დიფრაქცია (ფიზიკა): განმარტება, მაგალითები და ნიმუშები

დიფრაქცია არის ტალღების მოხრა დაბრკოლებების ან კუთხეების გარშემო. ყველა ტალღა ამას აკეთებს, მათ შორის სინათლის ტალღები, ბგერითი ტალღები და წყლის ტალღები. (თუნდაც სუბატომური ნაწილაკები, როგორიცაა ნეიტრონები და ელექტრონები, რომლებიც კვანტური მექანიკის თქმით, ტალღებიც იქცევიან, განიცდიან დიფრაქციას). ეს ჩვეულებრივ ჩანს, როდესაც ტალღა დიაფრაგმაზე გადის.

მოხრის ოდენობა დამოკიდებულია ტალღის სიგრძის ფარდობითი ზომაზე დიაფრაგმის ზომასთან; რაც უფრო ახლოსაა დიაფრაგმის ზომა ტალღის სიგრძესთან შედარებით, მით უფრო მოხდება მოხრა.

როდესაც სინათლის ტალღები დიფრაქცირდება გახსნის ან დაბრკოლების გარშემო, ამან შეიძლება გამოიწვიოს შუქის თვითნებური შეფერხება. ეს ქმნის დიფრაქციის ნიმუშს.

მიუხედავად იმისა, რომ ადამიანს და ბგერის წყაროს შორის დაბრკოლებების განთავსებამ შეიძლება შეამციროს ადამიანის მოსმენის ხმის ინტენსივობა, ადამიანს მაინც შეუძლია მოისმინოს იგი. ეს ხდება იმის გამო, რომ ხმა არის ტალღა და, შესაბამისად, იფანტება, ან იხრება კუთხეებისა და დაბრკოლებების გარშემო.

თუ ფრედი ერთ ოთახშია, ხოლო დიანი მეორეში, როდესაც დიანე ფრედს დაუყვირის რამეს, ის ამას გაიგონებს, თითქოს იგი კარებიდან გაჰყვირის, მიუხედავად იმისა, თუ სად არის ის მეორე ოთახში. ეს იმიტომ, რომ კარიბჭე მოქმედებს, როგორც ხმოვანი ტალღების მეორადი წყარო. ანალოგიურად, თუ საორკესტრო სპექტაკლზე აუდიტორიის წევრი ზის სვეტის უკან, მათ კვლავ შეუძლიათ კარგად ისმინონ ორკესტრი; ხმას აქვს გრძელი ტალღის სიგრძე საყრდენზე მოსახვევისთვის (ვთქვათ, რომ ის გონივრული ზომისაა).

ოკეანის ტალღები აგრეთვე იფრქვევა ისეთი მახასიათებლების გარშემო, როგორიცაა ნავმისადგომები, ან ბორცვების კუთხეები. მცირე ზომის ზედაპირული ტალღები ასევე დაბრკოლდება დაბრკოლებების გარშემო, როგორც ნავები, და გადაიქცევა წრიული ტალღების ფრონტებად მცირე გახსნისას.

ტალღის ფრონტის ყველა წერტილი შეიძლება მივიჩნიოთ როგორც ტალღის წყარო თავისთავად, სიჩქარე ტოლია ტალღის ფრონტის სიჩქარისა. თქვენ შეგიძლიათ წარმოიდგინოთ ტალღის კიდეზე, როგორც წრიული ტალღების წერტილოვანი წყაროების ხაზად. ეს წრიული ტალღები ერთმანეთთან ერევა ტალღის ფრონტის პარალელური მიმართულებით; წრფივი წრიული წრიული ტალღებისგან (რომლებიც ყველა იმავე სიჩქარით მოძრაობენ) არის ახალი ტალღის ფრონტი, თავისუფალი სხვა წრიული ტალღების ჩარევისგან. მასზე ასე ფიქრით, ნათლად ჩანს, თუ როგორ და რატომ ტრიალებენ ტალღები დაბრკოლებების ან ღიობების გარშემო.

ჰოლანდიელმა მეცნიერმა კრისტიან ჰიუგენსმა ეს იდეა შემოგვთავაზა 1600-იან წლებში, მაგრამ მასში კარგად არ იყო განმარტებული, თუ როგორ ირეკლებდნენ ტალღები დაბრკოლებების გარშემო და დიაფრაგმის გავლით. მოგვიანებით ფრანგმა მეცნიერმა ავგუსტინ-ჟან ფრესნელმა 1800-იან წლებში შეასწორა მისი თეორია ისე, რომ დიფრაქციის შესაძლებლობა მიეცა. შემდეგ ამ პრინციპს ეწოდა ჰიუგენს-ფრესნელის პრინციპი. იგი მუშაობს ყველა ტალღის ტიპისთვის და ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას თუნდაც ასახვისა და რეფრაქციის ასახსნელად.

ისევე, როგორც სხვა ტალღების შემთხვევაში, სინათლის ტალღებმა შეიძლება ხელი შეუშალონ ერთმანეთს და მოახდინონ დიფრაქცია, ან მოხრა ბარიერის ან გახსნის გარშემო. ტალღა უფრო იფრქვევა, როდესაც ჭრილის ან გახსნის სიგანე სინათლის ტალღის სიგრძესთან უფრო ახლოს არის. ეს დიფრაქცია იწვევს ჩარევის ნიმუშს - რეგიონები, სადაც ტალღები ერთმანეთს ემატება და რეგიონები, სადაც ტალღები ერთმანეთს ანადგურებენ. ჩარევის შაბლონები იცვლება სინათლის ტალღის სიგრძის, გახსნის ზომისა და გახსნის რაოდენობის შესაბამისად.

როდესაც მსუბუქი ტალღა ხვდება გახსნას, თითოეული ტალღის ფრონტი ჩნდება გახსნის მეორე მხარეს, როგორც წრიული ტალღის ფრონტი. თუ კედელი მოთავსებულია გახსნის საპირისპიროდ, დიფრაქციული ნიმუში ჩანს მეორე მხარეს.

დიფრაქციული ნიმუში არის კონსტრუქციული და დესტრუქციული ჩარევის ნიმუში. იმის გამო, რომ შუქს სხვადასხვა მანძილი აქვს გავლილი, რომ მოხვდეს საპირისპირო კედლის სხვადასხვა წერტილში, ფაზური განსხვავებები იქნება, რაც გამოიწვევს მკვეთრი შუქის ლაქებს და უნათებელი წერტილებს.

თუ თქვენ წარმოიდგინეთ ჭრილის ცენტრიდან კედლისკენ სწორი ხაზი, სადაც ეს ხაზი კედელს ხვდება, ეს უნდა იყოს კონსტრუქციული ჩარევის ნათელი წერტილი.

სინათლის სინათლის წყაროდან სინათლის მოდელირება შეგვიძლია, როგორც მრავალი წერტილოვანი წყაროს ხაზი ჰუიგენსის პრინციპის საშუალებით, ტალღების გამოსხივებით. ორი განსაკუთრებული წერტილოვანი წყარო, ერთი ჭრილის მარცხენა კიდეზე და მეორე მარჯვენა კიდეზე, იგივე გზით იმოგზაურებს მანძილი კედელზე ცენტრალურ წერტილამდე მისასვლელად და ფაზაში იქნება და კონსტრუქციულად ერევა, ცენტრის შექმნისას მაქსიმალური შემდეგი წერტილი მარცხნივ და შემდეგი წერტილი მარჯვნივ ასევე კონსტრუქციულად ჩაერევა ამ ადგილზე და ა.შ., ცენტრში შეიქმნება ნათელი მაქსიმუმი.

პირველი ადგილი, სადაც დესტრუქციული ჩარევა მოხდება (რომელსაც ასევე უწოდებენ პირველ მინიმუმს), შეიძლება განისაზღვროს შემდეგნაირად: წარმოიდგინეთ, სინათლე მოდის ჭრილის მარცხენა ბოლოში მდებარე წერტილიდან (წერტილი A) და შუა წერტილიდან (წერტილი ბ) თუ თითოეული წყაროდან კედლისკენ მიმავალი გეზის სხვაობა განსხვავდება λ / 2, 3λ / 2 და ა.შ.

თუ შემდეგი წერტილი ავიღეთ მარცხნივ და შემდეგი წერტილი შუადან მარჯვნივ, ბილიკის სიგრძის სხვაობა ამ ორ წყაროს წერტილსა და პირველ ორს შორის დაახლოებით ერთნაირი იქნებოდა, ასე რომ ისინი დესტრუქციულად ერევა.

ეს ნიმუში იმეორებს ყველა დარჩენილი წყვილი წერტილისთვის: მანძილი წერტილსა და კედელს შორის განსაზღვრავს ამ ტალღის ფაზას, როდესაც ის კედელს მოხვდება. თუ კედლის მანძილზე სხვაობა ორი წერტილოვანი წყაროსთვის λ / 2-ის ჯერადია, ეს ტალღები ზუსტად გარეთ იქნება ფაზაში, როდესაც კედელზე მოხვდებიან, რაც სიბნელის წერტილამდე მივა.

ინტენსივობის მინიმუმის ადგილები ასევე შეიძლება გამოითვალოს განტოლების გამოყენებით

სადნარის არა ნულოვანი მთელი რიცხვი,λარის სინათლის ტალღის სიგრძე,აარის დიაფრაგმის სიგანე დაθარის კუთხე დიაფრაგმის ცენტრსა და ინტენსივობის მინიმუმს შორის.

ოდნავ განსხვავებული დიფრაქციული ნიმუშის მიღება ასევე შესაძლებელია ორმაგი ნაპრალის ექსპერიმენტში სინათლის გავლით ორი მცირე ჭრილში, რომლებიც მანძილით არის დაშორებული. აქ ჩვენ ვხედავთ კონსტრუქციულ ჩარევას (კაშკაშა ლაქებს) კედელზე ნებისმიერ დროს, ბილიკის სიგრძის სხვაობა ორ ჭრილზე მომდინარე სინათლეს შორის არის ტალღის სიგრძის ჯერადიλ​.

თითოეული ჭრილიდან პარალელურ ტალღებს შორის ბილიკის განსხვავებაადცოდვაθსადდარის მანძილი ნაპრალებს შორის. ფაზაში ჩასასვლელად და კონსტრუქციულად ჩარევისთვის, ეს ბილიკის სხვაობა უნდა იყოს ტალღის სიგრძის ჯერადიλ. ამიტომ ინტენსივობის მაქსიმუმის ადგილმდებარეობის განტოლება არის nλ =დცოდვაθსადნარის ნებისმიერი მთელი რიცხვი.

გაითვალისწინეთ განსხვავებები ამ განტოლებას და ერთსართულიანი დიფრაქციის შესაბამისს შორის: ეს განტოლება არის მაქსიმუმისთვის, ვიდრე მინიმებისა და ის იყენებს ჭრილის სიგანეს ვიდრე ნაპრალებს შორის მანძილს. გარდა ამისა,ნშეიძლება ტოლი იყოს ნულის ამ განტოლებაში, რაც შეესაბამება დიფრაქციის ნიმუშის ცენტრში არსებულ მთავარ მაქსიმუმს.

ეს ექსპერიმენტი ხშირად გამოიყენება ინციდენტის სინათლის ტალღის სიგრძის დასადგენად. თუ მანძილი ცენტრალურ მაქსიმუმს და მომიჯნავე მაქსიმუმს შორის არის დიფრაქციული ნიმუშიx, და მანძილი ნაპრალის ზედაპირსა და კედელს შორის არისლ, მცირე კუთხის მიახლოება შეიძლება გამოყენებულ იქნას:

ამის შეცვლა წინა განტოლებაში, n = 1-ით, მოცემულია:

დიფრაქციული გრეიტი არის რაღაც რეგულარული, განმეორებითი სტრუქტურა, რომელსაც შეუძლია სინათლის დიფრაქცია და ჩარევის ნიმუშის შექმნა. ერთ-ერთი მაგალითია კარტი, რომელსაც გააჩნია მრავალი ჭრილი, ერთმანეთისგან ერთი და იგივე მანძილია. გზის სხვაობა მიმდებარე ნაპრალებს შორის იგივეა, რაც ორმაგი ნაპრალის გრილში, ამიტომ განტოლება მაქსიმუმის პოვნისთვის იგივე რჩება, ისევე როგორც ინციდენტის ტალღის სიგრძის პოვნის განტოლება მსუბუქი. ჭრილთა რაოდენობამ შეიძლება მკვეთრად შეცვალოს დიფრაქციული ნიმუში.

რეილის კრიტერიუმი ზოგადად მიღებულია, როგორც გამოსახულების რეზოლუციის ლიმიტი, ან ზღვარი, რომლითაც შეიძლება განასხვაოს ორი სინათლის წყარო, როგორც ცალკე. თუ რეილის კრიტერიუმი არ დაკმაყოფილდება, სინათლის ორი წყარო ერთს ჰგავს.

რეილის კრიტერიუმის განტოლებააθ​ = 1.22 ​λ / დსადθარის სინათლის ორ წყაროს შორის გამიჯვნის მინიმალური კუთხე (დიფრაქციული დიაფრაგთან შედარებით),λარის სინათლის ტალღის სიგრძე დადარის დიაფრაგმის სიგანე ან დიამეტრი. თუ წყაროები გამოყოფილია მასზე ნაკლები კუთხით, მათი ამოხსნა შეუძლებელია.

ეს არის საკითხი ნებისმიერი გამოსახულების აპარატისთვის, რომელიც იყენებს დიაფრაგმას, მათ შორის ტელესკოპებსა და კამერებს. გაითვალისწინეთ, რომ იზრდებადმივყავართ გამოყოფის მინიმალური კუთხის შემცირებას, რაც ნიშნავს, რომ სინათლის წყაროები შეიძლება უფრო ახლოს იყოს ერთმანეთთან და კვლავ შეინიშნოს, როგორც ორი ცალკეული ობიექტი. სწორედ ამიტომ ასტრონომები ბოლო რამდენიმე საუკუნის განმავლობაში აშენებდნენ უფრო და უფრო დიდ ტელესკოპებს სამყაროს უფრო დეტალური სურათების სანახავად.

დიფრაქციის ნიმუშზე, როდესაც სინათლის წყაროები გამოყოფის მინიმალურ კუთხესთან არიან, ცენტრალური ინტენსივობის მაქსიმუმი ერთი სინათლის წყაროდან ზუსტად არის მეორე ინტენსივობის მინიმალური. მცირე ზომის კუთხეებისთვის, ცენტრალური მაქსიმა გადაფარავს.

დისკები წარმოადგენს დიფრაქციული გრეიტის მაგალითს, რომელიც არ არის დამზადებული დიაფრაგმისგან. ინფორმაცია CD– ზე ინახება მთელი რიგი პატარა, ამრეკლავი ორმოებით CD ზედაპირზე. დიფრაქციული ნიმუში ჩანს CD– ს გამოყენებით, რომელიც ასახავს შუქს თეთრ კედელზე.

რენტგენის დიფრაქცია, ან რენტგენის კრისტალოგრაფია, გამოსახულების პროცესია. კრისტალებს აქვთ ძალიან რეგულარული, პერიოდული სტრუქტურა, რომელსაც აქვს ერთეულები დაახლოებით იგივე სიგრძით, როგორც რენტგენის სხივების ტალღის სიგრძე. რენტგენის კრისტალგრაფიაში, რენტგენის სხივები გამოიყოფა კრისტალიზებულ ნიმუშზე და ხდება შესწავლილი დიფრაქციული ნიმუში. ბროლის რეგულარული სტრუქტურა იძლევა დიფრაქციული ნიმუშის ინტერპრეტაციას, რაც იძლევა კრისტალის გეომეტრიის შესახებ ინფორმაციას.

რენტგენის კრისტალოგრაფია გამოყენებულია დიდი წარმატების მისაღწევად ბიოლოგიური ნაერთების მოლეკულური სტრუქტურების დასადგენად. ბიოლოგიურ ნაერთებს ათავსებენ ზეჯერ გაჯერებულ ხსნარში, რომელიც შემდეგ კრისტალიზდება ა სტრუქტურა, რომელიც შეიცავს ნაერთის დიდ რაოდენობას მოზრდილ სიმეტრიულ, რეგულარულ შემადგენლობაში ნიმუში ყველაზე ცნობილია, რომ რენტგენის კრისტალოგრაფია გამოიყენა როზალინდ ფრანკლინმა 1950-იან წლებში დნმ-ის ორმაგი სპირალის სტრუქტურის აღმოსაჩენად.