الحيود (الفيزياء): التعريف والأمثلة والأنماط

الانعراج هو انحناء الموجات حول العوائق أو الزوايا. كل الموجات تفعل ذلك ، بما في ذلك موجات الضوء والموجات الصوتية وموجات الماء. (حتى الجسيمات دون الذرية مثل النيوترونات والإلكترونات ، والتي تقول ميكانيكا الكم أنها تتصرف أيضًا مثل الموجات ، فإنها تتعرض للحيود). تُرى عادةً عندما تمر الموجة عبر فتحة.

يعتمد مقدار الانحناء على الحجم النسبي لطول الموجة لحجم الفتحة ؛ كلما اقترب حجم الفتحة من الطول الموجي ، كلما حدث الانحناء.

عندما تنحرف موجات الضوء حول فتحة أو عائق ، يمكن أن يتسبب ذلك في تداخل الضوء مع نفسه. هذا يخلق نمط حيود.

في حين أن وضع عوائق بين الشخص ومصدر الصوت يمكن أن يقلل من شدة الصوت الذي يسمعه ، لا يزال بإمكان الشخص سماعه. هذا لأن الصوت عبارة عن موجة ، وبالتالي ينحرف أو ينحني حول الزوايا والعقبات.

إذا كان فريد في غرفة ، وديان في غرفة أخرى ، عندما تصرخ ديان شيئًا لفريد ، فسوف يسمعه كما لو كانت تصرخ من المدخل ، بغض النظر عن مكان وجودها في الغرفة الأخرى. ذلك لأن المدخل يعمل كمصدر ثانوي لموجات الصوت. وبالمثل ، إذا جلس عضو من الجمهور في عرض أوركسترا خلف عمود ، فلا يزال بإمكانه سماع الأوركسترا على ما يرام ؛ الصوت له طول موجي طويل بما يكفي للانحناء حول العمود (بافتراض أنه بحجم معقول).

تنحرف موجات المحيط أيضًا حول ميزات مثل الأرصفة أو زوايا الخلجان. سوف تنحني الموجات السطحية الصغيرة أيضًا حول العوائق مثل القوارب ، وتتحول إلى جبهات موجية دائرية عند المرور عبر فتحة صغيرة.

يمكن اعتبار كل نقطة في مقدمة الموجة مصدرًا لموجة بمفردها ، وتكون السرعة مساوية لسرعة مقدمة الموجة. يمكنك التفكير في حافة الموجة على أنها خط من مصادر نقطية للموجات الدائرية. تتداخل هذه الموجات الدائرية بشكل متبادل في الاتجاه الموازي لجبهة الموجة ؛ الخط المماس لكل واحدة من تلك الموجات الدائرية (والتي ، مرة أخرى ، تتحرك جميعها بنفس السرعة) هي جبهة موجة جديدة ، خالية من تداخل الموجات الدائرية الأخرى. بالتفكير في الأمر بهذه الطريقة ، فإنه يوضح كيف ولماذا تنحني الأمواج حول العوائق أو الفتحات.

اقترح العالم الهولندي كريستيان هيغنز هذه الفكرة في القرن السابع عشر ، لكنها لم تشرح تمامًا كيف تنحرف الأمواج حول العوائق ومن خلال الفتحات. قام العالم الفرنسي أوغستين جان فريسنل في وقت لاحق بتصحيح نظريته في القرن التاسع عشر بطريقة تسمح بالحيود. ثم أصبح هذا المبدأ يسمى مبدأ Huygens-Fresnel. إنه يعمل مع جميع أنواع الموجات ، ويمكن استخدامه حتى لشرح الانعكاس والانكسار.

تمامًا مثل الموجات الأخرى ، يمكن أن تتداخل موجات الضوء مع بعضها البعض ويمكن أن تنحرف أو تنحني حول حاجز أو فتحة. تنحرف الموجة أكثر عندما يكون عرض الشق أو الفتحة أقرب في الحجم إلى الطول الموجي للضوء. يتسبب هذا الحيود في نمط تداخل - مناطق تجمع فيها الموجات معًا ومناطق تلغي فيها الموجات بعضها البعض. تتغير أنماط التداخل مع الطول الموجي للضوء وحجم الفتحة وعدد الفتحات.

عندما تواجه موجة ضوئية فتحة ، تظهر كل مقدمة موجة على الجانب الآخر من الفتحة كواجهة موجة دائرية. إذا تم وضع جدار مقابل الفتحة ، فسيتم رؤية نمط الانعراج على الجانب الآخر.

نمط الحيود هو نمط من التداخل البناء والمدمّر. نظرًا لأن الضوء يجب أن يسافر مسافات مختلفة للوصول إلى نقاط مختلفة على الجدار المقابل ، ستكون هناك اختلافات في الطور ، مما يؤدي إلى ظهور بقع من الضوء الساطع وبقع منعدمة للضوء.

إذا تخيلت خطًا مستقيمًا من مركز الشق إلى الحائط ، حيث يجب أن يكون هذا الخط ملامسًا للحائط ، فيجب أن يكون نقطة مضيئة للتداخل البناء.

يمكننا نمذجة الضوء من مصدر الضوء الذي يمر عبر الشق كخط من مصادر نقطية متعددة عبر مبدأ Huygens ، ينبعث منها موجات. هناك مصدران نقطيان محددان ، أحدهما عند الحافة اليسرى للشق والآخر عند الحافة اليمنى ، سوف ينتقلان بنفس الطريقة المسافة للوصول إلى النقطة المركزية على الحائط ، وبالتالي ستكون في الطور وتتدخل بشكل بناء ، مما يخلق مركزًا أقصى. النقطة التالية على اليسار والنقطة التالية على اليمين ستتداخلان بشكل بناء في تلك البقعة ، وهكذا دواليك ، مما يخلق حدًا أقصى ساطعًا في المركز.

يمكن تحديد النقطة الأولى التي يحدث فيها تداخل مدمر (وتسمى أيضًا الحد الأدنى الأول) على النحو التالي: تخيل أن الضوء قادم من النقطة الموجودة على الطرف الأيسر للشق (النقطة أ) ونقطة قادمة من المنتصف (النقطة ب). إذا كان اختلاف المسار من كل من هذه المصادر إلى الجدار يختلف بمقدار / 2 و 3λ / 2 وما إلى ذلك ، فسوف يتداخلون بشكل مدمر ، ويشكلون نطاقات داكنة.

إذا أخذنا النقطة التالية على اليسار والنقطة التالية على يمين الوسط ، فإن فرق طول المسار بين هاتين النقطتين المصدر وأول نقطتين ستكونان متطابقتين تقريبًا ، لذلك ستكونان أيضًا مدمرة تدخل.

يتكرر هذا النمط لجميع أزواج النقاط المتبقية: ستحدد المسافة بين النقطة والجدار مرحلة تلك الموجة عندما تصطدم بالحائط. إذا كان الاختلاف في مسافة الجدار لمصادر نقطية مضاعفًا لـ / 2 ، فستكون تلك الموجات خارج الطور تمامًا عندما تصطدم بالجدار ، مما يؤدي إلى بقعة من الظلام.

يمكن أيضًا حساب مواقع الحد الأدنى للشدة باستخدام المعادلة

أيننهو عدد صحيح غير صفري ،λهو الطول الموجي للضوء ،أهو عرض الفتحة وθهي الزاوية بين مركز الفتحة وأدنى حد للشدة.

يمكن أيضًا الحصول على نمط حيود مختلف قليلاً عن طريق تمرير الضوء عبر شقين صغيرين تفصل بينهما مسافة في تجربة الشق المزدوج. هنا نرى التداخل البناء (النقاط المضيئة) على الحائط في أي وقت يكون فرق طول المسار بين الضوء القادم من الشقين مضاعفًا للطول الموجيλ​.

فرق المسار بين الموجات المتوازية من كل شق هودالخطيئةθ، أيندهي المسافة بين الشقوق. للوصول إلى الطور والتدخل البناء ، يجب أن يكون اختلاف المسار هذا مضاعفًا لطول الموجةλ. وبالتالي ، فإن المعادلة الخاصة بمواقع الحد الأقصى للشدة هي nλ =دالخطيئةθ، أيننهو أي عدد صحيح.

لاحظ الاختلافات بين هذه المعادلة والمعادلة المقابلة للحيود أحادي الشق: هذه المعادلة هو الحد الأقصى ، وليس الحد الأدنى ، ويستخدم المسافة بين الشقوق بدلاً من عرض الشق. فضلا عن ذلك،نيمكن أن يساوي صفرًا في هذه المعادلة ، وهو ما يتوافق مع الحد الأقصى الرئيسي في مركز نمط الانعراج.

غالبًا ما تستخدم هذه التجربة لتحديد الطول الموجي للضوء الساقط. إذا كانت المسافة بين الحد الأقصى المركزي والحد الأقصى المجاور في نمط الانعراج تساويx، والمسافة بين السطح المشقوق والجدارإل، يمكن استخدام تقريب الزاوية الصغير:

استبدال هذا في المعادلة السابقة ، مع n = 1 ، يعطي:

محزوز الحيود هو شيء له هيكل منتظم ومتكرر يمكنه أن يحيد الضوء ويخلق نمط تداخل. أحد الأمثلة على ذلك هو بطاقة ذات فتحات متعددة ، وكلها متباعدة بنفس المسافة. الفرق في المسار بين الشقوق المجاورة هو نفسه في الشبكة ذات الشق المزدوج ، وبالتالي فإن المعادلة لإيجاد الحد الأقصى يبقى كما هو ، كما هو الحال مع معادلة إيجاد الطول الموجي للحادث ضوء. يمكن أن يغير عدد الشقوق نمط الانعراج بشكل كبير.

يُقبل معيار Rayleigh عمومًا على أنه حد دقة الصورة ، أو الحد من قدرة الفرد على التمييز بين مصدرين للضوء على أنهما منفصلان. إذا لم يتم استيفاء معيار Rayleigh ، سيبدو مصدران للضوء مثل أحدهما.

معادلة معيار رايلي هيθ​ = 1.22 ​λ / دأينθهي أدنى زاوية للفصل بين مصدري الضوء (نسبة إلى فتحة الانعراج) ،λهو الطول الموجي للضوء ودهو عرض أو قطر الفتحة. إذا تم فصل المصادر بزاوية أصغر من هذه ، فلا يمكن حلها.

هذه مشكلة لأي جهاز تصوير يستخدم فتحة ، بما في ذلك التلسكوبات والكاميرات. لاحظ أن الزيادةديؤدي إلى انخفاض في الحد الأدنى لزاوية الفصل ، مما يعني أن مصادر الضوء يمكن أن تكون أقرب من بعضها البعض ولا يزال يمكن ملاحظتها ككائنين منفصلين. هذا هو السبب في أن علماء الفلك على مدى القرون القليلة الماضية قاموا ببناء تلسكوبات أكبر وأكبر لرؤية صور أكثر تفصيلاً للكون.

في نمط الانعراج ، عندما تكون مصادر الضوء عند الزاوية الدنيا للفصل ، تكون الشدة المركزية القصوى من مصدر ضوء واحد بالضبط عند الحد الأدنى الأول للشدة الثانية. بالنسبة للزوايا الأصغر ، يتداخل الحد الأقصى المركزي.

تمثل الأقراص المضغوطة مثالاً على محزوز الحيود غير المصنوع من الفتحات. يتم تخزين المعلومات الموجودة على الأقراص المضغوطة بواسطة سلسلة من الحفر الصغيرة العاكسة في سطح القرص المضغوط. يمكن رؤية نمط الانعراج باستخدام قرص مضغوط لعكس الضوء على جدار أبيض.

حيود الأشعة السينية ، أو علم البلورات بالأشعة السينية ، هو عملية تصوير. تحتوي البلورات على بنية دورية منتظمة جدًا لها وحدات لها نفس الطول الموجي للأشعة السينية. في علم البلورات بالأشعة السينية ، تنبعث الأشعة السينية في عينة متبلورة ، ويتم دراسة نمط الانعراج الناتج. يسمح الهيكل المنتظم للبلورة بتفسير نمط الانعراج ، مما يعطي رؤى حول هندسة البلورة.

تم استخدام علم البلورات بالأشعة السينية لتحقيق نجاح كبير في تحديد الهياكل الجزيئية للمركبات البيولوجية. يتم وضع المركبات البيولوجية في محلول مفرط التشبع ، والذي يتبلور بعد ذلك إلى أ هيكل يحتوي على عدد كبير من جزيئات المركب في شكل متماثل ومنتظم نمط. الأكثر شهرة ، استخدم علم البلورات بالأشعة السينية من قبل روزاليند فرانكلين في الخمسينيات من القرن الماضي لاكتشاف بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي.