Mundur ke depan

Perhatian! Pratinjau slide hanya untuk tujuan informasi dan mungkin tidak mewakili semua fitur presentasi. Jika Anda tertarik dengan karya ini, silakan unduh versi lengkapnya.

(Pelajaran untuk memperoleh pengetahuan baru, kelas 11, tingkat profil – 2 jam).

Tujuan pendidikan dari pelajaran:

• Perkenalkan konsep difraksi cahaya
• Jelaskan difraksi cahaya dengan menggunakan prinsip Huygens-Fresnel
• Perkenalkan konsep zona Fresnel
• Jelaskan struktur dan prinsip pengoperasian kisi difraksi

Tujuan perkembangan pelajaran

• Pengembangan keterampilan deskripsi kualitatif dan kuantitatif pola difraksi

Peralatan: proyektor, layar, presentasi.

Rencana belajar

• Difraksi cahaya
• Difraksi Fresnel
• Difraksi Fraunhofer
• Kisi difraksi

Selama kelas.

1. Momen organisasi.

2. Mempelajari materi baru.

Difraksi- fenomena gelombang yang membelok di sekitar rintangan yang ditemui di jalurnya, atau dalam arti yang lebih luas - setiap penyimpangan rambat gelombang di dekat rintangan dari hukum optik geometris. Berkat difraksi, gelombang dapat jatuh ke dalam area bayangan geometris, melewati rintangan, menembus lubang kecil di layar, dll. Misalnya, suara terdengar jelas di sudut rumah, yaitu gelombang suara. membungkuk di sekitarnya.

Jika cahaya merupakan proses gelombang, sebagaimana ditunjukkan secara meyakinkan oleh fenomena interferensi, maka difraksi cahaya juga harus diamati.

Difraksi cahaya- fenomena pembelokan sinar cahaya ke dalam daerah bayangan geometris ketika melewati tepi rintangan atau melalui lubang yang ukurannya sebanding dengan panjang gelombang cahaya ( geser nomor 2).

Fakta bahwa cahaya melampaui batas rintangan telah diketahui orang sejak lama. Deskripsi ilmiah pertama tentang fenomena ini adalah milik F. Grimaldi. Grimaldi menempatkan berbagai benda, khususnya benang tipis, ke dalam berkas cahaya sempit. Dalam hal ini, bayangan di layar ternyata lebih lebar dari yang seharusnya menurut hukum optik geometris. Selain itu, garis-garis berwarna ditemukan di kedua sisi bayangan. Dengan melewatkan seberkas cahaya tipis melalui lubang kecil, Grimaldi juga mengamati penyimpangan dari hukum perambatan cahaya bujursangkar. Titik terang di seberang lubang ternyata lebih besar dari yang diperkirakan untuk perambatan cahaya bujursangkar ( geser nomor 2).

Pada tahun 1802, T. Young, yang menemukan interferensi cahaya, melakukan eksperimen klasik tentang difraksi ( geser nomor 3).

Di layar buram dia menusuk dua lubang kecil B dan C dengan pin pada jarak yang dekat satu sama lain. Lubang-lubang ini diterangi oleh seberkas cahaya sempit yang melewati lubang kecil A di layar lain. Detail inilah, yang sangat sulit untuk dipikirkan pada saat itu, yang menentukan keberhasilan eksperimen tersebut. Bagaimanapun, hanya gelombang koheren yang mengganggu. Gelombang bola yang timbul sesuai dengan prinsip Huygens dari lubang A tereksitasi osilasi koheren di lubang B dan C. Akibat difraksi, dua kerucut cahaya muncul dari lubang B dan C, yang sebagian tumpang tindih. Akibat interferensi dua gelombang cahaya ini, garis terang dan gelap bergantian muncul di layar. Menutup salah satu lubang. Young menemukan bahwa gangguan pinggiran menghilang. Dengan bantuan eksperimen inilah Young pertama kali mengukur panjang gelombang yang berhubungan dengan sinar cahaya dengan warna berbeda, dan cukup akurat.

Teori difraksi

Ilmuwan Perancis O. Fresnel tidak hanya mempelajari berbagai kasus difraksi secara eksperimental secara lebih rinci, tetapi juga membangun teori difraksi kuantitatif. Fresnel mendasarkan teorinya pada prinsip Huygens, melengkapinya dengan gagasan interferensi gelombang sekunder. Prinsip Huygens dalam bentuk aslinya memungkinkan untuk mengetahui hanya posisi muka gelombang pada waktu-waktu berikutnya, yaitu menentukan arah rambat gelombang. Pada dasarnya, ini adalah prinsip optik geometris. Fresnel menggantikan hipotesis Huygens tentang selubung gelombang sekunder dengan posisi yang jelas secara fisik, yang menurutnya gelombang sekunder, yang tiba di titik pengamatan, saling mengganggu ( geser nomor 4).

Ada dua kasus difraksi:

Jika penghalang tempat terjadinya difraksi terletak dekat dengan sumber cahaya atau layar tempat pengamatan dilakukan, maka bagian depan gelombang datang atau gelombang difraksi mempunyai permukaan melengkung (misalnya bola); kasus ini disebut difraksi Fresnel.

Jika ukuran penghalang jauh lebih kecil dari jarak ke sumbernya, maka gelombang yang datang pada penghalang tersebut dapat dianggap datar. Difraksi gelombang bidang sering disebut difraksi Fraunhofer ( geser nomor 5).

Metode zona Fresnel.

Menjelaskan ciri-ciri pola difraksi pada benda sederhana ( geser nomor 6), Fresnel menemukan metode sederhana dan visual untuk mengelompokkan sumber sekunder - metode membangun zona Fresnel. Metode ini memungkinkan perhitungan perkiraan pola difraksi ( geser nomor 7).

Zona Fresnel– sekumpulan sumber gelombang sekunder yang koheren, yang perbedaan jalur maksimumnya sama dengan λ/2.

Jika perbedaan jalur dari dua zona yang berdekatan adalah sama λ /2 , oleh karena itu osilasi darinya sampai pada titik pengamatan M dalam fase yang berlawanan, sehingga gelombang dari dua zona Fresnel yang berdekatan saling membatalkan(geser nomor 8).

Misalnya, ketika cahaya dilewatkan melalui lubang kecil, titik terang dan titik gelap dapat terdeteksi di titik pengamatan. Hal ini menghasilkan hasil yang paradoks: cahaya tidak melewati lubang!

Untuk menjelaskan hasil difraksi, perlu dilihat berapa banyak zona Fresnel yang masuk ke dalam lubang. Saat diletakkan di atas lubang jumlah zona ganjil maksimum(titik terang). Saat diletakkan di atas lubang jumlah zona genap, maka di titik pengamatan akan ada minimum(titik gelap). Faktanya, cahaya, tentu saja, melewati lubang tersebut, tetapi interferensi maksimal muncul di titik-titik yang berdekatan ( geser nomor 9 -11).

Pelat zona Fresnel.

Sejumlah konsekuensi luar biasa, terkadang paradoks, dapat diperoleh dari teori Fresnel. Salah satunya adalah kemungkinan penggunaan pelat zona sebagai lensa pengumpul. Pelat zona– layar transparan dengan cincin terang dan gelap bergantian. Jari-jari cincin dipilih sedemikian rupa sehingga cincin yang terbuat dari bahan buram menutupi seluruh zona genap, kemudian hanya osilasi dari zona ganjil yang terjadi pada fase yang sama yang sampai ke titik pengamatan, sehingga menyebabkan peningkatan intensitas cahaya di titik pengamatan ( geser nomor 12).

Konsekuensi luar biasa kedua dari teori Fresnel adalah prediksi keberadaan titik terang ( Bintik-bintik racun) di area bayangan geometris dari layar buram ( geser nomor 13-14).

Untuk mengamati titik terang di wilayah bayangan geometris, layar buram perlu tumpang tindih dengan sejumlah kecil zona Fresnel (satu atau dua).

Difraksi Fraunhofer.

Jika ukuran penghalang jauh lebih kecil dari jarak ke sumbernya, maka gelombang yang datang pada penghalang tersebut dapat dianggap datar. Gelombang bidang juga dapat diperoleh dengan menempatkan sumber cahaya pada fokus lensa pengumpul ( geser nomor 15).

Difraksi gelombang bidang sering disebut difraksi Fraunhofer, diambil dari nama ilmuwan Jerman Fraunhofer. Jenis difraksi ini terutama dipertimbangkan karena dua alasan. Pertama, ini adalah kasus difraksi khusus yang lebih sederhana, dan kedua, difraksi semacam ini sering ditemukan di berbagai instrumen optik.

Difraksi celah

Kasus difraksi cahaya oleh sebuah celah mempunyai kepentingan praktis yang besar. Ketika celah tersebut disinari oleh berkas cahaya monokromatik paralel, serangkaian garis gelap dan terang diperoleh di layar, dengan cepat berkurang intensitasnya ( geser nomor 16).

Jika cahaya jatuh tegak lurus terhadap bidang celah, maka garis-garis tersebut terletak simetris terhadap garis tengah, dan iluminasi berubah secara berkala di sepanjang layar, sesuai dengan kondisi maksimum dan minimum ( geser nomor 17, animasi flash “Difraksi cahaya oleh celah”).

Kesimpulan:

• a) dengan berkurangnya lebar celah, garis cahaya pusat melebar;
• b) untuk lebar celah tertentu, semakin besar jarak antar garis, semakin panjang panjang gelombang cahayanya;
• c) oleh karena itu, dalam kasus cahaya putih, terdapat serangkaian pola yang sesuai untuk warna berbeda;
• d) dalam hal ini maksimum utama adalah umum untuk semua panjang gelombang dan akan tampak dalam bentuk garis putih, dan maksimum samping adalah garis-garis berwarna dengan warna bergantian dari ungu ke merah.

Difraksi dengan dua celah.

Jika ada dua celah paralel yang identik, maka celah tersebut memberikan pola difraksi tumpang tindih yang identik, sebagai akibatnya maksimumnya diperkuat, dan, sebagai tambahan, terjadi interferensi timbal balik antara gelombang dari celah pertama dan kedua. Akibatnya, titik minimum akan berada di tempat yang sama, karena pada arah inilah tidak ada celah yang mengirimkan cahaya. Selain itu, ada kemungkinan arah cahaya yang dipancarkan oleh kedua celah tersebut saling meniadakan. Jadi, di antara dua maksima utama terdapat satu tambahan minimum, dan maksima menjadi lebih sempit dibandingkan dengan satu celah ( slide nomor 18-19). Semakin banyak jumlah celah, semakin tajam batasan maksimumnya dan semakin lebar jarak minimumnya. Dalam hal ini, energi cahaya didistribusikan kembali sehingga sebagian besar jatuh pada maksimum, dan sebagian kecil energi jatuh ke minimum ( geser nomor 20).

Kisi difraksi.

Kisi difraksi adalah kumpulan sejumlah besar celah sangat sempit yang dipisahkan oleh ruang buram ( geser nomor 21). Jika gelombang monokromatik jatuh pada kisi, maka celah (sumber sekunder) menghasilkan gelombang koheren. Lensa pengumpul ditempatkan di belakang kisi-kisi, diikuti oleh layar. Akibat interferensi cahaya dari berbagai celah kisi, sistem maksimum dan minimum diamati pada layar ( geser nomor 22).

Posisi semua maksimum, kecuali yang utama, bergantung pada panjang gelombang. Oleh karena itu, jika cahaya putih jatuh pada kisi, ia akan terurai menjadi spektrum. Oleh karena itu, kisi difraksi adalah perangkat spektral yang digunakan untuk menguraikan cahaya menjadi suatu spektrum. Dengan menggunakan kisi difraksi, Anda dapat mengukur panjang gelombang secara akurat, karena dengan jumlah celah yang banyak, area intensitas maksimum menyempit, berubah menjadi garis tipis terang, dan jarak antara maksimum (lebar garis gelap) bertambah ( geser nomor 23-24).

Resolusi kisi difraksi.

Untuk instrumen spektral yang mengandung kisi difraksi, kemampuan untuk mengamati secara terpisah dua garis spektral yang memiliki panjang gelombang dekat adalah penting.

Kemampuan untuk mengamati secara terpisah dua garis spektral yang memiliki panjang gelombang serupa disebut resolusi kisi ( geser nomor 25-26).

Jika kita ingin menyelesaikan dua garis spektral yang berdekatan, maka perlu dipastikan bahwa interferensi maksimal yang berhubungan dengan masing-masing garis tersebut adalah sesempit mungkin. Untuk kasus kisi difraksi, ini berarti jumlah garis yang diendapkan pada kisi tersebut harus sebanyak mungkin. Jadi, pada kisi difraksi yang baik, yang memiliki sekitar 500 garis per milimeter, dengan panjang total sekitar 100 mm, jumlah garis adalah 50.000.

Tergantung pada aplikasinya, kisi-kisi dapat berupa logam atau kaca. Kisi-kisi logam terbaik memiliki hingga 2000 garis per milimeter permukaan, dengan total panjang kisi 100-150 mm. Pengamatan pada kisi-kisi logam hanya dilakukan dalam cahaya yang dipantulkan, dan pada kisi-kisi kaca - paling sering dalam cahaya yang ditransmisikan.

Bulu mata kita, dengan celah di antaranya, membentuk kisi difraksi yang kasar. Jika Anda memicingkan mata ke sumber cahaya terang, Anda akan menemukan warna pelangi. Fenomena difraksi dan interferensi cahaya membantu

Alam mewarnai semua makhluk hidup tanpa menggunakan pewarna ( geser nomor 27).

3. Konsolidasi primer material.

Pertanyaan kontrol

1. Mengapa difraksi bunyi setiap hari lebih jelas terlihat dibandingkan difraksi cahaya?
2. Apa tambahan Fresnel pada prinsip Huygens?
3. Apa prinsip pembangunan zona Fresnel?
4. Apa prinsip pengoperasian pelat zona?
5. Kapan difraksi Fresnel dan difraksi Fraunhofer diamati?
6. Apa perbedaan difraksi Fresnel lubang melingkar jika disinari cahaya monokromatik dan cahaya putih?
7. Mengapa difraksi tidak terlihat pada lubang besar dan piringan besar?
8. Apa yang menentukan apakah jumlah zona Fresnel yang dibuka oleh sebuah lubang genap atau ganjil?
9. Apa ciri ciri pola difraksi yang diperoleh melalui difraksi pada piringan kecil buram?
10. Apa perbedaan pola difraksi pada celah bila disinari cahaya monokromatik dan cahaya putih?
11. Berapa lebar celah maksimum dimana intensitas minimum masih dapat diamati?
12. Bagaimana peningkatan panjang gelombang dan lebar celah mempengaruhi difraksi Fraunhofer dari celah tunggal?
13. Bagaimana pola difraksi berubah jika jumlah garis kisi bertambah tanpa mengubah konstanta kisi?
14. Berapa tambahan minimum dan maksimum yang terjadi pada difraksi enam celah?
15. Mengapa kisi difraksi membagi cahaya putih menjadi suatu spektrum?
16. Bagaimana cara menentukan orde tertinggi spektrum kisi difraksi?
17. Bagaimana pola difraksi berubah ketika layar menjauhi kisi?
18. Jika menggunakan cahaya putih, mengapa hanya maksimum tengah yang berwarna putih dan maksimum samping yang berwarna pelangi?
19. Mengapa garis-garis pada kisi difraksi harus berjarak berdekatan satu sama lain?
20. Mengapa jumlah pukulannya harus banyak?

Contoh beberapa situasi penting (konsolidasi utama pengetahuan) (slide No. 29-49)

1. Sebuah kisi difraksi dengan konstanta 0,004 mm disinari cahaya dengan panjang gelombang 687 nm. Pada sudut kisi berapakah pengamatan harus dilakukan agar dapat melihat bayangan spektrum orde dua ( geser nomor 29).
2. Cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 500 nm datang pada kisi difraksi yang mempunyai 500 garis per 1 mm. Cahaya mengenai kisi-kisi secara tegak lurus. Berapakah tingkat spektrum tertinggi yang dapat diamati? ( geser nomor 30).
3. Kisi difraksi terletak sejajar dengan layar pada jarak 0,7 m darinya. Tentukan jumlah garis per 1 mm untuk kisi difraksi ini jika, pada kejadian normal berkas cahaya dengan panjang gelombang 430 nm, maksimum difraksi pertama pada layar terletak pada jarak 3 cm dari garis cahaya pusat. Asumsikan sinφ ≈ tanφ ( geser nomor 31).
4. Sebuah kisi difraksi yang periodenya 0,005 mm, terletak sejajar dengan layar pada jarak 1,6 m darinya dan disinari oleh seberkas cahaya dengan panjang gelombang 0,6 m yang datang tegak lurus terhadap kisi tersebut. Tentukan jarak antara pusat pola difraksi dan maksimum kedua. Asumsikan sinφ ≈ tanφ ( geser nomor 32).
5. Sebuah kisi difraksi dengan periode 10-5 m terletak sejajar dengan layar pada jarak 1,8 m darinya. Kisi tersebut disinari oleh seberkas cahaya yang datang secara normal dengan panjang gelombang 580 nm. Pada layar yang berjarak 20,88 cm dari pusat pola difraksi, terlihat iluminasi maksimum. Tentukan orde maksimumnya. Asumsikan sinφ ≈ tanφ ( geser nomor 33).
6. Dengan menggunakan kisi difraksi dengan periode 0,02 mm, diperoleh bayangan difraksi pertama pada jarak 3,6 cm dari pusat dan pada jarak 1,8 m dari kisi. Tentukan panjang gelombang cahaya ( geser nomor 34).
7. Spektrum orde kedua dan ketiga di wilayah kisi difraksi yang terlihat sebagian saling tumpang tindih. Berapa panjang gelombang pada spektrum orde ketiga yang sesuai dengan panjang gelombang 700 nm pada spektrum orde kedua? ( geser nomor 35).
8. Gelombang monokromatik bidang dengan frekuensi 8 1014 Hz datang secara normal pada kisi difraksi dengan periode 5 m. Sebuah lensa pengumpul yang jarak fokusnya 20 cm diletakkan sejajar dengan kisi-kisi dibelakangnya, pola difraksi diamati pada layar pada bidang fokus lensa. Tentukan jarak antara maksimum utamanya pada orde 1 dan 2. Asumsikan sinφ ≈ tanφ ( geser nomor 36).
9. Berapa lebar seluruh spektrum orde pertama (panjang gelombang berkisar antara 380 nm sampai 760 nm) yang diperoleh pada layar yang terletak 3 m dari kisi difraksi dengan periode 0,01 mm? ( geser nomor 37).
10. Berapa panjang total kisi difraksi yang mempunyai 500 garis per 1 mm untuk menyelesaikan dua garis spektral dengan panjang gelombang 600,0 nm dan 600,05 nm? ( geser nomor 40).
11. Tentukan resolusi suatu kisi difraksi yang periodenya 1,5 µm dan panjang totalnya 12 mm jika cahaya dengan panjang gelombang 530 nm mengenainya ( geser nomor 42).
12. Berapa jumlah minimum garis yang harus terdapat pada kisi tersebut agar dua garis natrium kuning dengan panjang gelombang 589 nm dan 589,6 nm dapat diselesaikan pada spektrum orde pertama. Berapa panjang kisi tersebut jika konstanta kisinya 10 µm ( geser nomor 44).
13. Tentukan jumlah zona terbuka dengan parameter berikut:
    R =2mm; sebuah=2,5 m; b=1,5m
    a) λ=0,4 m.
    b) λ=0,76 µm ( geser nomor 45).
14. Celah 1,2 mm disinari dengan cahaya hijau dengan panjang gelombang 0,5 μm. Pengamat berada pada jarak 3 m dari celah. Akankah dia melihat pola difraksi ( geser nomor 47).
15. Celah 0,5 mm disinari dengan lampu hijau dari laser 500 nm. Pada jarak berapa dari celah pola difraksi dapat diamati dengan jelas ( geser nomor 49).

4. Pekerjaan rumah (slide nomor 50).

Buku teks: § 71-72 (G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Fisika.11).

Kumpulan Soal Fisika No. 1606.1609.1612, 1613.1617 (G.N. Stepanova).

Cahaya putih dan cahaya kompleks apa pun dapat dianggap sebagai superposisi gelombang monokromatik dengan panjang gelombang berbeda, yang berperilaku independen ketika difraksi oleh kisi. Oleh karena itu, kondisi (7), (8), (9) untuk setiap panjang gelombang akan dipenuhi pada sudut yang berbeda, yaitu. komponen monokromatik dari cahaya yang datang pada kisi akan tampak terpisah secara spasial. Himpunan maksimum difraksi utama orde ke-m (m≠0) untuk semua komponen monokromatik cahaya yang datang pada kisi disebut spektrum difraksi orde ke-m.

Posisi maksimum difraksi utama orde nol (maksimum pusat φ=0) tidak bergantung pada panjang gelombang, dan untuk cahaya putih akan terlihat seperti garis putih. Spektrum difraksi orde ke-m (m≠0) untuk cahaya putih datang berbentuk pita berwarna yang berisi semua warna pelangi, dan untuk cahaya kompleks berupa sekumpulan garis spektral yang bersesuaian dengan monokromatik. komponen yang terjadi pada kisi difraksi cahaya kompleks (Gbr. 2).

Kisi difraksi sebagai perangkat spektral memiliki ciri-ciri utama sebagai berikut: resolusi R, dispersi sudut D dan daerah dispersi G.

Perbedaan terkecil dalam panjang gelombang dua garis spektral δλ, di mana peralatan spektral menyelesaikan garis-garis ini, disebut jarak penyelesaian spektral, dan nilainya adalah resolusi peralatan.

Kondisi resolusi spektral (kriteria Rayleigh):

Garis spektrum dengan panjang gelombang dekat λ dan λ’ dianggap terselesaikan jika pola difraksi maksimum utama untuk satu panjang gelombang bertepatan dengan posisi minimum difraksi pertama dalam urutan yang sama untuk gelombang lain.

Dengan menggunakan kriteria Rayleigh kita peroleh:

, (10)

dimana N adalah jumlah garis kisi (celah) yang terlibat dalam difraksi, m adalah orde spektrum difraksi.

Dan resolusi maksimum:

, (11)

dimana L adalah lebar total kisi difraksi.

Dispersi sudut D adalah besaran yang didefinisikan sebagai jarak sudut antara arah untuk dua garis spektrum yang berbeda panjang gelombangnya sebesar 1

Dan
.

Dari kondisi difraksi utama maksimum

(12)

Daerah dispersi G – lebar maksimum interval spektral Δλ, di mana tidak ada tumpang tindih spektrum difraksi orde tetangga

, (13)

dimana λ adalah batas awal interval spektral.

Deskripsi instalasi.

Tugas menentukan panjang gelombang menggunakan kisi difraksi adalah mengukur sudut difraksi. Pengukuran dalam karya ini dilakukan dengan goniometer (busur derajat).

Goniometer (Gbr. 3) terdiri dari bagian-bagian utama berikut: alas dengan meja (I), di mana skala utama dalam derajat dicetak (dial –L); sebuah kolimator (II) yang dipasang secara kaku pada alasnya dan sebuah tabung optik (III) dipasang pada sebuah cincin yang dapat berputar pada suatu sumbu yang melewati pusat panggung. Ada dua vernier N yang terletak saling berhadapan pada ring.

Kolimator adalah tabung dengan lensa F1, pada bidang fokusnya terdapat celah sempit S, lebar sekitar 1 mm, dan lensa okuler O yang dapat digerakkan dengan benang indeks H.

Data instalasi:

Harga pembagian terkecil skala utama goniometer adalah 1 0.

Harga pembagian vernier adalah 5.

Konstanta kisi difraksi
, [mm].

Lampu merkuri (DRSh 250 – 3), yang memiliki spektrum emisi terpisah, digunakan sebagai sumber cahaya dalam pekerjaan laboratorium. Karya ini mengukur panjang gelombang garis spektral paling terang: biru, hijau dan dua kuning (Gbr. 2b).

Angin sepoi-sepoi datang, dan riak-riak (gelombang yang panjang dan amplitudonya kecil) menjalar di sepanjang permukaan air, menemui berbagai rintangan dalam perjalanannya, di atas permukaan air, batang tanaman, dahan pohon. Di sisi bawah angin di belakang dahan, air tenang, tidak ada gangguan, dan gelombang membelok di sekitar batang tanaman.

DIFRAKSI GELOMBANG (dari lat. difraksi– pecah) gelombang membelok di sekitar berbagai rintangan. Difraksi gelombang merupakan karakteristik dari setiap gerak gelombang; terjadi jika dimensi penghalang lebih kecil dari panjang gelombang atau sebanding dengannya.

Difraksi cahaya adalah fenomena penyimpangan cahaya dari arah rambat bujursangkar ketika melewati dekat rintangan. Selama difraksi, gelombang cahaya membelok di sekitar batas benda buram dan dapat menembus wilayah bayangan geometris.
Hambatan dapat berupa lubang, celah, atau tepi penghalang buram.

Difraksi cahaya memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa cahaya menembus ke dalam wilayah bayangan geometris yang melanggar hukum perambatan cahaya bujursangkar. Misalnya, dengan melewatkan cahaya melalui lubang bundar kecil, kita menemukan titik terang yang lebih besar di layar daripada yang diharapkan dengan propagasi linier.

Karena panjang gelombang cahaya yang pendek, sudut pembelokan cahaya dari arah rambat bujursangkar menjadi kecil. Oleh karena itu, untuk mengamati difraksi dengan jelas, perlu menggunakan penghalang yang sangat kecil atau menempatkan layar jauh dari penghalang tersebut.

Difraksi dijelaskan berdasarkan prinsip Huygens – Fresnel: setiap titik pada muka gelombang merupakan sumber gelombang sekunder. Pola difraksi dihasilkan dari interferensi gelombang cahaya sekunder.

Gelombang yang terbentuk di titik A dan B bersifat koheren. Apa yang diamati pada layar di titik O, M, N?

Difraksi terlihat jelas hanya pada jarak tertentu

dimana R adalah dimensi karakteristik hambatan. Pada jarak yang lebih pendek, berlaku hukum optik geometris.

Fenomena difraksi membatasi resolusi instrumen optik (misalnya teleskop). Akibatnya, terbentuk pola difraksi kompleks pada bidang fokus teleskop.

Kisi difraksi – adalah kumpulan sejumlah besar area (celah) sempit, sejajar, berdekatan transparan hingga terang yang terletak pada bidang yang sama, dipisahkan oleh ruang buram.

Kisi-kisi difraksi dapat memantulkan atau mentransmisikan cahaya. Prinsip operasinya sama. Kisi-kisi dibuat dengan menggunakan mesin pemisah yang melakukan guratan paralel secara berkala pada pelat kaca atau logam. Kisi difraksi yang baik memuat hingga 100.000 garis. Mari kita nyatakan:

A– lebar celah (atau garis reflektif) transparan terhadap cahaya;
B– lebar ruang buram (atau area hamburan cahaya).
Besarnya d = a + b disebut periode (atau konstanta) kisi difraksi.

Pola difraksi yang diciptakan oleh kisi itu rumit. Ini menunjukkan maksimum dan minimum utama, maksimum sekunder, dan minimum tambahan akibat difraksi oleh celah.
Maksima utama, yaitu garis terang sempit dalam spektrum, memiliki kepentingan praktis ketika mempelajari spektrum menggunakan kisi difraksi. Jika cahaya putih jatuh pada kisi difraksi, maka gelombang setiap warna yang termasuk dalam komposisinya membentuk maksimum difraksinya sendiri. Posisi maksimum bergantung pada panjang gelombang. Nol tertinggi (k = 0 ) karena semua panjang gelombang terbentuk pada arah datangnya sinar (β = 0 ), oleh karena itu terdapat pita terang pusat dalam spektrum difraksi. Di sebelah kiri dan kanannya, diamati maksimum difraksi warna dengan urutan berbeda. Karena sudut difraksi sebanding dengan panjang gelombang, sinar merah lebih banyak dibelokkan daripada sinar ungu. Perhatikan perbedaan urutan warna pada spektrum difraksi dan prismatik. Berkat ini, kisi difraksi digunakan sebagai alat spektral, bersama dengan prisma.

Ketika melewati kisi difraksi, gelombang cahaya dengan panjang λ layar akan memberikan urutan intensitas minimum dan maksimum. Intensitas maksimum akan diamati pada sudut β:

dimana k adalah bilangan bulat yang disebut orde maksimum difraksi.

Ringkasan dasar:

Dalam fisika, difraksi cahaya adalah fenomena penyimpangan dari hukum optik geometris selama perambatan gelombang cahaya.

Syarat " difraksi" berasal dari bahasa Latin difraksi, yang secara harfiah berarti “gelombang yang membelok di sekitar rintangan”. Awalnya, fenomena difraksi dianggap seperti ini. Sebenarnya, ini adalah konsep yang lebih luas. Meskipun adanya hambatan pada jalur gelombang selalu menimbulkan difraksi, namun dalam beberapa kasus gelombang dapat membelok mengelilinginya dan menembus daerah bayangan geometris, dalam kasus lain gelombang hanya dibelokkan ke arah tertentu. Penguraian gelombang sepanjang spektrum frekuensi juga merupakan manifestasi difraksi.

Bagaimana difraksi cahaya terwujud?

Pada medium homogen transparan, cahaya merambat lurus. Mari kita letakkan layar buram dengan lubang kecil berbentuk lingkaran di jalur berkas cahaya. Pada layar observasi yang terletak di belakangnya pada jarak yang cukup jauh, kita akan melihat gambar difraksi: bergantian cincin terang dan gelap. Jika lubang di layar berbentuk celah, pola difraksinya akan berbeda: alih-alih lingkaran, kita akan melihat garis-garis terang dan gelap yang sejajar dan bergantian. Apa yang menyebabkan munculnya mereka?

Prinsip Huygens-Fresnel

Mereka mencoba menjelaskan fenomena difraksi pada zaman Newton. Namun hal ini tidak mungkin dilakukan berdasarkan teori sel darah cahaya yang ada pada saat itu.

Christian Huygens

Pada tahun 1678, ilmuwan Belanda Christiaan Huygens memperoleh prinsip yang dinamai menurut namanya setiap titik muka gelombang(permukaan yang dicapai gelombang) adalah sumber gelombang sekunder baru. Dan selubung permukaan gelombang sekunder menunjukkan posisi muka gelombang yang baru. Prinsip ini memungkinkan untuk menentukan arah pergerakan gelombang cahaya dan membangun permukaan gelombang dalam berbagai kasus. Namun dia tidak bisa menjelaskan fenomena difraksi.

Agustinus Jean Fresnel

Bertahun-tahun kemudian, pada tahun 1815 fisikawan PerancisAgustinus Jean Fresnel mengembangkan prinsip Huygens dengan memperkenalkan konsep koherensi dan interferensi gelombang. Setelah melengkapi prinsip Huygens dengan mereka, dia menjelaskan penyebab difraksi melalui interferensi gelombang cahaya sekunder.

Apa itu interferensi?

Gangguan disebut fenomena superposisi koheren(memiliki frekuensi getaran yang sama) gelombang terhadap satu sama lain. Akibat dari proses ini, gelombang-gelombang tersebut saling menguatkan atau melemahkan satu sama lain. Kami mengamati interferensi cahaya dalam optik sebagai garis terang dan gelap yang bergantian. Contoh mencolok dari interferensi gelombang cahaya adalah cincin Newton.

Sumber gelombang sekunder merupakan bagian dari muka gelombang yang sama. Oleh karena itu, mereka koheren. Artinya akan terjadi interferensi antara gelombang sekunder yang dipancarkan. Pada titik-titik di ruang angkasa di mana gelombang cahaya semakin kuat, kita melihat cahaya (iluminasi maksimum), dan ketika gelombang-gelombang tersebut saling menghilangkan, kita melihat kegelapan (iluminasi minimum).

Dalam fisika, dikenal dua jenis difraksi cahaya: difraksi Fresnel (difraksi lubang) dan difraksi Fraunhofer (difraksi celah).

Difraksi Fresnel

Difraksi seperti itu dapat diamati jika layar buram dengan lubang bundar sempit (bukaan) ditempatkan pada jalur gelombang cahaya.

Jika cahaya merambat lurus, kita akan melihat titik terang di layar pengamatan. Faktanya, saat cahaya melewati lubang, cahaya tersebut menyimpang. Di layar Anda dapat melihat cincin terang dan gelap yang konsentris (memiliki pusat yang sama) bergantian. Bagaimana mereka terbentuk?

Menurut prinsip Huygens-Fresnel, bagian depan gelombang cahaya, yang mencapai bidang lubang di layar, menjadi sumber gelombang sekunder. Karena gelombang-gelombang ini koheren, mereka akan berinterferensi. Akibatnya, di titik pengamatan kita akan mengamati lingkaran terang dan gelap yang bergantian (pencahayaan maksimum dan minimum).

Esensinya adalah sebagai berikut.

Bayangkan gelombang cahaya berbentuk bola merambat dari suatu sumber S 0 ke titik pengamatan M . Melalui intinya S permukaan gelombang berbentuk bola melewatinya. Mari kita bagi menjadi zona cincin sehingga jarak dari tepi zona ke titik M berbeda sebesar ½ panjang gelombang cahaya. Zona annular yang dihasilkan disebut zona Fresnel. Dan metode partisi itu sendiri disebut Metode zona Fresnel .

Jarak dari titik M ke permukaan gelombang zona Fresnel pertama sama dengan aku + ƛ/2 , ke zona kedua aku + 2ƛ/2 dll.

Setiap zona Fresnel dianggap sebagai sumber gelombang sekunder pada fase tertentu. Dua zona Fresnel yang berdekatan berada dalam antifase. Artinya gelombang sekunder yang timbul pada zona yang berdekatan akan saling melemahkan di titik pengamatan. Gelombang dari zona kedua akan meredam gelombang dari zona pertama, dan gelombang dari zona ketiga akan memperkuatnya. Gelombang keempat akan kembali melemahkan gelombang pertama, dan seterusnya. Akibatnya amplitudo total pada titik pengamatan akan sama dengan SEBUAH = SEBUAH 1 - SEBUAH 2 + SEBUAH 3 - SEBUAH 4 + ...

Jika suatu penghalang ditempatkan pada jalur cahaya yang hanya akan membuka zona Fresnel pertama, maka amplitudo yang dihasilkan akan sama dengan Sebuah 1 . Artinya, intensitas radiasi di titik pengamatan akan jauh lebih tinggi dibandingkan saat semua zona terbuka. Dan jika semua zona genap ditutup, intensitasnya akan meningkat berkali-kali lipat, karena tidak akan ada zona yang melemahkannya.

Zona genap atau ganjil dapat diblokir menggunakan alat khusus, yaitu pelat kaca yang diukir lingkaran konsentris. Perangkat ini disebut Piring fresnel.

Misalnya, jika jari-jari bagian dalam cincin gelap pelat bertepatan dengan jari-jari zona Fresnel ganjil, dan jari-jari bagian luar dengan jari-jari zona genap, maka dalam hal ini zona genap akan “dimatikan”, yang akan menyebabkan peningkatan penerangan pada titik pengamatan.

Difraksi Fraunhofer

Pola difraksi yang sangat berbeda akan muncul jika penghalang berupa layar dengan celah sempit ditempatkan pada jalur gelombang cahaya monokromatik datar yang tegak lurus arahnya. Alih-alih lingkaran konsentris terang dan gelap pada layar observasi, kita akan melihat garis-garis terang dan gelap bergantian. Garis paling terang akan ditempatkan di tengah. Saat Anda menjauh dari pusat, kecerahan garis akan berkurang. Difraksi ini disebut difraksi Fraunhofer. Ini terjadi ketika seberkas cahaya paralel mengenai layar. Untuk memperolehnya, sumber cahaya ditempatkan pada bidang fokus lensa. Layar observasi terletak pada bidang fokus lensa lain yang terletak di belakang celah.

Jika cahaya merambat lurus, maka pada layar kita akan mengamati garis cahaya sempit yang melalui titik O (fokus lensa). Tapi mengapa kita melihat gambaran yang berbeda?

Menurut prinsip Huygens-Fresnel, gelombang sekunder terbentuk pada setiap titik muka gelombang yang mencapai celah. Sinar yang datang dari sumber sekunder berubah arah dan menyimpang dari arah semula sebesar suatu sudut φ . Mereka berkumpul pada satu titik P bidang fokus lensa.

Mari kita bagi celah tersebut menjadi zona Fresnel sedemikian rupa sehingga perbedaan jalur optik antara sinar yang memancar dari zona tetangga sama dengan setengah panjang gelombang. ƛ/2 . Jika jumlah zona ganjil yang masuk ke dalam celah tersebut, maka pada titik tersebut R kita akan mengamati pencahayaan maksimal. Dan jika genap, maka minimumnya.

B · dosa φ= + 2 M ·ƛ/2 - kondisi intensitas minimum;

B · dosa φ= + 2( M +1)·ƛ/2 - kondisi intensitas maksimum,

Di mana M - jumlah zona, ƛ - panjang gelombang, B - lebar celah.

Sudut defleksi tergantung pada lebar slot:

dosa φ= M ·ƛ/ B

Semakin lebar celahnya, posisi minimum akan semakin bergeser ke arah tengah, dan maksimum di tengah akan semakin terang. Dan semakin sempit celahnya, pola difraksinya akan semakin lebar dan kabur.

Kisi difraksi

Fenomena difraksi cahaya digunakan pada suatu alat optik yang disebut kisi difraksi . Kita akan mendapatkan alat seperti itu jika kita menempatkan celah paralel atau tonjolan dengan lebar yang sama pada permukaan apa pun secara berkala atau menerapkan guratan pada permukaan. Jarak antara pusat celah atau tonjolan disebut periode kisi difraksi dan ditunjuk dengan surat itu D . Kalau per 1 mm kisi ada N coretan atau celah, lalu d = 1/ N mm.

Cahaya yang mencapai permukaan kisi dipecah oleh garis-garis atau celah menjadi berkas-berkas koheren yang terpisah. Masing-masing berkas ini mengalami difraksi. Akibat campur tangan, mereka menguat atau melemah. Dan di layar kita melihat garis-garis pelangi. Karena sudut defleksi bergantung pada panjang gelombang, dan setiap warna memiliki panjang gelombangnya sendiri, cahaya putih, yang melewati kisi difraksi, terurai menjadi spektrum. Selain itu, cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang dibelokkan dengan sudut yang lebih besar. Artinya, lampu merah dibelokkan paling kuat pada kisi difraksi, tidak seperti prisma, yang terjadi sebaliknya.

Karakteristik yang sangat penting dari kisi difraksi adalah dispersi sudut:

Di mana ∆ φ - perbedaan antara interferensi maksimal dua gelombang,

∆ƛ - jumlah perbedaan panjang dua gelombang.

k - nomor urut maksimum difraksi, dihitung dari pusat gambar difraksi.

Kisi difraksi dibagi menjadi transparan dan reflektif. Dalam kasus pertama, celah dipotong pada layar yang terbuat dari bahan buram atau guratan diterapkan pada permukaan transparan. Yang kedua, guratan diterapkan pada permukaan cermin.

Cakram padat yang familiar bagi kita semua adalah contoh kisi difraksi reflektif dengan periode 1,6 mikron. Bagian ketiga dari periode ini (0,5 mikron) adalah ceruk (trek suara) tempat penyimpanan informasi yang direkam. Itu menyebarkan cahaya. 2/3 sisanya (1,1 mikron) memantulkan cahaya.

Kisi difraksi banyak digunakan dalam instrumen spektral: spektrograf, spektrometer, spektroskop untuk pengukuran panjang gelombang yang tepat.