ست ظواهر مهمة تصف سلوك الموجة الضوئية إذا واجهت عقبة في مسارها. تشمل هذه الظواهر الانعكاس والانكسار والاستقطاب والتشتت والتداخل وانحراف الضوء. هذه المقالة سوف تركز على آخرهم.
خلافات حول طبيعة الضوء وتجارب توماس يونغ
في منتصف القرن السابع عشر ، كانت هناك نظريتان على قدم المساواة فيما يتعلق بطبيعة أشعة الضوء. مؤسس أحدهم كان إسحاق نيوتن ، الذي كان يعتقد أن الضوء عبارة عن مجموعة من جزيئات المادة سريعة الحركة. النظرية الثانية طرحها العالم الهولندي كريستيان هيغنز. كان يعتقد أن الضوء هو نوع خاص من الموجات التي تنتشر عبر وسيط بنفس الطريقة التي ينتقل بها الصوت عبر الهواء. وسيط الضوء ، وفقًا لـ Huygens ، كان الأثير.
نظرًا لعدم اكتشاف أحد للأثير ، وكانت سلطة نيوتن ضخمة في ذلك الوقت ، تم رفض نظرية Huygens. ومع ذلك ، في عام 1801 ، أجرى الإنجليزي توماس يونغ التجربة التالية: مرر ضوءًا أحادي اللون من خلال شقين ضيقين قريبين من بعضهما البعض. تمريرسلط الضوء على الحائط.
ماذا كانت نتيجة هذه التجربة؟ إذا كان الضوء عبارة عن جزيئات (جسيمات) ، كما يعتقد نيوتن ، فإن الصورة الموجودة على الحائط سوف تتوافق مع شريطين لامعين قادمين من كل شق. ومع ذلك ، لاحظ Jung صورة مختلفة تمامًا. ظهرت سلسلة من الخطوط الداكنة والفاتحة على الحائط ، مع ظهور خطوط فاتحة حتى خارج كلا الشقين. يظهر تمثيل تخطيطي لنمط الضوء الموصوف في الشكل أدناه.
هذه الصورة قالت شيئًا واحدًا: الضوء عبارة عن موجة.
ظاهرة الحيود
يرتبط نمط الضوء في تجارب يونج بظاهرة التداخل وانحراف الضوء. من الصعب فصل كلتا الظاهرتين عن بعضهما البعض ، لأنه في عدد من التجارب يمكن ملاحظة تأثيرهما المشترك.
يتكون انعراج الضوء من تغيير مقدمة الموجة عندما تواجه عقبة في مسارها ، تكون أبعادها مماثلة لطول الموجة أو أقل منه. يتضح من هذا التعريف أن الانعراج هو خاصية مميزة ليس فقط للضوء ، ولكن أيضًا لأي موجات أخرى ، مثل الموجات الصوتية أو الموجات على سطح البحر.
من الواضح أيضًا سبب عدم إمكانية ملاحظة هذه الظاهرة في الطبيعة (الطول الموجي للضوء يبلغ عدة مئات من النانومترات ، لذا فإن أي كائنات عيانية تلقي بظلالها).
مبدأ Huygens-Fresnel
يفسر المبدأ المسمى ظاهرة حيود الضوء. جوهرها كما يلي: انتشار مسطح مستقيمتؤدي مقدمة الموجة إلى إثارة الموجات الثانوية. هذه الموجات كروية ، ولكن إذا كان الوسط متجانسًا ، فعندئذ ، عند تراكبها على بعضها البعض ، فإنها ستؤدي إلى المقدمة المسطحة الأصلية.
بمجرد ظهور أي عائق (على سبيل المثال ، فجوتين في تجربة يونغ) ، يصبح مصدرًا لموجات ثانوية. نظرًا لأن عدد هذه المصادر محدود ويتم تحديده من خلال السمات الهندسية للعائق (في حالة وجود شقين رفيعين ، لا يوجد سوى مصدران ثانويان) ، فإن الموجة الناتجة لن تنتج الجبهة المسطحة الأصلية. هذا الأخير سيغير هندسته (على سبيل المثال ، سيكتسب شكلًا كرويًا) ، علاوة على ذلك ، ستظهر الحدود القصوى والدنيا لشدة الضوء في أجزائه المختلفة.
يوضح مبدأ Huygens-Fresnel أن ظاهرة التداخل وانحراف الضوء لا ينفصلان.
ما هي الشروط اللازمة لمراقبة الانعراج؟
واحد منهم سبق ذكره أعلاه: هو وجود عوائق صغيرة (بترتيب الطول الموجي). إذا كان العائق ذو أبعاد هندسية كبيرة نسبيًا ، فسيتم ملاحظة نمط الانعراج بالقرب من حوافه فقط.
الشرط الثاني المهم لانحراف الضوء هو تماسك الموجات من مصادر مختلفة. هذا يعني أنه يجب أن يكون لديهم فرق طور ثابت. في هذه الحالة فقط ، بسبب التداخل ، سيكون من الممكن ملاحظة صورة ثابتة.
يتم تحقيق ترابط المصادر بطريقة بسيطة ، يكفي تمرير أي جبهة ضوئية من مصدر واحد عبر عائق واحد أو أكثر. مصادر ثانوية من هؤلاءستكون العقبات متماسكة بالفعل.
لاحظ أنه من أجل ملاحظة التداخل وانحراف الضوء ، ليس من الضروري على الإطلاق أن يكون المصدر الأساسي أحادي اللون. سيتم مناقشة هذا أدناه عند التفكير في محزوز الحيود.
حيود فريسنل و فراونهوفر
بعبارات بسيطة ، حيود فرينل هو فحص النمط على شاشة تقع بالقرب من الشق. من ناحية أخرى ، يعتبر حيود فراونهوفر نمطًا يتم الحصول عليه على مسافة أكبر بكثير من عرض الشق ، بالإضافة إلى أنه يفترض أن واجهة الموجة على الشق مسطحة.
يتم تمييز هذين النوعين من الانعراج لأن الأنماط فيهما مختلفة. هذا يرجع إلى تعقيد الظاهرة قيد النظر. الحقيقة هي أنه من أجل الحصول على حل دقيق لمشكلة الحيود ، من الضروري استخدام نظرية ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية. مبدأ Huygens-Fresnel ، المذكور سابقًا ، هو تقريب جيد للحصول على نتائج قابلة للاستخدام عمليًا.
يوضح الشكل أدناه كيف تتغير الصورة في نمط الحيود عند تحريك الشاشة بعيدًا عن الشق.
في الشكل ، يُظهر السهم الأحمر اتجاه اقتراب الشاشة من الشق ، أي أن الشكل العلوي يتوافق مع حيود فراونهوفر والرقم السفلي مع فرينل. كما ترى ، عندما تقترب الشاشة من الشق ، تصبح الصورة أكثر تعقيدًا.
علاوة على ذلك في المقالة سننظر فقط في حيود فراونهوفر
الانعراج بشق رفيع (الصيغ)
كما هو مذكور أعلاه ،يعتمد نمط الانعراج على هندسة العائق. في حالة وجود شق رفيع من العرض أ ، مضاء بضوء أحادي اللون بطول الموجة λ ، يمكن ملاحظة مواضع الحدود الدنيا (الظلال) للزوايا المقابلة للمساواة
sin (θ)=م × λ / أ ، حيث م=± 1 ، 2 ، 3 …
زاوية ثيتا هنا تقاس من العمودي الذي يربط بين مركز الفتحة والشاشة. بفضل هذه الصيغة ، من الممكن حساب الزوايا التي سيحدث فيها التخميد الكامل للموجات على الشاشة. علاوة على ذلك ، من الممكن حساب ترتيب الانعراج ، أي الرقم م.
بما أننا نتحدث عن حيود فراونهوفر L>>a ، حيث L هي المسافة إلى الشاشة من الشق. تسمح لك المتباينة الأخيرة باستبدال جيب الزاوية بنسبة بسيطة من إحداثي y إلى المسافة L ، مما يؤدي إلى الصيغة التالية:
ym=م × λ × L / a.
هنا ymهو إحداثيات موضع الحد الأدنى للطلب m على الشاشة.
حيود الشق (تحليل)
تسمح لنا الصيغ الواردة في الفقرة السابقة بتحليل التغييرات في نمط الحيود مع تغيير طول الموجة λ أو عرض الشق أ. وبالتالي ، فإن الزيادة في قيمة a ستؤدي إلى انخفاض في تنسيق الحد الأدنى من الدرجة الأولى y1، أي أن الضوء سيتركز في حد أقصى مركزي ضيق. سيؤدي انخفاض عرض الشق إلى تمدد الحد الأقصى المركزي ، أي يصبح ضبابيًا. هذا الوضع موضح في الشكل أدناه.
تغيير الطول الموجي له تأثير معاكس. قيم كبيرة لـ λيؤدي إلى تشويش وضوح الصورة. هذا يعني أن الموجات الطويلة تنحرف أفضل من الموجات القصيرة. هذا الأخير له أهمية أساسية في تحديد دقة الأجهزة البصرية.
حيود ودقة الأدوات البصرية
ملاحظة حيود الضوء هي المحدد لدقة أي أداة بصرية ، مثل التلسكوب والميكروسكوب وحتى العين البشرية. عندما يتعلق الأمر بهذه الأجهزة ، فإنهم لا يعتبرون الانعراج عن طريق الشق ، بل بالفتحة المستديرة. ومع ذلك ، تظل جميع الاستنتاجات التي تم التوصل إليها مسبقًا صحيحة.
على سبيل المثال ، سننظر في نجمين مضيئين على مسافة كبيرة من كوكبنا. الثقب الذي يدخل من خلاله الضوء إلى أعيننا يسمى التلميذ. من نجمين على شبكية العين ، يتكون نمطا حيود ، لكل منهما حد أقصى مركزي. إذا سقط ضوء النجوم في بؤبؤ العين عند زاوية حرجة معينة ، فسيتم دمج الحد الأقصى معًا في زاوية واحدة. في هذه الحالة سيرى الشخص نجمة واحدة.
تم تحديد معيار الدقة من قبل اللورد جي دبليو رايلي ، لذلك يحمل لقبه حاليًا. تبدو الصيغة الرياضية المقابلة كما يلي:
الخطيئة (θج)=1 ، 22 × λ / د
هنا D هو قطر ثقب دائري (عدسة ، تلميذ ، إلخ).
وبالتالي ، يمكن زيادة الدقة (تقليل θc) عن طريق زيادة قطر العدسة أو تقليل الطولأمواج. يتم تنفيذ المتغير الأول في التلسكوبات التي تجعل من الممكن تقليل θcعدة مرات مقارنة بالعين البشرية. الخيار الثاني ، وهو تقليل λ ، يجد تطبيقًا في المجاهر الإلكترونية ، والتي تتميز بدقة أفضل 100000 مرة من أدوات الإضاءة المماثلة.
محزوز الحيود
عبارة عن مجموعة من الفتحات الرفيعة الموجودة على مسافة d من بعضها البعض. إذا كانت مقدمة الموجة مسطحة وتسقط موازية لهذا الحاجز ، فسيتم وصف موضع الحد الأقصى على الشاشة بالتعبير
sin (θ)=م × λ / د ، حيث م=0 ، ± 1 ، 2 ، 3 …
توضح الصيغة أن الحد الأقصى للطلب الصفري يحدث في المركز ، والباقي يقع في بعض الزوايا θ.
بما أن الصيغة تحتوي على اعتماد θ على الطول الموجي λ ، فهذا يعني أن محزوز الانعراج يمكن أن يحلل الضوء إلى ألوان مثل المنشور. تستخدم هذه الحقيقة في التحليل الطيفي لتحليل أطياف الأجسام المضيئة المختلفة.
ربما يكون أشهر مثال على حيود الضوء هو ملاحظة ظلال الألوان على قرص DVD. الأخاديد الموجودة عليها عبارة عن محزوز حيود ، والتي ، من خلال عكس الضوء ، تحللها إلى سلسلة من الألوان.
