dhe ku gjen zbatim.
Dukuria e difraksionit të valës
Siç e dini, çdo valë, qoftë e lehtë, zë apo shqetësime në sipërfaqen e ujit, në një mjedis homogjen përhapet përgjatë një rruge të drejtë.
Le të imagjinojmë një ballë valore që ka një sipërfaqe të sheshtë dhe lëviz në një drejtim të caktuar. Çfarë do të ndodhë nëse do të ketë një pengesë në rrugën e këtij fronti? Çdo gjë mund të shërbejë si pengesë (një gur, një ndërtesë, një hendek i ngushtë, e kështu me radhë). Rezulton se pas kalimit të pengesës, balli i valës nuk do të jetë më i sheshtë, por do të marrë një formë më komplekse. Pra, në rastin e një vrime të vogël të rrumbullakët, pjesa e përparme e valës, duke kaluar nëpër të, bëhet sferike.
Dukuria e ndryshimit të drejtimit të përhapjes së valës, kur ndeshet me një pengesë në rrugën e saj, quhet difraksion (diffractus nga latinishtja do të thotë"i thyer").
Rezultati i këtij fenomeni është se vala depërton në hapësirën prapa pengesës, ku nuk do të godiste kurrë në lëvizjen e saj drejtvizore.
Një shembull i difraksionit të valës në një breg deti është paraqitur në figurën më poshtë.
Kushtet e vëzhgimit të difraksionit
Efekti i përshkruar më sipër i thyerjes së valës kur kalon një pengesë varet nga dy faktorë:
- gjatësia vale;
- parametrat gjeometrikë të pengesës.
Në çfarë kushti vërehet difraksioni i valës? Për të kuptuar më mirë përgjigjen e kësaj pyetjeje, duhet theksuar se fenomeni në shqyrtim ndodh gjithmonë kur një valë ndeshet me një pengesë, por ajo bëhet e dukshme vetëm kur gjatësia e valës është e rendit të parametrave gjeometrikë të pengesës. Meqenëse gjatësitë e valëve të dritës dhe zërit janë të vogla në krahasim me madhësinë e objekteve rreth nesh, vetë difraksioni shfaqet vetëm në disa raste të veçanta.
Pse ndodh difraksioni i valës? Kjo mund të kuptohet nëse marrim parasysh parimin Huygens-Fresnel.
parimi i Huygens
Në mesin e shekullit të 17-të, fizikani holandez Christian Huygens parashtroi një teori të re të përhapjes së valëve të dritës. Ai besonte se, si zëri, drita lëviz në një medium të veçantë - eter. Një valë drite është një dridhje e grimcave eterike.
Duke marrë parasysh një ballë sferike valore të krijuar nga një burim drite me pikë, Huygens arriti në përfundimin e mëposhtëm: në procesin e lëvizjes, pjesa e përparme kalon nëpër një sërë pikash hapësinore nëtransmetimi. Sapo i arrin, e bën të hezitojë. Pikat lëkundëse, nga ana tjetër, gjenerojnë një gjeneratë të re valësh, të cilat Huygens i quajti dytësore. Nga çdo pikë, vala dytësore është sferike, por vetëm ajo nuk përcakton sipërfaqen e frontit të ri. Ky i fundit është rezultat i mbivendosjes së të gjitha valëve dytësore sferike.
Efekti i përshkruar më sipër quhet parimi i Huygens. Ai nuk e shpjegon difraksionin e valëve (kur shkencëtari e formuloi atë, ata nuk dinin ende për difraksionin e dritës), por ai përshkruan me sukses efekte të tilla si reflektimi dhe thyerja e dritës.
Ndërsa teoria korpuskulare e dritës e Njutonit triumfoi në shekullin e 17-të, vepra e Huygens u harrua për 150 vjet.
Thomas Jung, Augustin Fresnel dhe ringjallja e parimit të Huygens
Fenomeni i difraksionit dhe ndërhyrjes së dritës u zbulua në vitin 1801 nga Thomas Young. Duke kryer eksperimente me dy çarje nëpër të cilat kalonte një pjesë e përparme e dritës monokromatike, shkencëtari mori në ekran një pamje të shiritave të alternuar të errët dhe të lehtë. Jung shpjegoi plotësisht rezultatet e eksperimenteve të tij, duke iu referuar natyrës valore të dritës, duke konfirmuar kështu llogaritjet teorike të Maxwell.
Sapo teoria korpuskulare e dritës e Njutonit u hodh poshtë nga eksperimentet e Young, shkencëtari francez Augustin Fresnel kujtoi punën e Huygens dhe përdori parimin e tij për të shpjeguar fenomenin e difraksionit.
Fresnel besonte se nëse një valë elektromagnetike, që përhapet në një vijë të drejtë, takon një pengesë, atëherë një pjesë e energjisë së saj humbet. Pjesa tjetër shpenzohet për formimin e valëve dytësore. Këto të fundit çojnë në shfaqjen e një fronti të ri valor, drejtimi i përhapjes së të cilit ndryshon nga ai origjinal.
Efekti i përshkruar, i cili nuk merr parasysh eterin kur gjeneron valë dytësore, quhet parimi Huygens-Fresnel. Ai përshkruan me sukses difraksionin e valëve. Për më tepër, ky parim përdoret aktualisht për të përcaktuar humbjet e energjisë gjatë përhapjes së valëve elektromagnetike, në rrugën e të cilave haset një pengesë.
Difraksion i çarjes së ngushtë
Teoria e ndërtimit të modeleve të difraksionit është mjaft komplekse nga pikëpamja matematikore, pasi përfshin zgjidhjen e ekuacioneve të Maksuellit për valët elektromagnetike. Megjithatë, parimi Huygens-Fresnel, si dhe një sërë përafrimesh të tjera, bëjnë të mundur marrjen e formulave matematikore të përshtatshme për zbatimin e tyre praktik.
Nëse marrim parasysh difraksionin në një çarje të hollë, mbi të cilën një ballë e valës së rrafshët bie paralelisht, atëherë vija të ndritshme dhe të errëta do të shfaqen në një ekran që ndodhet larg çarjes. Minimumi i modelit të difraksionit në këtë rast përshkruhet me formulën e mëposhtme:
ym=mλL/a, ku m=±1, 2, 3, …
Këtu ym është distanca nga projeksioni i çarjes në ekran deri në minimumin e rendit m, λ është gjatësia e valës së dritës, L është distanca në ekran, a është gjerësia e çarjes.
Nga shprehja rrjedh se maksimumi qendror do të jetë më i turbullt nëse gjerësia e çarjes zvogëlohet dherrisin gjatësinë e valës së dritës. Figura më poshtë tregon se si do të dukej modeli përkatës i difraksionit.
Rrjeta e difraksionit
Nëse një grup slotash nga shembulli i mësipërm aplikohet në një pjatë, atëherë do të fitohet e ashtuquajtura grilë difraksioni. Duke përdorur parimin Huygens-Fresnel, mund të merret një formulë për maksimat (shiritat e shndritshëm) që përftohen kur drita kalon nëpër grilë. Formula duket si kjo:
sin(θ)=mλ/d, ku m=0, ±1, 2, 3, …
Këtu, parametri d është distanca midis vrimave më të afërta në grilë. Sa më e vogël kjo distancë, aq më e madhe është distanca midis brezave të shndritshëm në modelin e difraksionit.
Meqenëse këndi θ për maksimumin e rendit m varet nga gjatësia e valës λ, kur drita e bardhë kalon nëpër një grilë difraksioni, në ekran shfaqen vija me shumë ngjyra. Ky efekt përdoret në prodhimin e spektroskopëve të aftë për të analizuar karakteristikat e emetimit ose të përthithjes së dritës nga një burim i caktuar, si yjet dhe galaktikat.
Rëndësia e difraksionit në instrumentet optike
Një nga karakteristikat kryesore të instrumenteve si teleskopi ose mikroskopi është rezolucioni i tyre. Kuptohet si këndi minimal, kur vërehet nën të cilin objektet individuale janë ende të dallueshme. Ky kënd përcaktohet nga analiza e difraksionit të valës sipas kriterit Rayleigh duke përdorur formulën e mëposhtme:
sin(θc)=1, 22λ/D.
Ku D është diametri i thjerrëzës së pajisjes.
Nëse zbatojmë këtë kriter për teleskopin Hubble, marrim se pajisja në një distancë prej 1000 vitesh dritë është në gjendje të dallojë midis dy objekteve, distanca ndërmjet të cilave është e ngjashme me atë midis Diellit dhe Uranit.
