회절 (물리): 정의, 예 및 패턴

회절은 장애물이나 모서리 주변의 파도가 구부러지는 현상입니다. 광파, 음파 및 물결을 포함한 모든 파도가이를 수행합니다. (양자 역학에서 파동처럼 행동한다고 ​​말하는 중성자 및 전자와 같은 아 원자 입자조차도 회절을 경험합니다.) 일반적으로 파동이 조리개를 통과 할 때 나타납니다.

굽힘의 정도는 조리개 크기에 대한 파장의 상대적인 크기에 따라 달라집니다. 조리개 크기가 파장에 가까울수록 더 많은 굽힘이 발생합니다.

광파가 개구부 나 장애물 주변에서 회절되면 빛이 스스로 간섭 할 수 있습니다. 이것은 회절 패턴을 생성합니다.

사람과 음원 사이에 장애물을두면 사람이 듣는 소리의 강도가 줄어들 수 있지만 사람은 여전히들을 수 있습니다. 이는 소리가 파동이기 때문에 모서리와 장애물 주변에서 회절 또는 구부러지기 때문입니다.

Fred가 한 방에 있고 Dianne이 다른 방에 있다면 Dianne이 Fred에게 무언가를 외칠 때 그녀가 다른 방에 있든 상관없이 출입구에서 소리 치는 것처럼 들릴 것입니다. 출입구가 음파의 2 차 소스 역할을하기 때문입니다. 마찬가지로, 오케스트라 공연에 참석 한 청중이 기둥 뒤에 앉아 있어도 오케스트라를 잘들을 수 있습니다. 사운드는 기둥 주위로 구부러 질만큼 충분히 긴 파장을 가지고 있습니다 (적당한 크기라고 가정).

파도는 또한 부두와 같은 지형지 물이나만의 모서리 주변에서 회절합니다. 작은 표면파는 또한 보트와 같은 장애물 주위로 구부러져 작은 구멍을 통과 할 때 원형 파면으로 바뀝니다.

파동의 모든 지점은 그 자체로 파동의 근원으로 생각할 수 있으며, 그 속도는 파동의 속도와 같습니다. 웨이브의 가장자리를 원형 웨이브 렛의 포인트 소스 라인으로 생각할 수 있습니다. 이 원형 잔물결은 파면에 평행 한 방향으로 상호 간섭합니다. 모든 원형 웨이블릿에 접하는 선 (다시 말하지만 모두 동일한 속도로 이동 함)은 다른 원형 웨이블릿의 간섭이없는 새로운 파면입니다. 이런 식으로 생각하면 파도가 장애물이나 개구부 주변에서 어떻게 그리고 왜 구부러 지는지 분명히 알 수 있습니다.

네덜란드 과학자 인 Christiaan Huygens는 1600 년대에이 아이디어를 제안했지만 파도가 장애물 주변과 구멍을 통해 구부러지는 방식을 설명하지 못했습니다. 프랑스 과학자 Augustin-Jean Fresnel은 나중에 회절을 허용하는 방식으로 1800 년대에 그의 이론을 수정했습니다. 이 원리는 Huygens-Fresnel 원리로 명명되었습니다. 모든 웨이브 유형에서 작동하며 반사 및 굴절을 설명하는 데 사용할 수도 있습니다.

다른 파동과 마찬가지로 광파는 서로 간섭 할 수 있으며 장벽이나 개구부 주위에서 회절하거나 구부릴 수 있습니다. 파동은 슬릿 또는 개구부의 너비가 빛의 파장에 더 가까울 때 더 많이 회절됩니다. 이 회절은 파동이 합쳐지는 영역과 파동이 서로 상쇄되는 영역 인 간섭 패턴을 유발합니다. 간섭 패턴은 빛의 파장, 개구부의 크기 및 개구부 수에 따라 달라집니다.

광파가 개구부를 만나면 각 파면은 개구부의 다른 쪽에서 원형 파면으로 나타납니다. 벽이 개구부 반대쪽에 배치되면 다른 쪽에서 회절 패턴이 보입니다.

회절 패턴은 건설적이고 파괴적인 간섭의 패턴입니다. 반대쪽 벽의 다른 지점에 도달하려면 빛이 서로 다른 거리를 이동해야하므로 위상 차이가 발생하여 밝은 빛의 반점과 빛이없는 반점으로 이어집니다.

슬릿의 중심에서 벽까지 직선을 상상한다면, 그 선이 벽에 닿는 곳은 건설적인 간섭의 밝은 지점이어야합니다.

슬릿을 통과하는 광원의 빛을 Huygens의 원리를 통해 여러 점 광원의 라인으로 모델링하여 잔물결을 방출 할 수 있습니다. 두 개의 특정 포인트 소스, 하나는 슬릿의 왼쪽 가장자리에 있고 다른 하나는 오른쪽 가장자리에 있으며 동일하게 이동합니다. 벽의 중앙 지점에 도달하는 거리, 따라서 위상이 같고 건설적으로 간섭하여 중앙 최고. 왼쪽에있는 다음 지점과 오른쪽에있는 다음 지점도 그 지점에서 건설적으로 간섭하여 중앙에 밝은 최대 값을 만듭니다.

파괴적인 간섭이 발생하는 첫 번째 지점 (첫 번째 최소값이라고도 함)은 다음과 같이 결정할 수 있습니다. 슬릿의 왼쪽 끝에있는 지점 (점 A)에서 나오는 빛과 가운데에서 나오는 지점 (점 비). 각 소스에서 벽까지의 경로 차이가 λ / 2, 3λ / 2 등으로 다르면 파괴적으로 간섭하여 어두운 밴드를 형성합니다.

왼쪽에있는 다음 지점과 가운데 오른쪽에있는 다음 지점을 선택하면 경로 길이 차이가 이 두 소스 지점과 처음 두 지점 사이의 값은 거의 동일하므로 파괴적으로 방해합니다.

이 패턴은 나머지 모든 포인트 쌍에 대해 반복됩니다. 포인트와 벽 사이의 거리는 파동이 벽에 닿을 때의 위상을 결정합니다. 두 점 소스에 대한 벽 거리의 차이가 λ / 2의 배수 인 경우 해당 웨이블릿이 벽에 부딪 힐 때 위상이 정확히 어긋나게되어 어두운 곳이 생깁니다.

최소 강도의 위치는 방정식을 사용하여 계산할 수도 있습니다.

어디엔0이 아닌 정수입니다.λ빛의 파장,ㅏ조리개 너비이고θ조리개 중심과 최소 강도 사이의 각도입니다.

이중 슬릿 실험에서 거리별로 분리 된 두 개의 작은 슬릿을 통해 빛을 통과시켜 약간 다른 회절 패턴을 얻을 수도 있습니다. 여기서 우리는 두 슬릿에서 나오는 빛의 경로 길이 차이가 파장의 배수 일 때마다 벽에 보강 간섭 (밝은 점)을 볼 수 있습니다.λ​.

각 슬릿에서 평행 파의 경로 차이는 다음과 같습니다.디죄θ, 어디디슬릿 사이의 거리입니다. 동 위상에 도달하고 건설적으로 간섭하려면이 경로 차이가 파장의 배수 여야합니다.λ. 따라서 최대 강도의 위치에 대한 방정식은 nλ =디죄θ, 어디엔정수입니다.

이 방정식과 단일 슬릿 회절에 해당하는 방정식의 차이점에 유의하십시오.이 방정식 최소값이 아닌 최대 값이며, 슬릿의 폭보다는 슬릿 사이의 거리를 사용합니다. 게다가,엔이 방정식에서 0이 될 수 있으며, 이는 회절 패턴의 중심에있는 주요 최대 값에 해당합니다.

이 실험은 종종 입사광의 파장을 결정하는 데 사용됩니다. 회절 패턴에서 중심 최대 값과 인접 최대 값 사이의 거리가엑스, 슬릿 표면과 벽 사이의 거리는엘, 작은 각도 근사값을 사용할 수 있습니다.

이전 방정식에서이를 n = 1로 대체하면 다음과 같은 결과가 나타납니다.

회절 격자는 빛을 회절하고 간섭 패턴을 생성 할 수있는 규칙적이고 반복적 인 구조를 가진 것입니다. 한 가지 예는 거리가 모두 같은 여러 개의 슬릿이있는 카드입니다. 인접한 슬릿 사이의 경로 차이는 이중 슬릿 격자에서와 동일하므로 방정식 입사 파장을 찾는 방정식과 마찬가지로 최대 값을 찾는 방법은 동일합니다. 빛. 슬릿의 수는 회절 패턴을 극적으로 바꿀 수 있습니다.

Rayleigh 기준은 일반적으로 이미지 해상도의 한계 또는 두 광원을 분리 된 것으로 구별하는 능력의 한계로 받아 들여집니다. Rayleigh 기준이 충족되지 않으면 두 광원이 하나처럼 보입니다.

레일리 기준의 방정식은 다음과 같습니다.θ​ = 1.22 ​λ / 일어디θ두 광원 간의 최소 분리 각도 (회절 조리개 기준),λ빛의 파장이고디조리개의 너비 또는 직경입니다. 소스가 이보다 작은 각도로 분리되어 있으면 해결할 수 없습니다.

이것은 망원경과 카메라를 포함하여 조리개를 사용하는 모든 이미징 장치의 문제입니다. 증가디이로 인해 최소 분리 각도가 감소합니다. 즉, 광원이 서로 더 가까워지고 여전히 두 개의 개별 물체로 관찰 될 수 있습니다. 이것이 지난 몇 세기 동안 천문학 자들이 우주의 더 자세한 이미지를보기 위해 더 크고 더 큰 망원경을 만들어 온 이유입니다.

회절 패턴에서 광원이 최소 분리 각도에있을 때 한 광원의 중심 강도 최대 값은 정확히 두 번째 광원의 첫 번째 강도 최소값에 있습니다. 작은 각도의 경우 중앙 최대 값이 겹칩니다.

CD는 구멍으로 만들어지지 않은 회절 격자의 예를 나타냅니다. CD의 정보는 CD 표면에있는 일련의 작고 반사되는 구덩이에 저장됩니다. 회절 패턴은 CD를 사용하여 빛을 흰색 벽에 반사하여 볼 수 있습니다.

X 선 회절 또는 X 선 결정학은 이미징 프로세스입니다. 결정은 매우 규칙적이고주기적인 구조로 X 선의 파장과 길이가 거의 같은 단위를 가지고 있습니다. X- 선 결정학에서 X- 선은 결정화 된 샘플에서 방출되고 결과적인 회절 패턴이 연구됩니다. 결정의 규칙적인 구조는 회절 패턴을 해석하여 결정의 기하학에 대한 통찰력을 제공합니다.

X 선 결정학은 생물학적 화합물의 분자 구조를 결정하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 생물학적 화합물을 과포화 용액에 넣은 다음 결정화하여 대칭적이고 규칙적인 형태로 설정된 화합물의 많은 분자를 포함하는 구조 무늬. 가장 유명한 것은 1950 년대 로잘린드 프랭클린이 DNA의 이중 나선 구조를 발견하기 위해 X 선 결정학을 사용했습니다.